前言

世界上大家最关心的问题是环境能否持续存在的挑战。依赖化石燃料和造成环境污染正在推动着未来技术的发展。而利用可再生能源并不断改进它们的利用方式，是确保能源供应的关键要素。储存能量也是非常重要的，因为能源的需求和供应往往在时间上不一致。

储存能量有三种主要方式，分别是蓄能、电池能、热能储存。液体石蜡油是一种通过从原始石油中蒸馏得到的无色无味的液体，可以用于各种用途。有时候，石蜡油和矿物油可以互换使用。流体石蜡油是一种未经过精炼的矿物油，是从石油精炼过程的副产品中获得的。它是一种直接、没有光泽、无味、较稠的油，主要由高分子量的烷烃组成。液体石蜡也被称为高分子量矿物油，是一种由较高分子量的烷烃组成的混合物。

储存能量方面有一个新的研究，它涉及到纳米材料和一种叫做石蜡的物质。新型相变材料的制造对于能源开发来说很重要。所以，我们用一种简单的方法合成了一系列不同的固体相变材料，它们可以像蜡一样变软，还有结晶环氧树脂的分支以及聚环氧丙烷二胺混合物。

新型材料

研究了一种新型材料，叫做纳米颗粒-石蜡-陶瓷复合相变材料，看它在储能应用中的效果NCPCM实际上是由石蜡和能够非常好导电的纳米粒子，就像纳米石墨烯一样组成的，在一个陶瓷结构中形成的。我们用数字来解释了我们实验室是如何制备这种材料的。如果要做更大的NCPCM单元，就需要增加一些周期。我们还利用一种名为铁矿尾矿的多孔材料，让材料中的东西可以很好地扩散进去。用一种插入纳米氧化铜分子的方法，来研究储存能量的框架，看看它如何影响石蜡的热性质。

通过研究了不同浓度的石蜡乳液，观察石蜡和纳米粒子在不同温度下的导热性能变化。我们展示了一个稳定结构的相变材料，以及添加了剥离的石墨烯纳米片的情况，它在升温时像一个活动的广告牌一样展开。我们还通过对氧化硅和氧化铯纳米粒子的交叉测试，来确定这些纳米材料对石蜡的热性质有什么影响。

用超声波对混合物进行了1小时的处理，这样就使纳米石蜡更加均匀地分散在混合物中。在这个设计里，没有使用那些可以影响半纳米或石蜡热传导性的表面活性剂化合物，因为我们想避免这种影响。之后我们对预先混合好的纳米/石蜡样本进行了测试，然后将它们制成了圆形和中空的结构。

研究了在不同浓度，比如从0.5%到1.5%的二氧化钛-银纳米复合颗粒与石蜡相变材料的混合物中，热性能的表现。我们分别在没有和有使用十二烷基硫酸钠表面活性剂的情况下，进行了非循环和热循环的测试。

首先我们排列了这些颗粒，然后以不同的时间间隔滴入，以去除排列中的杂质。然后，我们将得到的排列分开，在温度保持在90°C到100°C的情况下，进行了12小时的干燥。之后继续干燥，直到获得了微小的颗粒。钛银纳米复合颗粒交付的方式。

纳米复合粒子的制备

我们用一种叫悬浮聚合法的方法制造了以石蜡为中心的聚苯乙烯微胶囊。关注了四个探索性因素对这些微胶囊性能的影响。这些因素包括引发剂和苯乙烯的质量比，石蜡与苯乙烯的质量比，稳定剂与苯乙烯的质量比，以及水与苯乙烯的质量比。我们通过调整这些因素，研究了微胶囊的性能。

在图中展示了两种分子在微胶囊中的插入情况。当引发剂和苯乙烯的质量比以及稳定剂和苯乙烯的质量比达到极端值时，微胶囊中基本分子的程度会完成。虽然在引发剂和苯乙烯的质量比上微小的改变会影响到微胶囊膨胀程度，但在稳定剂和苯乙烯的质量比上微小的改变会产生相反的效果。

我们通过使用硫化石蜡和三元乙丙橡胶，以及不同浓度的过氧化苯甲酰，来测试EPDM橡胶的网络特性，以确保产品具有低泄漏和良好的热性能。以前PCM系统非常受欢迎，就像使用硫化三元乙丙橡胶在高温熔融的PW中浸渍，制造这种产品一样。

还对具有不同三层PCM参数的管壳和管翅片进行了定量研究，以了解它们的性能。我们用一个叫做综合存储密度评价的标准来分析金属翅片的排列方式以及PCM参数对于熔融性能的影响。通过这个标准，我们确定了最佳的结构设计。

我们强调了为什么需要进行能量储存，以及有哪些不同类型的储存方式，以及每种方式的适用情况。详细介绍了一种叫做潜热储存技术，同时也从它如何融入不同应用的角度进行了分析。还对不同种类的相变材料进行了全面的概述，这些材料在储能中发挥着重要作用。

热存储的必要性及其类型

当能源并不是一直都可用的时候，我们就需要储存能量，这是不可避免的。比如对于太阳能热系统来说，储能就非常重要。太阳辐射的曲线通常是什么样子的。它描述了在一个住宅采暖系统中，太阳辐射的进入、实际收集到的太阳能增益以及系统的能耗情况。因为收集器对太阳能的吸收效率，实际的收集增益会小于进入的太阳辐射。一天中有时候会有太多的太阳能供应，超过了实际需求；但也会有供应不足的时候，无法满足需求。

