中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求快速增長(zhǎng)。然而，化石燃料能源快速消耗不僅引發(fā)了能源危機(jī)，同時(shí)造成了二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物的大量排放，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。因此，節(jié)能降耗減排已成為現(xiàn)階段能源領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)。
以風(fēng)電、光電為代表的新能源發(fā)電裝機(jī)總量迅速增長(zhǎng)，但是新能源發(fā)電的波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的沖擊也導(dǎo)致了大面積的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象?；诖耍詈闲履茉窗l(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注，其能夠克服風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)性的不利影響，顯著提高能源利用效率，對(duì)于“雙碳”綠色發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。
儲(chǔ)能是指通過(guò)介質(zhì)或設(shè)備把能量以某種形式存儲(chǔ)起來(lái)，需要時(shí)再以特定形式釋放出來(lái)的過(guò)程。其中，熱儲(chǔ)能亦稱為儲(chǔ)熱，是重要的儲(chǔ)能形式之一。熱儲(chǔ)能可以與光熱發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、風(fēng)力發(fā)電耦合，實(shí)現(xiàn)電力靈活調(diào)峰、清潔供熱和清潔能源消納，另外在冷鏈運(yùn)輸、智能建筑方面也具有重要的應(yīng)用潛力。
熱儲(chǔ)能的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮螅?020年全球熱儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)約234GWh，據(jù)國(guó)際可再生能源署測(cè)算，到2030年，全球熱儲(chǔ)能規(guī)模將增長(zhǎng)3倍。熱儲(chǔ)能分為顯熱儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能（或稱為潛熱儲(chǔ)能）和熱化學(xué)儲(chǔ)能3種方式。
為了進(jìn)一步提高熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，不同研究機(jī)構(gòu)針對(duì)各類熱儲(chǔ)能材料和相關(guān)技術(shù)的開發(fā)開展了大量的研究工作，特別是在相變儲(chǔ)能材料的開發(fā)與封裝方面有了重要進(jìn)展。
本文首先對(duì)比了不同熱儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，然后針對(duì)基于相變儲(chǔ)能的材料開發(fā)和封裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)論述，最后對(duì)相變儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
1 熱儲(chǔ)能技術(shù)
熱儲(chǔ)能是指將熱能儲(chǔ)存在特定的介質(zhì)中，并在需要時(shí)轉(zhuǎn)化為電能或其他形式能源的技術(shù)。表1對(duì)比了顯熱儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能、熱化學(xué)儲(chǔ)能材料的特點(diǎn)。
