王永喬 程靜 吳光平 王靜 趙炎 李婧瑜

摘 要：【目的】分析國內(nèi)相變儲能材料的研究趨勢、研究方向和研究內(nèi)容。【方法】利用CiteSpace軟件對1996—2022年CNKI收錄的400篇核心期刊論文進行分析研究?！窘Y(jié)果】文獻發(fā)表量呈現(xiàn)出階段性增加的趨勢，從2014年開始，相變儲能材料的研究出現(xiàn)了快速增長，說明相變儲能材料的研究已成為國內(nèi)研究熱點；研究文獻主要分為8個聚類單元，分別為0#相變材料、1#石蠟、2#相變、3#相分離、4#脂肪酸、5#應(yīng)用、6#相變儲能、7#儲熱?！窘Y(jié)論】直觀地展示了相變儲能材料的研究現(xiàn)狀、研究熱點，并對研究內(nèi)容進行了梳理和總結(jié)，可為相變儲能材料的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：CiteSpace；可視化；知識圖譜；相變材料；儲能材料

中圖分類號：TB34? ? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1003-5168（2024）05-0082-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.017

Visual Analysis of Research Hotspots of Phase Change Energy Storage Materials Based on CiteSpace

WANG Yongqiao CHENG Jing WU Guangping WANG Jing ZHAO Yan LI Jingyu

（School of Construciion Engineering， Yunnan Agricultural University， Kunming 650000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to analyze the research trends， research directions， and content of phase change energy storage materials in China. [Methods] Using CiteSpace software， 400 core journal articles published in CNKI from 1996 to 2022 were analyzed and studied. [Findings] The research shows that the publication volume shows a trend of gradual increase. Since 2014， the research on phase change energy storage materials has experienced rapid growth， indicating that the research on phase change energy storage materials has become a hot topic in China.The research literature is mainly divided into 8 clusters， namely 0# phase change material， 1# paraffin， 2# phase change， 3# phase separation， 4# fatty acid， 5# application， 6# phase change energy storage， and 7# heat storage. [Conclusions] This paper visually presents the research status and hotspots of phase change energy storage materials， and summarizes the research content， providing a reference direction for the relevant scientific research of phase change energy storage materials

Keywords：CiteSpace; visualization; knowledge atlas; phase change material; energy storage material

0 引言

相變儲能材料是緩解能量供需求雙方在時間、地點和強度上不匹配的有效方式，是合理使用能源及減少碳排放的有效途徑，是熱能系統(tǒng)優(yōu)化運行的重要技術(shù)手段。本研究使用CiteSpace軟件對相變儲能材料相關(guān)期刊文獻的關(guān)鍵詞進行可視化分析，總結(jié)其研究方向、研究進展及研究結(jié)果，提出對相變儲能材料未來研究方向的思考和展望，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 研究對象

本研究以中國知網(wǎng)（CNKI）作為數(shù)據(jù)來源，在檢索過程中，以“相變儲能材料”作為主題詞，自行篩選北大核心、EI（中文）、CSCD期刊，限定發(fā)表年限為1996—2022年（中國知網(wǎng)記錄），篩選出符合以上條件的文獻400篇，以此作為分析相變儲能材料研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 相變儲能材料領(lǐng)域的熱點分析

2.1 高頻率關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

利用CiteSpace軟件對相變儲能材料研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞進行分析，得到該領(lǐng)域的關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜如圖1所示。共有331個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，996條連接線，網(wǎng)絡(luò)密度為0.018 2。由圖1可知，相變儲能材料研究領(lǐng)域聚合度不高，涉及的具體研究方向很多，目前熱點研究有石蠟、聚乙二醇、相分離、復(fù)合材料、膨脹石墨、建筑節(jié)能等。

