基于CiteSpace的相变储能材料研究热点可视化分析

2024-05-10王永乔程静吴光平王静赵炎李婧瑜

河南科技 2024年5期

王永乔程静吴光平王静赵炎李婧瑜

摘要：【目的】分析国内相变储能材料的研究趋势、研究方向和研究内容。【方法】利用CiteSpace软件对1996—2022年CNKI收录的400篇核心期刊论文进行分析研究。【结果】文献发表量呈现出阶段性增加的趋势，从2014年开始，相变储能材料的研究出现了快速增长，说明相变储能材料的研究已成为国内研究热点；研究文献主要分为8个聚类单元，分别为0#相变材料、1#石蜡、2#相变、3#相分离、4#脂肪酸、5#应用、6#相变储能、7#储热。【结论】直观地展示了相变储能材料的研究现状、研究热点，并对研究内容进行了梳理和总结，可为相变储能材料的相关研究提供参考。

关键词：CiteSpace；可视化；知识图谱；相变材料；储能材料

中图分类号：TB34 文献标志码：A 文章编号：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

相變储能材料是缓解能量供需求双方在时间、地点和强度上不匹配的有效方式，是合理使用能源及减少碳排放的有效途径，是热能系统优化运行的重要技术手段。本研究使用CiteSpace软件对相变储能材料相关期刊文献的关键词进行可视化分析，总结其研究方向、研究进展及研究结果，提出对相变储能材料未来研究方向的思考和展望，以期为相关研究提供参考。

1 研究对象

本研究以中国知网（CNKI）作为数据来源，在检索过程中，以“相变储能材料”作为主题词，自行筛选北大核心、EI（中文）、CSCD期刊，限定发表年限为1996—2022年（中国知网记录），筛选出符合以上条件的文献400篇，以此作为分析相变储能材料研究的基础数据。

2 相变储能材料领域的热点分析

2.1 高频率关键词共现分析

利用CiteSpace软件对相变储能材料研究领域的关键词进行分析，得到该领域的关键词共现知识图谱如图1所示。共有331个网络节点，996条连接线，网络密度为0.018 2。由图1可知，相变储能材料研究领域聚合度不高，涉及的具体研究方向很多，目前热点研究有石蜡、聚乙二醇、相分离、复合材料、膨胀石墨、建筑节能等。

2.2 高频率关键词聚类分析

利用CiteSpace软件对关键词进行聚类分析，明晰相变储能材料领域的研究主题，生成关键词聚类图谱如图2所示。此图谱的聚类模块值（Q值）为0.478 7>0.3，聚类平均轮廓值（S值）为0.804 4>0.5，说明网络聚类有效。由图2可知，研究文献主要分为8个聚类单元：分别为0#相变材料、1#石蜡、2#相变、3#相分离、4#脂肪酸、5#应用、6#相变储能、7#储热。本研究将对这8个聚类单元进行分析。

①聚类0#相变材料。相变储能材料的基础就是相变材料。根据相变材料的化学组成成分，可以分为无机、有机和复合相变材料。不同的相变材料的热物理性能差异较大，优缺点明显。目前总体趋势是对复合相变材料进行研究。复合材料通过不同配比，以达到对相变材料性能的改良。

②聚类1#石蜡。石蜡作为一种相变潜热较大且无过冷的相变材料，在较大温度范围内适合作为储能材料［1］。石蜡的主要优点是无腐蚀、安全性好及价格低廉，但其相变过程属于固－液相变，存在液态石蜡渗漏的问题［2］。因此针对石蜡渗漏问题及性能改良的研究较多。

③聚类2#相变。相变材料的相变过程会受到多种因素的影响，如材料本身的相变潜热、相变温度范围、比热容，以及相变材料与外界的换热效率等［3-5］。这些因素对相变材料的应用具有重要影响，因此关于这方面的研究较多。

④聚类3#相分离。相分离是指无机相变材料经过多次反复的相变过程后出现的无机盐和水分离的现象，会出现有部分无机盐不溶于结晶水而沉落在底部，形成分层现象。相分离会导致相变材料热性能大大降低，使用周期明显缩短，因此针对相分离的研究具有重要意义［6-7］。

⑤聚类4#脂肪酸。有机相变材料中的中长链脂肪酸及其混合物因其热物性良好、稳定性好且价格低廉，但低温脂肪酸相变材料在使用过程中容易形成流动性，会限制其在实际中的应用［8-9］，因此针对此问题的研究较多。