顯熱儲(chǔ)能利用材料的吸熱升溫和放熱降溫過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱，具有材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟度高等優(yōu)勢(shì)。顯熱儲(chǔ)能材料有液體和固體2類，液體材料主要為水，固體材料主要為礫石和土壤。受限于儲(chǔ)能材料能量密度和熱導(dǎo)率較低的性質(zhì)，顯熱儲(chǔ)能技術(shù)存在儲(chǔ)能周期短、儲(chǔ)熱量小、無(wú)法保持恒溫等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足未來(lái)大規(guī)?？缂竟?jié)熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用需求。
相變儲(chǔ)能主要利用材料的相變過(guò)程潛熱來(lái)儲(chǔ)存和釋放熱量，因此又稱為潛熱儲(chǔ)能。相變過(guò)程中材料自身溫度幾乎維持不變，相變材料凍結(jié)時(shí)以潛熱的形式釋放大量的能量，并在熔化時(shí)直接從環(huán)境中吸收等量的能量。相比于顯熱儲(chǔ)能，相變儲(chǔ)能過(guò)程更加可控，材料儲(chǔ)能密度也更大，儲(chǔ)能周期更長(zhǎng)，并且能夠滿足供熱或供冷的需求。
但是相變材料的價(jià)格較顯熱儲(chǔ)能材料更高，相變儲(chǔ)能的技術(shù)成熟度也不如顯熱儲(chǔ)能?，F(xiàn)有的相變材料種類繁多，相變儲(chǔ)能的儲(chǔ)熱量主要與相變材料的性質(zhì)有關(guān)，受外界條件影響較小，因此相變儲(chǔ)能的關(guān)鍵在于強(qiáng)化材料自身導(dǎo)熱能力和系統(tǒng)對(duì)外換熱能力。此外，相變材料還需要具備穩(wěn)定的化學(xué)性能、較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、環(huán)境污染小、無(wú)腐蝕性等特點(diǎn)。
熱化學(xué)儲(chǔ)能利用可逆的吸、放熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行儲(chǔ)能，能量以化學(xué)鍵的形式存儲(chǔ)在化學(xué)材料中，化學(xué)鍵斷裂則釋放能量。熱化學(xué)儲(chǔ)能材料主要包括金屬氫化物、氧化物、氫氧化物、過(guò)氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽等。
相比于前兩種蓄熱儲(chǔ)能方式，熱化學(xué)儲(chǔ)能儲(chǔ)熱密度最大，可以長(zhǎng)距離運(yùn)輸，跨季節(jié)儲(chǔ)存，并且儲(chǔ)存穩(wěn)定，熱量損失低。然而，熱化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)復(fù)雜度也更高，且面臨循環(huán)效率低、運(yùn)維要求高、反應(yīng)條件苛刻、儲(chǔ)能體系壽命短、儲(chǔ)能材料對(duì)設(shè)備的腐蝕性大、一次性投資高等問(wèn)題。
此外，熱化學(xué)儲(chǔ)能正向和逆向反應(yīng)通常所需的溫度、壓力等反應(yīng)條件有較大差別?，F(xiàn)階段，熱化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。
2 相變材料
由于相變儲(chǔ)能溫度基本恒定，便于控制，規(guī)?；瘧?yīng)用潛力巨大，當(dāng)前研究多聚焦于不同場(chǎng)景下的相變材料。相變材料是指在某一特定溫度下發(fā)生物理相態(tài)變化，以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和釋放的潛熱儲(chǔ)能材料。
相變溫度、潛熱、比熱容、熱導(dǎo)率等是表征相變材料的重要性能指標(biāo)。相變溫度決定了相變儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景，典型相變材料石蠟、脂肪酸、多元醇、酯、烷烴、冰、結(jié)晶水合鹽、金屬合金、熔融鹽的性質(zhì)見表1。
相變材料種類繁多，通常有按照相態(tài)、組成成分、相變溫度3種分類方式。按照相態(tài)變化可以分為固-氣、液-氣、固-固和固-液相變材料。固-氣和液-氣相變材料在相變過(guò)程中體積變化較大，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)面臨較大的安全問(wèn)題。
固-固相變材料是通過(guò)其晶體結(jié)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)熱量的吸收或釋放，實(shí)際能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中并不存在相態(tài)的變化。例如，季戊四醇、高密度聚乙烯、Li2SO4等。固-固相變材料的潛熱較低，且不適合與其他材料制備復(fù)合相變材料，因此規(guī)?；瘧?yīng)用潛力較低。