2.2 高頻率關(guān)鍵詞聚類分析

利用CiteSpace軟件對關(guān)鍵詞進行聚類分析，明晰相變儲能材料領(lǐng)域的研究主題，生成關(guān)鍵詞聚類圖譜如圖2所示。此圖譜的聚類模塊值（Q值）為0.478 7>0.3，聚類平均輪廓值（S值）為0.804 4>0.5，說明網(wǎng)絡(luò)聚類有效。由圖2可知，研究文獻主要分為8個聚類單元：分別為0#相變材料、1#石蠟、2#相變、3#相分離、4#脂肪酸、5#應(yīng)用、6#相變儲能、7#儲熱。本研究將對這8個聚類單元進行分析。

①聚類0#相變材料。相變儲能材料的基礎(chǔ)就是相變材料。根據(jù)相變材料的化學(xué)組成成分，可以分為無機、有機和復(fù)合相變材料。不同的相變材料的熱物理性能差異較大，優(yōu)缺點明顯。目前總體趨勢是對復(fù)合相變材料進行研究。復(fù)合材料通過不同配比，以達到對相變材料性能的改良。

②聚類1#石蠟。石蠟作為一種相變潛熱較大且無過冷的相變材料，在較大溫度范圍內(nèi)適合作為儲能材料［1］。石蠟的主要優(yōu)點是無腐蝕、安全性好及價格低廉，但其相變過程屬于固－液相變，存在液態(tài)石蠟滲漏的問題［2］。因此針對石蠟滲漏問題及性能改良的研究較多。

③聚類2#相變。相變材料的相變過程會受到多種因素的影響，如材料本身的相變潛熱、相變溫度范圍、比熱容，以及相變材料與外界的換熱效率等［3-5］。這些因素對相變材料的應(yīng)用具有重要影響，因此關(guān)于這方面的研究較多。

④聚類3#相分離。相分離是指無機相變材料經(jīng)過多次反復(fù)的相變過程后出現(xiàn)的無機鹽和水分離的現(xiàn)象，會出現(xiàn)有部分無機鹽不溶于結(jié)晶水而沉落在底部，形成分層現(xiàn)象。相分離會導(dǎo)致相變材料熱性能大大降低，使用周期明顯縮短，因此針對相分離的研究具有重要意義［6-7］。

⑤聚類4#脂肪酸。有機相變材料中的中長鏈脂肪酸及其混合物因其熱物性良好、穩(wěn)定性好且價格低廉，但低溫脂肪酸相變材料在使用過程中容易形成流動性，會限制其在實際中的應(yīng)用［8-9］，因此針對此問題的研究較多。

⑥聚類5#應(yīng)用。相變儲能材料的研究不僅局限在實驗室，對在實際應(yīng)用中的研究也很多。將相變儲能材料應(yīng)用于實際工程，會對生產(chǎn)生活產(chǎn)生很大的影響［10-11］。

⑦聚類6#相變儲能。面對全球能源危機，儲能技術(shù)是實現(xiàn)清潔能源利用、進行建筑節(jié)能和提高能源利用效率的有效方法。潛熱相變儲能方式的儲能密度高，在釋放過程中溫度恒定可控，因此受到重視。相變儲能材料可滿足不同應(yīng)用場景的各種溫度需求，如太陽能光熱發(fā)電、太陽能蓄熱、設(shè)施農(nóng)業(yè)、冷藏與冷鏈運輸?shù)取?/p>

⑧聚類7#儲熱。相變儲能材料的應(yīng)用涉及面很廣，可以用于儲存熱量，也可以用于儲存冷量。相變儲熱主要應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域、工業(yè)余熱的貯熱系統(tǒng)等［12］；相變儲冷主要應(yīng)用于暖通空調(diào)中的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)、冷藏與冷鏈運輸?shù)龋?3-14］。

