综述：热能储存材料中的性能与稳定性权衡：系统综述与元分析

《Journal of Energy Storage》：Performance and stability trade-offs in thermal energy storage materials: A systematic review and meta-analysis

　　**Singgih Dwi Prasetyo**
应用电力与可再生能源转换系统研究小组，马朗国立职业学院，马朗，65145，印度尼西亚

**摘要**
太阳能热技术越来越依赖于先进材料来减少热损失并提高运行稳定性。本研究系统地评估了相变材料（PCMs）、纳米增强型相变材料（NePCMs）和纳米流体，重点关注热性能与长期稳定性之间的权衡。根据PRISMA 2020指南，在主要数据库中进行了系统回顾和元分析，筛选了320条记录并综合了30项符合条件的研究的数据。随机效应模型量化了热导率增强和潜热减少的汇总效应大小，并通过亚组分析、元回归和偏差诊断进行了补充。元分析显示，热导率增强了约55%，但存在显著异质性（I2 > 85%）。NePCM获得了最高的增益（约99%），但变异性较大，而纳米流体则提供了适度的增强（约32%），同时具有更好的稳定性。浓度-响应建模显示，在浓度超过3-5 wt%后，进一步增加浓度所带来的效益会降低，并加速材料的退化。权衡比率（平均6.05）表明，性能提升通常超过了储存方面的损失，尽管极端效应的研究往往伴随着较差的耐用性和更宽的置信区间。这些发现表明，最佳性能在于低至中等浓度范围内，该范围内能够平衡增强效果、循环保持能力和重复性。总体而言，这项综合研究强调了标准化测试、长期稳定性评估以及以应用为导向的配方策略的重要性，以支持可靠和可扩展的太阳能热能部署。

**引言**
全球向可持续能源系统的过渡日益将太阳能热技术视为当代可再生能源战略的基本支柱，这一趋势受到脱碳、能源安全和长期可持续性需求的推动 [1][2]。由于操作简便、模块化可扩展性以及在与传统化石基系统相比具有有利的生命周期经济性能，太阳能热系统已广泛应用于住宅、商业和工业领域 [3][4]。这些系统的有效性本质上取决于热传递效率以及在动态变化的环境条件下保持和管理热能的能力。在实际运行中，不可避免的热损失、温度梯度和不均匀的热分布继续限制着太阳能热技术的可实现效率。在高太阳辐照度、环境温度波动和间歇性运行条件下，这些技术挑战变得更加明显。因此，材料层面的创新已成为克服性能限制和提高太阳能热系统整体效率的核心途径 [5][6]。

近年来最具影响力的材料创新包括PCMs和纳米流体，这两种材料都受到了广泛的科学和工程关注。PCMs通过可逆相变实现高密度热能储存，使太阳能热系统能够在相对狭窄且稳定的温度范围内运行 [7][8]。这种近乎等温的行为特别有助于减少温度波动、改善热调节并提高运行可靠性。相比之下，纳米流体通过改变工作流体的热物理性质来专门增强热传递特性 [9][10]。大量实验证据表明，与传统的基准流体相比，纳米流体可以显著提高热导率和对流热传递系数。因此，PCMs和纳米流体越来越被视为下一代太阳能热技术的关键推动者，这些技术既要求效率也需要适应性。这两种材料方法的概念集成催生了NePCMs的发展，其目标是将潜热储存能力与增强的热传输性能相结合 [11][12]。通过将纳米颗粒嵌入PCMs中，NePCMs旨在克服大多数传统PCMs固有的低热导率问题 [13][14]。许多研究报告称，在热充放电过程中，这些材料的性能有显著提升，这些参数对于在瞬态条件下运行的太阳能热系统至关重要。然而，关于NePCMs在现实运行环境中的长期可靠性和耐用性仍存在疑问。这种不确定性凸显了同时系统评估性能提升和材料鲁棒性的必要性 [15][16]。

**应用中的关键挑战**
PCMs、纳米流体和NePCMs应用中的一个关键挑战是热性能提升与长期材料稳定性之间的固有权衡 [17][18]。太阳能热系统运行中的重复热循环可能会引发渐进的退化机制，从而影响材料完整性。在PCMs中，这种退化可能表现为潜热减少、相分离、相变行为改变和逐渐的化学不稳定 [19][20]。纳米流体也容易出现稳定性问题，包括纳米颗粒聚集、沉降以及在高温下热降解。尽管现有文献报道了不同的增强水平和退化趋势，但由于方法学的一致性和测试协议的差异，这些发现仍然零散。缺乏统一的分析框架限制了识别控制稳定性-性能平衡的普遍关系的能力，从而使得为实际太阳能热应用选择材料时缺乏基于证据的支持 [21][22]。

**当前科学理解中的知识空白**
尽管在该领域实验和数值研究迅速增长，但目前对用于太阳能驱动的热能储存材料（尤其是PCMs、NePCMs和纳米流体）的热能储存理解仍存在几个关键知识空白。首先，尽管许多研究独立报告了热循环后热导率的提高或潜热的减少，但只有少数研究明确量化了基于PCMs、NePCMs和纳米流体的储存系统中热能储存性能提升与储存稳定性退化之间的权衡。这种缺乏明确的量化限制了人们对在长期充放电操作中使用高性能热能储存材料的实际意义的理解。其次，控制PCMs、NePCMs和纳米流体配方中热储存增强和热容量退化的浓度依赖行为尚未得到充分描述，不同研究的结果往往呈现矛盾的趋势。特别是，关于保持稳定热能储存能力的最佳纳米颗粒装载水平仍存在争议，一些研究表明性能单调提升，而另一些研究则报告在特定浓度下出现过早退化。