相比之下，固-液相變材料在相變過(guò)程中體積變化不明顯，相變潛熱比固-固相變要高，規(guī)?；瘧?yīng)用的潛力更大。水合鹽、石蠟是最為常見的固-液相變材料。但是，固-液相變材料在相變過(guò)程中有泄露的風(fēng)險(xiǎn)，循環(huán)利用效率低。
相變材料按照組成成分可以分為無(wú)機(jī)相變材料（無(wú)機(jī)鹽、無(wú)機(jī)鹽水合物、冰、金屬合金等）、有機(jī)相變材料（石蠟、有機(jī)酸、多元醇等）和共晶相變材料（有機(jī)和無(wú)機(jī)材料之間共晶物）。
無(wú)機(jī)相變材料廉價(jià)易得且熱導(dǎo)率較高，但容易發(fā)生相分離，循環(huán)穩(wěn)定性較差；相比之下，有機(jī)相變材料過(guò)冷度低，性能較穩(wěn)定，相變溫度較低，但通常熱導(dǎo)率較低。共晶相變材料通過(guò)多種材料共混形成，其相變溫度通常低于所有原料的相變溫度，因此可以通過(guò)組分調(diào)變來(lái)控制共晶材料的相變溫度，滿足不同儲(chǔ)能場(chǎng)景的溫度要求。
相變材料按照相變溫度可以分為低溫（<100℃）、中溫（100~250℃）、高溫（>250℃）相變材料。
中低溫相變材料包括硅藻土、膨脹蛭石和膨脹珍珠巖等。高溫相變材料主要為熔融鹽、金屬合金等。其中，熔融鹽具有比熱容高，對(duì)流傳熱系數(shù)高，熱穩(wěn)定性高，飽和蒸氣壓低，黏度低和價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，是大規(guī)模中高溫儲(chǔ)熱技術(shù)的首選。
商用光熱發(fā)電項(xiàng)目通常使用二元硝酸熔融鹽作為儲(chǔ)熱材料，最高儲(chǔ)熱溫度為565℃。全球投運(yùn)的熔融鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)3.4 GW，我國(guó)熔融鹽儲(chǔ)能裝機(jī)已達(dá)0.5 GW。
3 相變材料傳熱和儲(chǔ)熱強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展
多數(shù)相變材料存在導(dǎo)熱系數(shù)小、傳熱性能差等問(wèn)題?；诖?，學(xué)者通過(guò)多種方式強(qiáng)化傳熱和儲(chǔ)熱，包括增大換熱面積，提高相變材料熱導(dǎo)率，提高熔化潛熱和提高比熱容等。
3.1增大換熱面積
多數(shù)相變材料傳熱性能較差，增大相變材料和傳熱流體之間的換熱面積是強(qiáng)化相變儲(chǔ)能材料換熱的主要方法之一。增大換熱面積，熱流量隨之增加，從而提高換熱速率。
加入導(dǎo)熱性能好的金屬翅片是常用的方法，翅片的形狀包括矩形、Y型、雪花型、輪狀、三角形、樹狀等。?a?atay等人研究了熔融鹽相變材料在矩形翅片和分質(zhì)翅片矩形容器內(nèi)自然對(duì)流換熱，發(fā)現(xiàn)2種翅片結(jié)構(gòu)自然對(duì)流換熱效果均明顯增強(qiáng)，模擬結(jié)果顯示自然對(duì)流換熱效果最高可提高20%。
范宗良等對(duì)比了光管、平直翅片管和Y型縱翅片管中的相變材料熔化過(guò)程，結(jié)果表明，Y型翅片管顯著增加了換熱面積，因而強(qiáng)化換熱效果最佳。
Wu等人的研究表明，樹形翅片能夠明顯縮短凝固時(shí)間。Mohsen等人對(duì)比了無(wú)翅片、簡(jiǎn)單縱向翅片和雪花翅片優(yōu)化的儲(chǔ)能單元，結(jié)果表明，相變材料在雪花翅片儲(chǔ)能單元中的凝固過(guò)程比前2種翅片快8.3倍和2.0倍。Kousksou等人基于數(shù)值模擬研究了鋁制針鰭散熱器幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)石蠟基相變材料相變過(guò)程的影響，結(jié)果表明，散熱器最長(zhǎng)工作時(shí)間主要取決于翅片的數(shù)量、高度、厚度以及臨界溫度。
除了加入形狀各異的翅片，學(xué)者們提出使用膨脹金屬網(wǎng)或泡沫金屬進(jìn)一步增強(qiáng)相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的換熱效果。