⑥聚类5#应用。相变储能材料的研究不仅局限在实验室，对在实际应用中的研究也很多。将相变储能材料应用于实际工程，会对生产生活产生很大的影响［10-11］。

⑦聚类6#相变储能。面对全球能源危机，储能技术是实现清洁能源利用、进行建筑节能和提高能源利用效率的有效方法。潜热相变储能方式的储能密度高，在释放过程中温度恒定可控，因此受到重视。相变储能材料可满足不同应用场景的各种温度需求，如太阳能光热发电、太阳能蓄热、设施农业、冷藏与冷链运输等。

⑧聚类7#储热。相变储能材料的应用涉及面很广，可以用于储存热量，也可以用于储存冷量。相变储热主要应用于太阳能领域、工业余热的贮热系统等［12］；相变储冷主要应用于暖通空调中的蓄冷空调系统、冷藏与冷链运输等［13-14］。

2.3 时间线图谱分析

结合研究背景，将相变储能材料的研究历程分为三个阶段。从时间线知识图谱（如图3所示）可以看出，初期探索阶段（1996—2005年），国内学者开始逐渐认识到相变储能材料，主要集中在“储能材料”“热性能”“相变”等的初期研究中；中速发展阶段（2006—2013年），对相变储能材料的研究越来越多，关键词主要集中在“储能技术”“建筑节能”“导热系数”“石蜡”“热导率”“膨胀石墨”“脂肪酸”“数值模拟”等；高速发展阶段（2014—2022年），研究越来越精细化，出现了“液相率”“过冷”“耐久性”“渗漏”“水合盐”“多孔介质”“功能化”“泡沫铜”“定型封装”等诸多方面的研究。

3 研究结论与展望

3.1 研究结论

3.1.1 文献发表量呈现出阶段性增加的趋势。从2014年开始，相变储能材料的研究出现了快速增长，说明相变储能材料的研究已成为国内研究热点。在研究机构分布方面，中东部地区较多，西部及西南部相对较少，青海大学新能源光伏产业研究中心较为突出，说明青海地区对此方面的研究较为注重。

3.1.2 通过关键词知识图谱分析，发现有“复合材料”“热性能”“膨胀石墨”“脂肪酸”“导热系数”“建筑节能”“微胶囊”“数值模拟”等关键词。通过聚类发现，研究文献主要分为8个聚类单元：分别为0#相变材料、1#石蜡、2#相变、3#相分离、4#脂肪酸、5#应用、6#相变储能、7#储热。

3.1.3 针对相变储能材料的研究方向呈现出精细化的趋势。这主要是由于此方面的研究有科學技术的支持，能够向精细化方向发展。

3.2 未来展望

在“双碳”目标背景下，相变储能材料作为一种绿色低碳和可循环使用的新型材料，能够解决能源供需矛盾，为实现“双碳”目标提供强有力的支撑。

3.2.1 复合相变材料的研究是未来主题。为克服单一相变材料的不足，提高相变材料的综合性能，研究者们开始制备复合相变材料。复合相变材料通常是将两种或多种不同相变材料组合在一起或者与其他材料进行复合制备而成的。这种材料不仅具有较高的储能密度和稳定性，而且具有良好的导热性能和机械强度。例如，可以将相变材料与金属粉末或纤维复合，提高材料的导热性能和承载能力；也可以将相变材料与聚合物复合，提高材料的热稳定性和安全性。

3.2.2 智能化与可持续性的研究是未来方向。随着人们对能源和环保问题的关注度不断提高，智能化和可持续性成为相变储能材料发展的重要方向。智能化相变储能材料可以通过添加传感器、控制器等智能元件实现自我监测、调控等功能，提高材料的使用效果和安全性。可持续性相变储能材料则是指在整个生命周期内具有较低的环境影响，可以回收再利用或者降解处理的材料。例如，可以利用生物质资源制备相变储能材料，实现材料的可生物降解和可再生利用。

3.2.3 应用领域的拓展是未来的必然。相变材料在许多领域都有广泛的应用，如太阳能蓄热、设施农业、工业余热的贮热系统、暖通空调中的蓄冷空调系统等。在太阳能蓄热中，相变储能材料可以将白天的太阳能热量储存，用于晚上或者跨季节的使用，很好地实现可再生能源的利用；在设施农业中使用相变储能材料，可以有效调节温室的温度，保障农作物良好的生长环境，提高经济效益；在工业余热的贮热系统中，相变储热材料可以将工业余热有效地利用起来，实现能源的梯级利用，达到节能减排的目的；在暖通空调的蓄冷系统中，相变储能材料能够有效降低空调系统的运行费用。随着技术的不断发展，相变储能材料的应用领域也将不断拓展和优化。

本研究直观地展示了相变储能材料的研究现状、研究热点，并对研究内容进行了梳理和总结，可为相变储能材料的相關研究提供参考。

参考文献：

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