1.    引言

储能技术包括热能存储、热化学储能、电化学储能、机械储能和电磁储能等。热能存储以热量的形式储存能量，根据热量储存的形式可以分为显热储能和潜热储能。其中，潜热储能是将固液相变材料（PCM，phase change material）作为储能介质，通过潜热的形式储存能量，具有储能密度大、结构简单和成本低等优点。作为国家能源战略发展重点任务，相变储能可缓解能源供给和需求间的不匹配问题，提高太阳能、风能等可再生能源的利用效率，支撑清洁低碳、安全高效能源体系建设和能源高质量发展，是缓解能源短缺问题的关键技术^[1]。

相变储能过程本质上是热量传递过程。在储热过程中，热量经集热装置（太阳能集热器、工业余热回收传热器等）传递至传热流体，再由传热流体通过传热管道传递至储热容器中，并以潜热的形式存储在相变材料内。在放热过程中，热量经由储热容器和传热流体，再传递至热负载中。热量的传递速率是相变储能系统的重要评价指标，强化传热是提高相变储能效率的主要途径。

2.  高导热纳米颗粒强化

高导热纳米颗粒因其独特的尺寸效应、优异的比表面积以及良好的分散稳定性，作为强化传热介质引起了传热与储能领域的广泛关注。将高导热纳米颗粒均匀分散于基液中所形成的复合流体（即纳米流体），能够显著改善流体的宏观热物性，尤其是导热系数与对流换热能力。这一思路的提出，为突破传统传热工质导热性能瓶颈提供了新的技术路径。

从强化机理来看，纳米颗粒对传热性能的改善可从多个层面加以解释。首先，纳米颗粒自身的导热系数通常远高于基液或有机相变基体，颗粒的引入在微观尺度上构建了高导热网络与热桥通道，有效缩短了热量在介质内部的传递路径。其次，纳米颗粒的小尺寸效应使其在基体中表现出显著的布朗运动特征，颗粒的随机热运动促进了微尺度上的能量输运与局部对流混合，从而增强了整体的热扩散能力。此外，纳米颗粒与基体之间巨大的比表面积提供了充裕的固-液界面，界面处的声子耦合与分子间相互作用进一步强化了热量的跨界面传递。

在纳米流体领域，研究者将金属氧化物、碳基材料等高导热纳米颗粒分散于水、乙二醇及其混合溶液等传统冷却工质中，结果表明，即使添加较低体积分数的纳米颗粒，也可使流体的有效导热系数获得可观提升，且强化效果随颗粒浓度的增加而趋于显著。在工程应用层面，纳米流体已被探索用于电子器件散热、锂离子电池热管理以及换热器性能优化等场景，研究显示纳米颗粒的引入能够有效降低系统热阻、提高换热效率，从而改善整体热管理性能^{[2, 3]}。

图1 纳米流体

在相变储能领域，有机相变材料（如石蜡、脂肪酸等）虽具有较高的潜热储能密度，但其本征导热系数普遍偏低，严重制约了充放热速率与系统的功率响应能力。将高导热纳米颗粒（如金属氧化物、碳纳米管、石墨烯及二维碳基材料等）掺入相变基体中，可构建贯穿固-液相的导热增强网络，大幅提高复合相变材料的等效导热系数。实验与数值模拟研究均证实，纳米颗粒的加入能够显著缩短相变材料的熔化与凝固时间，提升储能系统的充放热速率与循环稳定性。此外，将纳米增强相变材料应用于太阳能储热、工业余热回收及建筑热管理等领域，也展现出良好的应用前景。