Mustaffar等人以鹽水合物作為相變材料填充到膨脹鋁網(wǎng)的空隙中，形成鹽水合物/膨脹鋁網(wǎng)復(fù)合材料，在55℃加熱條件下，復(fù)合相變材料的熔化完成時(shí)間縮短14%，如果膨脹鋁網(wǎng)層合理平行排列連接時(shí)，可使熔化時(shí)間縮短81%。
高小建等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在金屬銅殼體中布置15個(gè)導(dǎo)熱翅片可以將肉豆蔻酸完全熔化的時(shí)間縮短64.8%。Feng等人將水填充進(jìn)泡沫金屬研究水的凍結(jié)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在泡沫金屬與儲(chǔ)能系統(tǒng)冷壁的自然接觸、施加壓力、用高導(dǎo)熱系數(shù)黏合劑粘接3種接觸條件下，泡沫金屬/水相變體系具有相似的凍結(jié)速率，因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，只需要泡沫金屬塊嵌入相變材料中即可，無(wú)需通過(guò)燒結(jié)熱黏合劑或其他復(fù)雜方法將其連接到冷壁，從而降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)備成本。
3.2提高熱導(dǎo)率
常用有機(jī)相變材料的熱導(dǎo)率較低，僅0.15~0.35 W/(m·K)。為了減少相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱能存儲(chǔ)和釋放的時(shí)間和溫差，提高相變儲(chǔ)能系統(tǒng)效能，提高相變材料的熱導(dǎo)率是有效途徑。添加高熱導(dǎo)率、小尺寸材料形成復(fù)合相變材料是提高熱導(dǎo)率的主要方法，添加物的微對(duì)流效應(yīng)能夠提高相變儲(chǔ)能材料的導(dǎo)熱能力。常用的高導(dǎo)熱材料包括納米金屬顆粒和碳基材料，表3列舉了添加不同高熱導(dǎo)率材料后對(duì)復(fù)合相變材料效能的提升效果。
3.2.1加入納米金屬顆粒
金屬的熱導(dǎo)率非常高，例如常用的銅、鋁、鎳等金屬的熱導(dǎo)率在20℃時(shí)分別為381、218、90 W/(m·K)。在相變材料中加入納米金屬顆粒，可以提高其熔融性能，且由于球形顆粒各向同性，使得導(dǎo)熱系數(shù)增強(qiáng)效果幾乎不受溫度的影響。加入納米金屬顆粒的相變材料亦稱為納米增強(qiáng)相變材料。
劉慶偉等利用石蠟和納米泡沫鋁制備成納米增強(qiáng)相變材料，熱導(dǎo)率從0.25 W/(m·K)提高至2.48 W/(m·K)。Nurten等人制備了石蠟/納米磁鐵礦（Fe3O4）復(fù)合相變材料，對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%和20%的納米Fe3O4復(fù)合相變材料，熱導(dǎo)率分別提高了48%和60%。
Sharma等人的研究表明，納米二氧化鈦（TiO2）顆粒不影響棕櫚酸相變材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以增強(qiáng)棕櫚酸的導(dǎo)熱性。
M.Alizadeh等通過(guò)添加TiO2-Cu雜化納米顆粒等增強(qiáng)相變材料的導(dǎo)熱性，并研究了納米增強(qiáng)相變材料在Y型翅片、雪花狀翅片和樹狀分支翅片蓄熱系統(tǒng)中的凝固過(guò)程，對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用Y型翅片和納米顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%的納米增強(qiáng)型相變材料分別可以使凝固時(shí)間縮短48.53%和44.03%。
3.2.2加入碳基材料
膨脹石墨、石墨烯和碳納米管等碳基材料在增強(qiáng)相變材料傳熱性能方面極具潛力，近年來(lái)備受關(guān)注。其中，膨脹石墨價(jià)格低廉、比表面積大，是最為常用的碳基材料，其熱導(dǎo)率可達(dá)300 W/(m·K)。Choi等人研究表明，石墨添加體積分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)，硬脂酸相變材料的傳熱效率提高了3.35倍。
Li等人通過(guò)熔融浸漬法向硬脂酸中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、6%和10%的膨脹石墨，熱導(dǎo)率從0.26 W/(m·K)分別提高到0.75\2.50、3.56 W/(m·K)。
