相變儲能在冷鏈物流中的應用與研究進展

張 愛 芳

（洛陽科技職業(yè)學院電子商務學院，河南 洛陽 471000）

隨著全球冷鏈物流的快速發(fā)展，各種新型能源儲存技術受到了廣泛關注。相變儲能作為一種熱儲能技術，在冷鏈物流中具有重要的應用前景。冷鏈物流是指將易腐、易變質的商品或物品在一定溫度范圍內進行運輸和儲存的過程，涉及食品、藥品、生物制品等高度敏感的貨物。保持適當?shù)臏囟仁谴_保這些貨物保持良好品質的關鍵。而相變儲能技術的優(yōu)勢使其成為解決冷鏈物流中能源儲存問題的一項有前景的技術。

1 相變儲能在冷鏈物流中應用的研究現(xiàn)狀

相變儲能在冷鏈物流中的應用屬于新興的研究領域，目前仍處于探索和發(fā)展階段。現(xiàn)有研究主要集中在相變儲能材料的選型和性能改進、相變儲能系統(tǒng)的設計和優(yōu)化、相變儲能技術在實際冷鏈物流中的應用效果評估、商業(yè)化應用等方面。首先為相變儲能材料的選型和性能改進。研究人員積極尋找適合冷鏈物流應用的相變儲能材料?，F(xiàn)有研究表明，主要適用材料包括有機相變材料、無機相變材料和復合相變材料等。①有機相變材料主要是相變蠟，具有較高的熱容量和較好的熱穩(wěn)定性，且相變溫度范圍廣，能夠滿足不同溫度要求。但其熱導率較低，限制了其在大規(guī)模儲能系統(tǒng)中的應用。②無機相變材料主要是蓄冷鹽，具有較高的熱導率和較好的熱穩(wěn)定性，能夠滿足高功率密度儲能的需求。但其相變溫度范圍較窄，難以滿足不同溫度要求。③復合相變材料主要是將有機相變材料和無機相變材料進行復合，從而克服各自的缺點，獲得更好的綜合性能。有研究證明，復合相變材料可以同時具備有機相變材料和無機相變材料的優(yōu)點，如寬溫度范圍、高熱導率等。除了材料本身的性能外，研究人員還在努力改進相變儲能材料與其他組件之間的熱傳導效率，提高整個系統(tǒng)的性能。

其次為相變儲能系統(tǒng)的設計和優(yōu)化。研究人員通過建立相變儲能系統(tǒng)的數(shù)學模型，可以對系統(tǒng)進行全面的設計和優(yōu)化。一是根據(jù)冷鏈物流中需要調節(jié)的溫度范圍和要求，確定相變儲能系統(tǒng)所需的相變儲能材料的數(shù)量和容量。這取決于貨物的質量和容積，以及所需的溫度調節(jié)范圍和穩(wěn)定性。通過考慮儲能材料的熱容量、相變溫度和儲能周期等因素，可以確定最佳的材料配置方案。二是在相變儲能系統(tǒng)中，熱傳導路徑和熱量交換效率對系統(tǒng)性能至關重要。研究人員通過優(yōu)化相變儲能材料的裝配方式，最大限度地提高熱量的傳導和交換效率。例如，通過設計優(yōu)化的導熱結構、增加熱交換面積、改進導熱介質等手段來實現(xiàn)。三是相變儲能系統(tǒng)在長期運行過程中需要保持穩(wěn)定的溫度調節(jié)性能，確保貨物的安全和質量。因此，需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，例如通過合理的溫控策略、優(yōu)化的系統(tǒng)維護和監(jiān)測手段等來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

其三為相變儲能技術在實際冷鏈物流中的應用效果評估。國內外學者通過實驗室試驗和田間實驗，對相變儲能系統(tǒng)在冷鏈物流場景中的性能進行評估，并與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)進行比較。具體包括：一是模擬實際冷鏈物流環(huán)境，將相變儲能系統(tǒng)應用于溫度調節(jié)中，并對其調節(jié)精度、穩(wěn)定性和響應速度等進行評估?？梢酝ㄟ^記錄相變材料的相變溫度、儲能和釋能過程中的溫度變化曲線，以及調節(jié)系統(tǒng)的能力和效果等來評估其溫度調節(jié)性能。二是對相變儲能系統(tǒng)的能源消耗進行測量，并與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)進行比較。通過對比兩種系統(tǒng)的能源消耗、能源利用效率以及制冷劑的使用情況等指標，評估相變儲能技術在能源利用方面的性能。三是對相變儲能系統(tǒng)在實際冷鏈物流場景中的應用效果進行評估。在此過程中，需考慮不同環(huán)境條件下的溫度調節(jié)需求、貨物類型和儲運方式等因素。通過在實際冷鏈運輸過程中實施田間實驗，并記錄相變儲能系統(tǒng)的性能參數(shù)，如溫度變化、能源消耗、系統(tǒng)穩(wěn)定性等，來對其應用效果進行評估。