2.3 時間線圖譜分析

結(jié)合研究背景，將相變儲能材料的研究歷程分為三個階段。從時間線知識圖譜（如圖3所示）可以看出，初期探索階段（1996—2005年），國內(nèi)學(xué)者開始逐漸認識到相變儲能材料，主要集中在“儲能材料”“熱性能”“相變”等的初期研究中；中速發(fā)展階段（2006—2013年），對相變儲能材料的研究越來越多，關(guān)鍵詞主要集中在“儲能技術(shù)”“建筑節(jié)能”“導(dǎo)熱系數(shù)”“石蠟”“熱導(dǎo)率”“膨脹石墨”“脂肪酸”“數(shù)值模擬”等；高速發(fā)展階段（2014—2022年），研究越來越精細化，出現(xiàn)了“液相率”“過冷”“耐久性”“滲漏”“水合鹽”“多孔介質(zhì)”“功能化”“泡沫銅”“定型封裝”等諸多方面的研究。

3 研究結(jié)論與展望

3.1 研究結(jié)論

3.1.1 文獻發(fā)表量呈現(xiàn)出階段性增加的趨勢。從2014年開始，相變儲能材料的研究出現(xiàn)了快速增長，說明相變儲能材料的研究已成為國內(nèi)研究熱點。在研究機構(gòu)分布方面，中東部地區(qū)較多，西部及西南部相對較少，青海大學(xué)新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心較為突出，說明青海地區(qū)對此方面的研究較為注重。

3.1.2 通過關(guān)鍵詞知識圖譜分析，發(fā)現(xiàn)有“復(fù)合材料”“熱性能”“膨脹石墨”“脂肪酸”“導(dǎo)熱系數(shù)”“建筑節(jié)能”“微膠囊”“數(shù)值模擬”等關(guān)鍵詞。通過聚類發(fā)現(xiàn)，研究文獻主要分為8個聚類單元：分別為0#相變材料、1#石蠟、2#相變、3#相分離、4#脂肪酸、5#應(yīng)用、6#相變儲能、7#儲熱。

3.1.3 針對相變儲能材料的研究方向呈現(xiàn)出精細化的趨勢。這主要是由于此方面的研究有科學(xué)技術(shù)的支持，能夠向精細化方向發(fā)展。

3.2 未來展望

在“雙碳”目標背景下，相變儲能材料作為一種綠色低碳和可循環(huán)使用的新型材料，能夠解決能源供需矛盾，為實現(xiàn)“雙碳”目標提供強有力的支撐。

3.2.1 復(fù)合相變材料的研究是未來主題。為克服單一相變材料的不足，提高相變材料的綜合性能，研究者們開始制備復(fù)合相變材料。復(fù)合相變材料通常是將兩種或多種不同相變材料組合在一起或者與其他材料進行復(fù)合制備而成的。這種材料不僅具有較高的儲能密度和穩(wěn)定性，而且具有良好的導(dǎo)熱性能和機械強度。例如，可以將相變材料與金屬粉末或纖維復(fù)合，提高材料的導(dǎo)熱性能和承載能力；也可以將相變材料與聚合物復(fù)合，提高材料的熱穩(wěn)定性和安全性。

3.2.2? 智能化與可持續(xù)性的研究是未來方向。隨著人們對能源和環(huán)保問題的關(guān)注度不斷提高，智能化和可持續(xù)性成為相變儲能材料發(fā)展的重要方向。智能化相變儲能材料可以通過添加傳感器、控制器等智能元件實現(xiàn)自我監(jiān)測、調(diào)控等功能，提高材料的使用效果和安全性。可持續(xù)性相變儲能材料則是指在整個生命周期內(nèi)具有較低的環(huán)境影響，可以回收再利用或者降解處理的材料。例如，可以利用生物質(zhì)資源制備相變儲能材料，實現(xiàn)材料的可生物降解和可再生利用。