Ren等人研究了膨脹石墨對(duì)Ca(NO3)2-NaNO3二元硝酸鹽相變材料的影響，結(jié)果表明，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%膨脹石墨可以使熱導(dǎo)率提高7倍。
此外，膨脹石墨的添加也能明顯提高無(wú)機(jī)共晶相變材料的熱導(dǎo)率，以NaCl-CaCl2-MgCl2三元共晶相變材料為例，當(dāng)三者的比例為53.44:14.95:31.61時(shí)，共晶相變材料的熱導(dǎo)率為1.174 W/(m·K)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的膨脹石墨可使熱導(dǎo)率提高到2.084 W/(m·K)。
納米金屬顆粒和碳基材料不僅能夠提高相變材料的熱導(dǎo)率，同時(shí)也可用作相變材料封裝的基材。需要說(shuō)明的是，這些高熱導(dǎo)率材料并不具備相變能力，他們的加入會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能密度的降低。
3.3提高熔化潛熱
熔化潛熱是相變材料的重要性能參數(shù)，決定了潛熱儲(chǔ)能的容量，因此，提高熔化潛熱是增強(qiáng)相變儲(chǔ)熱能力的重要方法之一。通常情況下，當(dāng)加入金屬基材料的比例較高時(shí)會(huì)降低相變材料的潛熱。
Jiang等人報(bào)道石蠟和硬脂酸加入泡沫鋁后潛熱分別由141、140 J/g降低到72.9、66.7 J/g。
Warzoha等人發(fā)現(xiàn)，在石蠟中摻入體積分?jǐn)?shù)20%的多壁碳納米管、Al或TiO2制成納米復(fù)合相變材料后，熔化潛熱相比純石蠟降低約15%~17%；但是，當(dāng)摻入體積分?jǐn)?shù)為20%的石墨烯納米顆粒（厚度15 nm，直徑15μm）后，熔化潛熱可以提高約11%。
石蠟、石墨烯-石蠟、多壁碳納米管-石蠟、Al-石蠟、TiO2-石蠟的相變潛熱分別為278.20、314.53、289.50、282.50、283.09 J/g。多壁碳納米管-石蠟、Al-石蠟、TiO2-石蠟納米復(fù)合材料在熔融相的絕對(duì)相變潛熱僅比石蠟大1%；相反，石墨烯-石蠟納米復(fù)合材料在熔體相的絕對(duì)相變潛熱比石蠟高出約13%。
3.4提高比熱容
為了進(jìn)一步增加相變材料的儲(chǔ)能容量，還可以提高材料在儲(chǔ)熱過(guò)程中的顯熱，即提高材料的比熱容。
Shin等人研究表明，堿金屬氯化物鹽共晶納米流體中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%直徑20~30 nm的SiO2納米顆粒，可以使材料的比熱容提高14.5%。
Shin等人推測(cè)比熱容增加的原因有：首先，與塊體材料相比，納米SiO2具有更高的比表面能；其次，由于納米顆粒極高的比表面積，納米顆粒與附著液體分子之間的界面相互作用（如界面熱阻和電容）導(dǎo)致額外的熱量?jī)?chǔ)存；再次，附著在納米顆粒上的半固態(tài)液體層具有增強(qiáng)比熱容的能力。
Shin等人又通過(guò)在共晶混合物中分散粒徑為2~20 nm的納米SiO2顆粒，所得納米復(fù)合材料（固相）的比熱容比純共晶材料提高38%~54%，納米流體（液相）的比熱容比純共晶材料提高118%~124%。
Chieruzzi等人研究了納米顆粒對(duì)NaNO3-KNO3（質(zhì)量比60:40）混合鹽的比熱增強(qiáng)作用，結(jié)果表明，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的納米顆?？墒构滔啾葻崽岣?5%~57%，液相比熱容提高1%~22%。
綜上，為了強(qiáng)化相變材料的換熱與儲(chǔ)熱，可以通過(guò)布置翅片增加換熱面積；也可以通過(guò)添加納米金屬顆?；蛱蓟牧咸岣呦嘧儾牧系臒釋?dǎo)率；同時(shí)，碳基材料的添加還可能使得材料的熔化潛熱也隨之增加；此外，對(duì)相變材料比熱容的增加也可以進(jìn)一步提高相變材料的儲(chǔ)能容量。
4 相變材料封裝技術(shù)研究進(jìn)展
為了解決相變材料泄露的問(wèn)題，需要將相變材料封裝在一定的基體材料中，將相變材料與周圍環(huán)境隔離，減少環(huán)境影響，增強(qiáng)相變材料的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，提高頻繁相變的靈活性，同時(shí)可以增強(qiáng)相變材料的熱導(dǎo)率。根據(jù)封裝后相變材料的尺寸將封裝相變材料分為宏觀（>1 mm）、微觀（1~1 000μm）和納米封裝（0~1 000 nm）；根據(jù)封裝方法還可分為膠囊封裝和多孔骨架封裝等。
