太阳能不稳定性及间歇性的缺点给太阳热能的利用带来了一定难度,相变蓄热技术具有储热密度大、蓄放热近似恒温的特点,可以很好的平衡太阳热能供给与需求间的不匹配。本课题将太阳能集热技术与相变蓄热技术结合,提出了一种太阳能集热梯级相变蓄热装置。该装置由太阳能集热层、高温相变蓄热层、可控导热层和低温相变蓄热层构成。在集热蓄热过程中,太阳能集热层吸收太阳辐射并将热量传导至高温相变蓄热层内部的高温相变材料,高温相变材料开始逐渐升温并发生相变,当高温相变材料达到相变温度后,可控导热层自动填充水,其传热系数增大,热量开始由高温相变蓄热层向低温相变蓄热层传热,低温相变材料逐渐升温并发生相变。在放热过程中,冷水分别进入高温相变蓄热层和低温相变蓄热层,经换热后分别得到高温水和低温水。本装置实现了太阳能集热与相变蓄热的一体化设计,并可根据太阳辐射强度自动调节相变材料的蓄热温度及蓄热量,同时也可实现太阳能的梯级蓄热及梯级用热。基于上述原理,本课题开展了相关理论研究及实验探究,主要研究结论如下:1.提出了一种太阳能集热梯级相变蓄热装置,并对其传热过程进行了分析。在蓄热过程中,太阳热能以辐射的方式经太阳能集热层传导至高温相变蓄热层,并完成一级蓄热,多余的热量以导热、对流的方式通过可控导热层,以导热、对流的方式传导至低温相变蓄热层,并完成二级蓄热。在换热过程中,石蜡存储的热能以导热、对流的方式传导至换热流体。2.蓄热实验表明,当相变蓄热材料为石蜡时,高温相变蓄热层和低温相变蓄热层的蓄热量占总蓄热量的比例分别为63%、33%,该结果实现了梯级蓄热的目的。而可控导热层的蓄热比仅为4%,且在注水前的温升不到5℃,从而证明了可控导热层具有良好的调节传热作用。在模拟太阳辐射工况下,高温相变蓄热层和低温相变蓄热层的中心温度可分别加热至52℃、36℃,其蓄热时间为350min。以北京地区典型气象年中5月21日为例,其太阳辐射强度保持400W/m2的时间为7h,前者时长小于后者,从而说明了该装置具有一定的实际应用前景。此外,将石蜡与水进行了对比实验,当加热功率密度为1637W/m2,低温相变蓄热层的中心温度达到35℃时,石蜡的总蓄热量可达到水的2倍。3.放热实验表明,同工况下,当蓄热材料分别为石蜡和水时,前者的总换热量是后者的1.15倍,前者的总换热比在65%～45%之间,远小于后者的86%。当相变蓄热材料为石蜡,且加热功率密度在1000W/m2以下时,本装置在放热过程中可保证换热流体温度高于30℃的时长为28～45min,其中模拟太阳辐射工况下该时长为45min。