3. 多孔介质强化

多孔材料或金属泡沫因其独特的三维相互连通网状拓扑结构、高孔隙率以及优异的比表面积特性，被广泛用作强化相变材料传热速率的高效骨架结构，是当前潜热储能与热管理领域最受关注的被动强化传热策略之一。其核心原理在于将高导热金属骨架嵌入低导热系数的相变基体中，利用金属骨架的高本征导热系数构建贯穿整个相变域的连续导热网络，从根本上改变纯相变材料中以低效热传导为主导、熔化前沿推进缓慢的不利局面，使热量能够快速、均匀地传递至相变材料内部，从而大幅缩短熔化与凝固时间，提升储能系统的功率密度与热响应速度。在骨架材料选择方面，研究通常选用铜、铝、镍及其合金等高导热金属制备开孔泡沫结构，其中泡沫铜凭借其极高的导热系数、优良的化学惰性、成熟的工业化制备工艺以及与多种有机相变材料良好的浸润兼容性，成为应用中最为广泛的骨架材料；泡沫铝则以密度低、成本低廉的优势在大规模储能工程中具有竞争力；泡沫镍则在耐腐蚀性及与特定无机盐相变材料的化学相容性方面展现出独特优势。从传热强化机理来看，多孔骨架不仅通过巨大的固-液接触面积显著增大了有效传热面积，还在熔化初期迅速建立温度梯度较小的等温场，抑制了纯相变材料中常见的局部过热与熔化前沿不均匀推进现象，同时在熔化中后期对液态相变材料的自然对流具有一定的约束与引导作用，影响熔体中浮力驱动的环流模式，进而改变对流传热的贡献份额，并有效抑制了相变材料在反复循环过程中的宏观相分离与沉降，提升了复合体系的长期结构稳定性^[4]。

图2 多孔介质

多孔骨架的几何参数尤其是孔隙率和孔隙密度对复合相变材料的传热性能具有决定性影响，较低的孔隙率意味着金属体积分数更高、导热通路更为连续，复合体系的等效导热系数随之增大，但可用储热容量相应降低；较高的孔隙率则保留了更多的相变材料填充空间，储热量更大，但骨架导热网络变薄、传热路径增长，强化效果减弱。孔隙密度方面，较高的数值对应更细小的孔道和更大的比表面积，有利于局部传热增强，但同时也增大了液态相变材料的流动阻力，削弱了自然对流的贡献；较低的数值则允许更充分的对流发展，因此孔隙率与孔隙密度之间存在复杂的耦合关系，需根据具体应用场景的功率需求、响应时间要求和储热容量约束进行多参数协同优化。在制备工艺方面，真空浸渍法是目前最常用的复合方法，通过将泡沫骨架置于真空环境中排除孔隙内气体，再使熔融相变材料充分渗入孔隙，确保高填充率与良好的固-液界面接触。尽管该技术已在太阳能光热储能、电子器件与锂电池组热管理、工业余热回收及建筑节能调温等领域展现出广阔的应用前景，但在实际推广中仍面临若干关键挑战，包括金属骨架与相变材料之间的界面热阻问题尚未根本解决、高孔隙率骨架机械强度有限可能导致长期循环中结构退化、大规模制备成本仍然偏高以及长周期循环可靠性数据不够充分等。未来研究需在低成本高强度新型骨架开发、多尺度传热预测模型建立、界面功能化改性技术探索以及增材制造精准定制等方面持续深入，以推动金属泡沫强化相变材料技术从实验室研究走向规模化工程应用^[5]。

4 . 翅片强化

翅片强化传热是提升相变储热单元性能的另一类重要被动强化策略，其核心思路是在储热容器内部设置由高导热金属制成的扩展表面结构，通过显著增大固-液换热面积并缩短热量从热源向相变材料深处的传递路径，有效克服纯相变材料导热系数低、熔化凝固过程缓慢的固有缺陷。常见的翅片构型包括直翅片、针翅片、环形翅片以及近年来备受关注的树状（分形）翅片等，不同构型在传热强化机理与适用场景上各有侧重：直翅片结构简单、加工方便，适用于规则几何形状的储热单元；针翅片和环形翅片可在有限空间内提供更大的比表面积，尤其适合管壳式或圆柱形储热装置；而树状翅片则模仿自然界中血管或叶脉的分形分支结构，使翅片末端能够深入相变材料内部远离热源的区域，实现热量在空间上的均匀分配，避免传统等截面翅片中常见的近端过热、远端传热滞后的不均匀熔化问题。研究表明，经过几何参数与布局优化的树状翅片可使相变材料的完全熔化时间和凝固时间均获得大幅度缩短，强化效果显著优于同等金属用量下的传统直翅片或环形翅片，其优势在于分形结构能够在不显著增加流动阻力和金属占空比的前提下，最大化地扩展有效传热面积并优化温度场分布^{[6, 7]}。