最后為商業(yè)化應用。隨著研究的深入，部分企業(yè)開始在冷鏈物流領域試點應用相變儲能技術，并取得了一定的成果。這些企業(yè)通過合作建立示范項目，驗證相變儲能技術在實際商業(yè)運營中的可行性和效益。例如，在食品冷鏈物流中，利用相變儲能技術幫助保持食品在特定溫度范圍內的新鮮度和質量。合作企業(yè)會將相變儲能系統(tǒng)集成到冷鏈物流過程中，例如冷藏車輛、冷柜或冷庫等，以應對溫度調節(jié)的需求。同時，收集并分析數(shù)據(jù)，監(jiān)測相變儲能系統(tǒng)的性能和效果。盡管目前相變儲能在冷鏈物流中的應用還處于初步階段，但相關研究已經(jīng)取得了一些進展。隨著技術的不斷發(fā)展和完善，相變儲能技術在冷鏈物流中的應用有望實現(xiàn)更廣泛的應用。

2 相變儲能在冷鏈物流中應用的理念基礎

相變儲能技術利用物質相變時吸收或釋放大量熱量的特性。通過選擇適當?shù)南嘧儾牧?，可以將熱量儲存于物質內部，在需要時釋放出來。在冷鏈物流中，這種熱量儲存與釋放的特性可以用于調節(jié)溫度，保持貨物在所需的溫度范圍內。相變儲能技術相對于傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)具有較高的能量密度和熱效率。其可以在儲能過程中吸收和存儲熱量，而在釋放過程中通過控制相變材料的相變溫度和相變熱量來恢復儲存的熱量。相較于傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)，相變儲能技術可以減少能源消耗，提高能源利用效率，從而在冷鏈物流中實現(xiàn)節(jié)能效果。此外，該技術可以提供較為精確的溫度調節(jié)，因為相變材料具有明確的相變溫度。通過選擇不同的相變材料，可以調節(jié)儲能系統(tǒng)在不同溫度范圍內的釋能點，實現(xiàn)對冷鏈物流環(huán)境溫度的精確控制，有助于保持貨物的新鮮度和質量，并提高冷鏈物流過程的可靠性。通過相變儲能技術的應用，在冷鏈物流運輸中可利用物質自身的特性進行能量轉換，不需要使用傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中的化學制冷劑，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，有助于減少冷鏈物流運輸對環(huán)境的影響?；谝陨侠砟罨A，相變儲能技術在冷鏈物流中應用的目標是通過節(jié)能、精確調節(jié)溫度以及可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)勢，提高冷鏈物流的效率和可靠性，并降低對能源的依賴，為構建綠色、智能的冷鏈物流系統(tǒng)作出貢獻。

3 相變儲能在冷鏈物流中的應用

相變儲能在冷鏈物流中的應用主要集中在以下幾個方面：首先是在冷藏車輛和艙室的應用。在于冷柜和冷庫中，相變材料可以吸收和儲存多余的冷量，當環(huán)境溫度升高時釋放這些儲存的冷量，維持冷藏空間的穩(wěn)定溫度。相變儲能系統(tǒng)可以提供更加精確和可控的溫度調節(jié)，確保冷藏貨物的質量和安全。在應用過程中，可使冷藏車輛更具靈活性和可持續(xù)性。相變材料可以在冷藏車輛行駛時吸收多余的熱能，而在停車或電動驅動模式下釋放熱量進行制冷。這種靈活性可以適應不同運輸模式和需求，同時減少對傳統(tǒng)能源的依賴。其次是在溫度監(jiān)測與控制場景中的應用。通過與傳感器系統(tǒng)集成，相變儲能技術可以實現(xiàn)對冷藏車輛或艙室內的溫度進行實時監(jiān)測。溫度傳感器可以將車廂內的溫度數(shù)據(jù)實時傳輸給控制裝置，確保及時了解溫度波動和變化趨勢。在此過程中，根據(jù)溫度需求進行精確控制。當溫度超過設定范圍時，控制裝置會相應地調整相變材料的能量釋放量，使其釋放更多的熱量以降低溫度。反之，當溫度過低時，控制裝置會減少相變材料的能量釋放量，以提升溫度。此外，可應用該技術根據(jù)不同的貨物類型和運輸需求來調整溫度控制策略。對于敏感的生鮮食品，可以設置更加嚴格的溫度控制范圍，并確保儲能系統(tǒng)能夠快速響應溫度變化。相變儲能技術的靈活性使得溫度控制可以根據(jù)具體情況進行個性化調整，保證貨物的安全性和質量。最后在長途運輸和斷電后備中的應用。在長途冷鏈運輸中，相變儲能技術具備重要的后備熱源功能，特別是在遇到故障的情況下。通過儲存額外的熱量，相變儲能系統(tǒng)可以在需要時釋放這些熱量，保持貨物的溫度穩(wěn)定。當冷藏車輛遭遇斷電或能源供應故障時，傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)無法繼續(xù)工作，貨物的溫度可能會迅速上升，導致質量損失和風險增加。而相變儲能技術可以作為一種后備熱源，在這些情況下發(fā)揮重要作用。相變儲能系統(tǒng)可以事先儲存大量的熱量，并將其轉化為相變能。當斷電或能源供應中斷時，儲存的相變能可以被釋放出來，通過吸收熱量來降低冷藏車輛內部的溫度。