4.1宏觀封裝
宏觀封裝是相變儲(chǔ)能應(yīng)用中常用的封裝方法。封裝容器的形狀可以是球形、管狀、圓柱形或矩形。最常用的封裝材料通常為塑料，當(dāng)對(duì)導(dǎo)熱要求較高時(shí)，則需要使用金屬材料封裝。需要注意的是，封裝材料的選取還需要考慮其與相變材料的兼容性。
現(xiàn)階段已經(jīng)報(bào)道了多種宏觀封裝材料，其中，鍍錫食品罐和塑料瓶是最便宜的宏觀封裝容器。
Sari制備了石蠟/高密度聚乙烯（HDPE）復(fù)合材料作為固-液相變儲(chǔ)能材料，實(shí)驗(yàn)中選用了熔點(diǎn)分別為42~44℃（P1型）和56~58℃（P2型）的石蠟材料，潛熱分別為192.8 J/g和212.4 J/g，制備的P1/HDPE和P2/HDPE復(fù)合相變材料的潛熱分別為147.6·J/g和162.2 J/g，相應(yīng)的熔點(diǎn)分別為37.8℃和55.7℃。
Cai等人利用雙螺桿擠出機(jī)技術(shù)，將HDPE、石蠟、有機(jī)蒙脫土和膨脹阻燃劑制備成穩(wěn)定的相變材料，表征結(jié)果顯示蒙脫土的層狀結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化。
Chen等人采用本體聚合法直接合成了一系列具有高潛熱和寬相變溫度范圍（20~65℃）的新型形態(tài)穩(wěn)定的石蠟基/聚氨酯復(fù)合材料，對(duì)于正十八烷石蠟來(lái)說(shuō)，最大包封率約為25%，n-環(huán)氧烷石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，復(fù)合材料的潛熱高達(dá)141.2 J/g。對(duì)于宏觀囊體來(lái)說(shuō)，囊體尺寸較大使得相變材料重心和邊界的溫差也較大，當(dāng)材料邊界呈固體時(shí)，中心部分可能仍為液體狀態(tài)，從而限制了傳熱。
高小建等研究表明，向金屬銅封裝的肉豆蔻酸相變材料中添加翅片或泡沫銅，可以將完全相變時(shí)間減少64.8%，有效解決大容量宏觀封裝傳熱慢的問(wèn)題。
4.2微觀封裝
微觀封裝相變材料的尺寸小于1000μm，亦稱為微膠囊相變材料，其比宏觀封裝相變材料的傳熱速率高，但制作難度也更大。微膠囊相變材料具有非常高的比表面積，能夠承受相變過(guò)程中體積的變化，較高的傳熱速率使得微膠囊相變材料能夠快速熔化和凝固。
在熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性方面，微膠囊相變材料比宏觀封裝更可靠，但微膠囊相變材料可能導(dǎo)致過(guò)冷度增加，使得相變材料即使在冰點(diǎn)以下也能保持液相狀態(tài)，因此需要加入成核劑防止過(guò)冷。
Fan等人測(cè)試了不同成核劑對(duì)正十八烷微膠囊的影響，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的氯化鈉和9%的1-十八醇可以防止過(guò)冷，但會(huì)使微膠囊表面變得粗糙；添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的石蠟，不僅可以防止過(guò)冷，還可以保證材料表面優(yōu)良的光潔度。
此外，囊壁材料的熱導(dǎo)率對(duì)相變材料相變完全所需時(shí)間具有定的影響，熱導(dǎo)率越高相變完全時(shí)間越短。聚苯乙烯、脲醛樹脂、密胺樹脂、SiO2 4種囊壁材料的熱導(dǎo)率依次升高（0.080~1.296 W/(m?K)），其制備的微膠囊完全熔化時(shí)間由0.18 s逐漸降低到0.13 s。
Qiu等人以不同交聯(lián)甲基丙烯酸甲酯基聚合物為殼制備了一系列正十八烷微膠囊，表征結(jié)果顯示，以季戊四醇四丙烯酸酯為交聯(lián)劑制備的正十八烷微膠囊相變材料具有最高的熔融潛熱（156.4 J/g）和結(jié)晶潛熱（182.8 J/g），并表現(xiàn)出最高的熱穩(wěn)定性和外殼機(jī)械強(qiáng)度。
4.3納米封裝
當(dāng)封裝后材料尺寸降低到1000 nm以下后，就得到了納米膠囊相變材料。Sukhorukov等人對(duì)10 nm和10 mm尺寸的聚電解質(zhì)膠囊施加相同的力，觀察到10 nm膠囊的變形比10 mm膠囊小得多。這表明，與宏觀和微觀封裝相比，納米膠囊在結(jié)構(gòu)上更加穩(wěn)定，在熱儲(chǔ)能應(yīng)用中具有巨大的潛力。