图3 翅片类型^[8]

翅片强化效果的优劣不仅取决于翅片构型本身，还与翅片的几何参数（如长度、厚度、间距、分支级数等）、布置方式（径向、轴向或组合布置）、材料导热系数以及相变材料的热物性密切相关。过密的翅片间距虽可增大换热面积，但会抑制液态相变材料中自然对流的发展，反而可能削弱整体传热速率；过长的翅片则可能导致远端温差过大、金属利用率下降。因此，在实际设计中需综合考虑传热强化与储热容量之间的权衡，通过数值模拟与实验验证相结合的方法对翅片参数进行多目标优化。此外，翅片还可与其他强化手段协同使用，例如将翅片与金属泡沫骨架复合、在翅片表面制备微结构或功能化涂层以改善界面润湿性、或将翅片结构与纳米增强相变材料结合，形成多机制耦合的复合强化体系，进一步提升储热单元的功率密度与热响应速度。尽管翅片强化技术已相对成熟并在太阳能储热、工业余热回收及电子热管理等领域得到广泛应用，但在复杂工况下的长期循环稳定性、翅片与相变材料界面热阻的动态演化规律以及面向工程化的低成本制造工艺等方面仍有待深入研究，未来发展方向包括基于拓扑优化与仿生设计的新型翅片构型开发、考虑相变界面移动与非稳态传热的精细化建模方法，以及结合增材制造技术实现翅片结构的精准定制与一体化成型，以满足不同应用场景对高效、紧凑、可靠储热系统的差异化需求。

5. 总结

相变储能是缓解能源供需错配的关键技术，强化传热是提升其性能的核心途径。高导热纳米颗粒、多孔金属骨架与翅片扩展表面分别从微观导热网络构建、宏观连续导热通路形成及换热面积扩展三个层面有效克服相变材料导热瓶颈，且可协同耦合实现多机制增强。未来研究应聚焦界面热阻调控、结构拓扑优化、低成本制造工艺及长期循环可靠性，以推动高效紧凑相变储热系统的规模化工程应用。

参考文献

[1] 殷冒彬. 基于多孔介质复合相变材料的储热系统孔隙尺度传热特性研究 [D]; 中国矿业大学, 2022.

[2] 任繁, 辛立勇, 李期斌, et al. 基于纳米流体的电子器件微通道热沉扰流结构传热特性研究及其多目标优化 [J]. 工程热物理学报, 2026, 47(8): 2798-2808.

[3] 梁云山, 龙泽, 张梦馨, et al. 带肋通道中纳米气溶胶相变传热特性及强化机理研究 [J]. 工程热物理学报, 2026, 47(7): 2351-2360.

[4] 戴浩, 刘燚, 刘迎文. 相变悬浮液射流冲击变形状多孔层覆盖壁面的热分析 [J]. 化工学报, 2026, 77(5): 2485-2502.

[5] 陶梦晓, 蔡锦龙, 姜峰, et al. 多孔介质复合相变材料孔隙结构优化与传热强化研究 [J]. 储能科学与技术, 2026, 15(1): 38-48.

[6] 韩旭, 薄熙禄. 树杈翅片与泡沫金属复合储热单元性能优化研究 [J]. 热力发电, 2026, 55(6): 73-82.

[7] 钱春枝, 陈渝, 赵锡佳, et al. 金属翅片对相变材料熔化储热速率的强化机理研究 [J]. 储能科学与技术, 2026, 15(4): 1185-1195.

[8] 李梓瑞. 基于接触熔化机制的相变储热装置功率密度提升研究 [D]; 浙江大学, 2026.

（作者：霍宇涛，梁林，张彭政，中国矿业大学低碳能源与动力工程学院）