目前,国内外为应对化石能源危机和环境污染问题,对开发利用可再生能源的技术进行了深入研究。太阳能作为可再生能源之一,具有资源丰富、分布广泛、清洁无污染、取之不尽用之不竭等优点,是最具潜力的一种新型能源。作为利用太阳能技术之一的光伏发电技术具有广阔的应用前景,然而光伏电池温度过高会导致其发电效率下降,为了应对这一问题并对其进行热管理和热调节,同时提高太阳能的综合利用效率,引入相变蓄热技术,同时也解决了热能供给与需求之间的矛盾。然而,要实现高效蓄热离不开蓄热性能优良的相变材料和换热性能良好的蓄热装置。本文借鉴板式换热器的设计理念,充分考虑了相变材料的热物理特性,设计了一种新型相变蓄热换热器。相变蓄热单元由上、中、下三层组成,上、下两层为传热流体通道层由两板片间的垫片形成,中间层为相变材料层,可实现蓄热、放热、同时蓄放热三种需求。无论蓄热、放热还是同时蓄放热,该装置都可实现相变材料层上层为冷流体,下层为热流体,可通过相变材料固液密度的不同及液态相变材料密度随温度的变化实现相变材料的自然对流换热,提高相变材料的相变速率,同时相变材料层设置矩形肋片也会加速相变材料的熔化与凝固,进一步缩短蓄放热时间。在进行数值模拟研究前,为验证本文所用求解模型、计算方法、离散方式及数值模拟结果等的正确性,在相同条件下,数值模拟了参考文献中相变材料的蓄热过程,通过对相变材料液相率的模拟结果和实验结果的对比分析,验证了本文所用求解模型、计算方法及离散方式等的正确性。为了研究自然对流和肋片对相变材料相变速率的影响,本文以相变蓄热单元为研究对象,建立物理、数学模型,借助于Fluent软件分别对工况一(不考虑自然对流)、工况二(考虑自然对流)、工况三(考虑自然对流且相变材料层设置矩形肋片)的蓄热、放热、同时蓄放热过程进行数值模拟并对比分析。在此基础上,利用Fluent软件对运行参数(入口温度、入口流速)、几何参数(相变蓄热单元长度、相变层厚度、流道厚度)进行优化。结果表明:(1)无论蓄热、放热还是同时蓄放热过程,工况三相变材料的相变速率大于工况一、二,工况二相变材料的相变速率大于工况一;相变材料完成相变时间受自然对流的影响,自然对流加快了相变材料的相变速率;自然对流对蓄热过程的影响大于放热过程,同时蓄放热过程中自然对流的作用最强烈;肋片扩展了相变材料与传热流体的换热面积,同样加快了相变材料的相变速率;自然对流和肋片都可以弥补相变材料导热系数低的缺点。(2)入口温度和入口流速对相变材料完全熔化时间有较大影响,增大入口温度和入口流速都能缩短相变材料完全熔化时间,但随着入口温度的升高和入口流速的增加,入口温度和和入口流速对相变材料完全熔化时间的影响逐渐降低;对于本文模型,入口温度为348～358 K,流速为0.2～0.4 m/s为较优的选择。(3)相变单元长度越长,传热流体与相变材料换热时间越长,流体出口温度越低;随着相变层厚度的增加,相变材料完全熔化时间延长,相变单元总蓄热量越大,相变材料完全熔化时间随着相变层厚度的增加而增加且增加幅度越来越大;在一定范围内增加流道厚度可以缩短相变材料熔化时间,随着流道厚度的不断增大,相变材料完全熔化时间几乎保持不变。