Sari等人采用乳液聚合法合成了聚苯乙烯/四環(huán)烷-十八烷共晶混合物的微/納米膠囊相變材料，表征結(jié)果表明，膠囊表面并非完全球形，顆粒粒徑分布在0.01~115μm內(nèi)，共晶混合物含量最高的膠囊熔點(diǎn)溫度為25.96℃，潛熱為156.39 J/g，且該微納米膠囊具有相當(dāng)高的熱導(dǎo)率。熱循環(huán)試驗(yàn)證實(shí)，該微/納米膠囊在5000次熱循環(huán)后具有良好的熱可靠性和熱耐久性。研究表明無(wú)定形SiO2是良好的納米封裝材料，且具有較高的儲(chǔ)熱能力和導(dǎo)熱性。
Belessiotis等人利用溶膠凝膠法制備了石蠟芯的納米SiO2球，該復(fù)合相變材料的潛熱約為156 J?g–1。受限于制備技術(shù)，納米膠囊相變材料的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室水平，而微膠囊和宏觀封裝相變材料已成功商業(yè)化。
4.4多孔骨架封裝
多孔骨架封裝是指以大比表面積的多孔介質(zhì)作為骨架載體材料，利用毛細(xì)作用力和表面吸附效應(yīng)將液態(tài)相變材料禁錮在孔道中，即使相變時(shí)材料也很難從孔道中泄露出來(lái)。
此外，高導(dǎo)熱性多孔材料還可以同時(shí)增強(qiáng)復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性，并且多孔骨架分裝在高溫復(fù)合相變材料制備中發(fā)揮著重要作用。常用的多孔介質(zhì)包括膨脹石墨、多孔SiO2、氣凝膠、陶瓷、金屬泡沫、硅藻土、膨脹珍珠巖等。
尹少武等以膨脹石墨為多孔骨架，制備了石蠟基定形復(fù)合相變材料，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的膨脹石墨，泄漏率小于0.3%，同時(shí)還將熱導(dǎo)率提高了4.85倍。
Sari等人指出當(dāng)以棕櫚酸為相變材料，利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%膨脹石墨進(jìn)行定形封裝，顯著減弱了泄露，熱導(dǎo)率提高2.5倍。李軍利用還原氧化石墨烯氣凝膠制備了二十烷復(fù)合相變材料，50次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后依然具有良好熱穩(wěn)定性，熱導(dǎo)率和潛熱分別可達(dá)0.422 W/(m?K)和214.8 J/g。
Qian等人以熔融LiNO3和Na2SO4為相變材料，利用放射狀介孔SiO2制備高溫復(fù)合相變材料，相變材料可以承載70%的熔融LiNO3和Na2SO4并且不會(huì)泄露，同時(shí)該復(fù)合相變材料經(jīng)100次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后仍具有良好的熱穩(wěn)定性。氧化鎂（MgO）和氧化鋁（Al2O3）陶瓷材料也常用來(lái)封裝高溫相變材料。
綜上所述，利用高熱導(dǎo)率的多孔材料對(duì)相變材料進(jìn)行封裝，可同時(shí)解決熱導(dǎo)率低和泄露的問(wèn)題，是未來(lái)發(fā)展的重要方向。
5 結(jié)語(yǔ)
本文重點(diǎn)綜述了相變儲(chǔ)能系統(tǒng)相變材料的傳熱強(qiáng)化和封裝所取得的研究進(jìn)展。學(xué)者們從增加換熱面積、提高熱導(dǎo)率、提高熔化潛熱、提高比熱容方面對(duì)相變材料的相變過(guò)程傳熱強(qiáng)化開展了一系列研究，提高了相變材料換熱性能。
另外，介紹了各種封裝技術(shù)解決相變過(guò)程材料泄露問(wèn)題的效果，指出利用高熱導(dǎo)率的材料可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳熱強(qiáng)化和相變材料的封裝，是今后重要的發(fā)展方向。今后還需要對(duì)相變材料的穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)新型相變材料的商業(yè)化應(yīng)用。
(作者：李國(guó)儉，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槟茉措娏夹g(shù)，lgjian77@126.com。)
