资源紧缺和环境污染的现状对能源利用提出了更高的要求,开发和利用可再生能源是实现可持续发展的重要途径之一。在可再生能源利用领域,太阳能光热利用技术应用相对广泛。但由于天气、昼夜以及季节等因素的制约,太阳辐射具有非连续、不稳定的特点,影响了太阳能的有效利用率。蓄热水箱作为太阳能光热利用中的储热设备,可调节负荷波动及存储热水,有效改善气象参数对太阳能光热利用的影响。普通蓄热水箱以水作为储热介质,热量以显热方式蓄存,存在储热密度低和水箱体积大等不足。针对该问题,提出将相变材料与蓄热水箱结合,利用相变材料蓄热密度高、相变过程温度近似恒定的特点,在提升水箱蓄能密度、减小水箱体积的同时,有效降低太阳辐射不稳定性的影响,提高光热有效利用率。首先通过对比分析各类相变材料的性质及不同相变蓄热水箱的结构特点,结合家用生活热水使用规范确定相变水箱为以石蜡作为蓄热材料,相变层置于水箱箱体外侧的结构形式。分别应用Revit和COMSOL Multiphysics软件建立了相变蓄热水箱的物理模型与数值模型,在以实验数据验证了水箱数值计算模型的准确性后,对相变蓄热水箱的蓄放热过程进行了模拟分析,并根据模拟结果提出了水箱结构的优化方式。模拟结果表明,增设相变层的水箱蓄热过程明显延长,放热过程则随着相变层厚度的增加呈现先延长后缩短的变化趋势。在蓄热过程中,随着相变材料厚度的增加,相变材料的平均温度降低,相变层顶部与底部的液相比差值增大,底部液化趋势显著降低;放热过程中不同厚度相变材料的固相比变化趋势相同,在放热初期减小随后增大。与其他模拟工况相比,相变层厚度为30 mm时,放热过程中水温降低速率最小,放热过程比普通水箱延长5 h左右。另外,在相变层内部设置环形金属隔板可改善相变蓄热水箱的运行特性。蓄热过程中,环形金属隔板数量的增加和厚度的提升有利于固态相变材料熔化,潜热利用率得到提升,但也会使蓄热过程延长、制造成本提升、装置自重增加。放热过程中,增设环形金属隔板可使相变材料达到更低的液相比。但隔板的厚度并非越厚越好,厚度为5 mm的环形金属隔板对促进相变材料液化、维持水温的作用强于厚度为2 mm与10 mm的隔板。最后采用火积耗散对结构优化前后水箱的放热性能进行了分析。放热过程中,优化后的相变蓄热水箱处于潜热释热过程的时间较长,水和相变材料的换热温差几乎保持恒定,因此优化后的相变蓄热水箱火积耗散率绝对值较小,相变潜热维持水温的效果更加明显。火积耗散的分析从蓄能质量的角度验证了环形金属隔板对提升相变水箱放热性能的有效性。