**本研究的具体背景**
在本研究中，特别将纳米流体的应用纳入集成型热能储存（TES）- 高温流体（HTF）系统，因为纳米流体通过增强热传递、提高充放电速率和显热储存间接提升了储存效果。这种视角允许在统一的稳定性-性能权衡框架内评估纳米流体，特别是在它们的热物理行为影响整体储存效率和系统级能量保留的情况下。第三，关于基于PCMs的储存材料、NePCM复合材料和基于纳米流体的热能储存介质在协调测试条件下的系统和比较评估十分有限，这严重限制了为实际热能储存系统开发基于证据的材料选择策略。如表1所总结的，最近的元分析和综述研究主要集中在材料发展趋势、系统集成策略和性能提升路径上；然而，它们很少提供将热性能提升与长期稳定性退化联系起来的统一定量综合。这表明，尽管该领域在定性见解和技术多样性方面已经成熟，但解决稳定性-性能权衡的严格元分析框架仍然不完善。此外，这些先前工作中缺乏跨研究的统计整合，限制了推导通用设计阈值和可复制优化策略的能力。总体而言，这些空白突显了需要一个综合的、定量的框架来协调热能储存的性能提升与其长期耐用性。

**本研究的目的**
为了应对这些未解决的问题，本系统回顾和元分析旨在提供热能储存材料稳定性-性能权衡的全面定量综合，特别关注用于太阳能相关应用的基于PCMs、NePCMs和纳米流体的储存系统。第一个目标（1）是通过随机效应建模，在广泛的研究范围内量化PCMs、NePCM和纳米流体系统的热能储存性能指标（特别是热导率增强和潜热保持）的汇总效应大小，并明确考虑研究间的变异性。第二个目标（2）是通过将可测量的热能储存性能提升与重复热充放电循环期间观察到的储存稳定性损失相关联，建立以储存为导向的稳定性-性能权衡比率。在这个框架内，纳米流体相关的性能指标在系统级TES性能的背景下进行解释，特别是在混合配置中，热传递增强直接影响有效能量储存利用和热响应动态。第三个目标（3）是进行亚组分析，以识别基于PCMs、NePCM和纳米流体的储存材料的具体类型的热能储存行为。第四个目标（4）是建模浓度-响应关系，以确定平衡热能储存效率和稳定性的最佳纳米颗粒装载范围。第五个目标（5）是通过元回归和敏感性分析识别主要的异质性来源，而第六个目标（6）是通过多种统计诊断方法评估潜在的出版偏倚。最后，第七个目标（7）是提出基于证据的建议，以支持耐用和高效的热能储存材料的合理选择和配方优化。

**额外贡献**
为了增强本研究的新颖性，还对最近的元回顾和系统综述研究进行了重点综合，以识别先前基于证据的研究中对PCMs、NePCMs和纳米流体系统的未解决的分析局限性。与主要强调文献计量演变、定性性能描述或技术集成趋势的先前综述研究不同，本研究特别开发了一个定量元分析框架，通过汇总统计综合、亚组区分、浓度-响应建模和偏差调整解释直接评估稳定性-性能权衡关系。这种区别非常重要，因为现有的综述研究很少将热导率增强、潜热降解、循环稳定性和异质性量化整合在一个统一的比较框架内。此外，以前的基于综述的研究通常缺乏能够识别不同材料类别和操作条件下的可复制优化阈值的明确统计整合。因此，本研究通过提供系统的定量评估来弥补这一空白，将增强效果与长期稳定性行为联系起来，从而为太阳能热储存系统的材料选择和优化提供了更加应用导向的基础。

**研究方法和信息来源**
本系统回顾和定量元分析严格遵循《系统回顾和元分析的优先报告项目（PRISMA）2020》声明，以确保方法学的严谨性、透明度和可重复性 [30][31][32]。所有方法学决策，包括资格标准、筛选逻辑、数据提取程序和统计综合策略，在数据提取前均已预先定义并记录，以尽量减少主观性。

**时间趋势和研究重点分布**
图2所示的出版趋势表明，2020-2025年间，相变材料、纳米增强型PCMs和纳米流体在太阳能热系统中的研究格局逐渐发展 [46][47]。年度总体产出呈上升趋势，从2020年的五篇论文增加到2025年的九篇论文，反映了学术界对先进热材料的日益关注 [48][49]。尽管观察到年度波动，但……

**理论意义**
本综述的理论意义表明，它构成了一个高度整合的框架，结合了材料科学、热流体力学和可再生能源系统优化，为先进的PV/T–纳米流体–NePCM技术提供了坚实的基础。如表4所总结的，从丰富的本地矿产资源中合成氧化锆、二氧化硅和氧化铝纳米颗粒证实，这些材料本身具有结构、光学和热物理特性……

**结论**
对PCMs、NePCMs和纳米流体系统的定量证据的综合表明，增强程度、稳定性行为和操作环境之间的多维度相互作用决定了热能储存性能。结果表明，与仅仅依赖导电率提升相比，平衡热物理收益与循环条件下的耐用性和长期可靠性更为重要。

**作者贡献声明**
Singgih Dwi Prasetyo：可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化、写作–审稿与编辑、撰写–原始草稿。

**利益冲突声明**
作者声明没有利益冲突。

**致谢**
本文是马朗国立大学在2026财年KBK主题竞争研究计划下资助的研究成果，授予编号：14.04.453/UN32.14.1/LT/2026。