在这种情况下，能量储存就成为了必要的，它可以平衡供应和需求之间的不匹配。这样可以确保在需要的时候，系统能够满足住宅的能源需求。要优化储存的大小是一个相当复杂的过程，需要考虑到强大的控制系统，以确保系统的稳定运行。

储能系统有很多种分类方法，其中最常见的是根据功能分为热储存和化学储存，热化学存储器是一种把热能以化学反应的形式储存起来的系统，这个话题超出了我们现在的讨论范围。我们重点关注的是热储存，而它又可以进一步细分为“可感知型”和“潜在型”。

在“可感知型”热储存中，储存材料能够保持固体或液体状态，储存的能量通过材料温度的显著升高来表现出来。最常见的例子就是水和岩石。而在“潜在型”热储存中，储存的能量主要与物质从固态到液态的相变或反之相变有关。相变材料就是这种类型的代表，它在固定的温度下改变相态，从而储存热量，因为相变时释放或吸收的潜热要比显热大得多。选择合适的系统时，工作温度范围是一个重要考虑因素。对于能够在较宽温度范围内运行的系统，传感型的储存系统表现得更好。而在较窄的操作温度范围内，潜在型的储存系统性能更优越。

不同的热能储存系统

为了揭示感知型热储存和潜在型热储存在储能能力上的不同，选择了两种不同的储存介质：水代表感知型，而月桂酸代表潜在型。月桂酸在42°C时会发生相变，改变其状态。我们比较了这两种储存介质在不同工作温度范围内的储能密度。我们考虑了两个不同的温度范围：一个是窄范围的10°C，另一个是宽范围的40°C。结果显示，在较宽的温度范围内，月桂酸所储存的能量比水高出70%。

而在狭窄的操作温度范围内，月桂酸存储的能量相对于水增加了高达400%。这说明了相变材料在较窄的工作温度范围内更具优势。尤其是因为它们的热性能，如密度和比热容通常较差。潜热储存作为一项研究热点已有近40年历史。在过去的能源危机中，相变材料在住宅供暖领域得到了广泛研究。为了最大程度地发挥潜在储存的好处，也为了解决潜在存储所面临的一系列问题，人们也做了大量的努力。

月桂酸中储存的能量与水相比

相变材料因其高存储密度的特点，在各种应用中得到了广泛的应用。这些应用包括电子设备的冷却、智能建筑以及废热的回收利用。最近，它还开始应用在水和空间加热等领域。在一个典型的供暖系统中，保持稳定的温度是非常重要的，这可以让室内保持舒适。而当我们考虑潜在型热储存时，这一目标就可以实现。

关于PCM的分类可以找到，它显示了可能的相变组合，即从固体到液体，或者反之，是一个常见的模式。这些分类进一步分为有机、无机和复合材料。在住宅应用中，无机材料更常见。它们不毒性较小，也不容易腐蚀。而且它们的密度在相变时变化不大。但是，它们相对较昂贵，导热系数也相对较低。有机脂肪酸的熔点范围相当广泛，从16°C到65°C不等。无机材料，尤其是盐，常用于高温应用，例如太阳能集中器。

PCM 分类

水是最常见的一种智能储存方式。一个很好的方法来理解相变材料的热性能是将它们与水进行比较。有机相变材料的比热容大约是水的一半，而密度几乎达到水的80%。它们的平均相变潜热约为150兆焦耳/立方米。而无机相变材料的密度比水高约60%，比热容是水的一半，不过，它们的熔化潜热可能是有机相变材料的两倍。

石蜡被认为是一种很有潜力的相变材料。它是一种高分子量的碳氢化合物。不同链烷烃的熔点因原子数不同而不同，原子数的范围可以从12到40。它的熔化温度范围广泛，大约在6°C到80°C之间。因此，石蜡适用于许多应用，因为它可以在广泛的温度范围内进行相变。石蜡具有很高的储热能力，而且在冻结时会出现超冷现象。它在多次融化和冻结的循环中非常稳定。此外它不会腐蚀材料，也不会对绝缘材料产生不良反应。这使得将石蜡封装成为一个相对简单的过程。

相变过程在数值模型中很难建模。数值模型是非线性的，整个过程是瞬态的，意味着随着时间的推移，情况在不断变化。杜蒂尔等人在一项研究中[11]总结了已经报道的各种数值方法，用于模拟相变过程。

最常见的数值模拟方法之一是固定网格法。在这种方法中，模拟过程中使用的网格保持不变。另一种不太常见的方法是自适应网格法，在这种方法中，模拟过程中网格会根据需要变化。

在固定网格方法中，有两个主要的子类：焓法、孔隙率法和比热容法。其中，焓法被认为较为稳定。它引入了一个称为焓的项，它是相变百分比的函数。但是这种方法的挑战在于需要考虑凝固过程中的停滞现象。为了解决这个问题，引入了液体分数这个概念。当相变材料完全是液体时，这个分数等于1，当相变材料凝固时，分数等于0，在整个过程中它的取值范围在0到1之间。

当相变过程中对流变得重要时，问题变得更加复杂。很少有方法能够完全考虑到这一点。其中一个简化方法是等效导热系数的概念，它使用相关性来计算。对流的影响越大，等效导热系数的值就越高。然而，这可能导致模型中的传导效应在对流主导的熔化过程中被高估，从而产生一个不准确的假设。