3.2.3 應(yīng)用領(lǐng)域的拓展是未來的必然。相變材料在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如太陽能蓄熱、設(shè)施農(nóng)業(yè)、工業(yè)余熱的貯熱系統(tǒng)、暖通空調(diào)中的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)等。在太陽能蓄熱中，相變儲能材料可以將白天的太陽能熱量儲存，用于晚上或者跨季節(jié)的使用，很好地實現(xiàn)可再生能源的利用；在設(shè)施農(nóng)業(yè)中使用相變儲能材料，可以有效調(diào)節(jié)溫室的溫度，保障農(nóng)作物良好的生長環(huán)境，提高經(jīng)濟效益；在工業(yè)余熱的貯熱系統(tǒng)中，相變儲熱材料可以將工業(yè)余熱有效地利用起來，實現(xiàn)能源的梯級利用，達到節(jié)能減排的目的；在暖通空調(diào)的蓄冷系統(tǒng)中，相變儲能材料能夠有效降低空調(diào)系統(tǒng)的運行費用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相變儲能材料的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓展和優(yōu)化。

本研究直觀地展示了相變儲能材料的研究現(xiàn)狀、研究熱點，并對研究內(nèi)容進行了梳理和總結(jié)，可為相變儲能材料的相關(guān)研究提供參考。

參考文獻：

［1］王小鵬，張毅，沈振球，等.熔融插層法制備蒙脫石基石蠟復(fù)合相變儲能材料［J］.硅酸鹽學(xué)報，2011，39（4）：624-629.

［2］王言倫，范宇，張剛，等.石蠟、SEBS和聚苯乙烯共混的復(fù)合定形相變材料的制備和熱分析［J］.塑料工業(yè)，2009，37（9）：26-29.

［3］陳璞，蔣達華，徐玉珍，等.硅藻土基復(fù)合相變材料的熱濕性能研究進展［J］.應(yīng)用化工，2022，51（12）：3721-3725.

［4］賀倩，費華，潘昱丞，等.無機多孔基復(fù)合相變材料的熱濕性能研究進展［J］.化工新型材料，2021，49（3）：34-38.

［5］丁興江，章學(xué)來，朱嘉豪，等.三水合乙酸鈉復(fù)合相變材料過冷特性實驗統(tǒng)計分析［J］.化工進展，2022，41（11）：5946-5960.

［6］孟凡康，姜治鑫.外掛型相變儲能裝置在日光溫室中的蓄放熱試驗［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38（20）：180-190.

［7］汪雨杭，朱鵬鯤，薛俊杰.沸水在不同改性Na2S2O3·5H2O復(fù)合材料作用下的降溫特性研究［J］.化工新型材料，2022，50（S1）：317-321，326.

［8］李潔，張佳，付明琴，等.介孔SiO2負載有機基二元定型復(fù)合相變儲能材料的性能研究［J］.材料導(dǎo)報，2021，35（S2）：483-487.

［9］周東一，肖湘華，肖飚，等.脂肪類復(fù)合相變儲能材料中脂肪酸最佳質(zhì)量含量的確定方法［J］.化工學(xué)報，2021，72（S1）：560-566.

［10］吳麗梅，王曄，羅茗遙，等.二維蒙脫石納米片對石蠟的包覆封裝及其儲熱調(diào)溫性能［J］.硅酸鹽學(xué)報，2022，50（11）：2941-2950.

［11］李秀麗，鐵生年，張芬娟.改性芒硝基相變儲能材料對青藏高原日光溫室環(huán)境熱改善［J］.硅酸鹽通報，2018，37（11）：3646-3651.

［12］汪林強.定型相變復(fù)合材料的制備及其光熱儲能性能的研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2022.

［13］李秀麗，鐵生年，張芬娟.紙漿纖維對不同相變溫度芒硝基相變材料相分層及熱性能影響［J］.硅酸鹽通報，2019，38（10）：3243-3247，3265.

［14］劉啟元，董金美，常成功，等.基于Python對脂肪酸/醇二元相變材料的理論計算［J］.材料導(dǎo)報，2022，36（S2）：449-453.