● 摘要
相变储能技术是利用相变材料的相变潜热在相变点温度附近进行能量的储存或释放。其中，固液相变材料具有相变过程等温或近似等温和潜热密度高等优点，广泛应用于太阳能储存，工业余热回收，建筑节能以及电子设备热分析等领域。结晶水合盐是一种重要的中、低温固液相变储能材料。这种材料的优点是熔解热高，熔化时体积变化小，与有机类相变材料相比，具有较高的导热系数。但结晶水合盐存在过冷现象严重、相分离和腐蚀性等缺点。为了消除或减缓其过冷度和抑制相分离，通常采用的方法是添加一定量的成核剂和增稠剂，该方法主要通过大量的材料进行测试寻找，需要花费大量的时间和精力。因此，抑制结晶水合盐的过冷度和改善其导热性能一直是相变储能技术研究中关注的焦点。
八水氢氧化钡是目前为止发现在低温相变温度区内单位体积相变焓最高的结晶水合盐，作为本次研究的相变储能材料。经过150次熔化/凝固热循环实验，采用差示扫描量热法，发现随着热循环次数的增加，八水氢氧化钡的相变点温度基本不变，相变潜热略有减少，八水氢氧化钡具有较好的热稳定性，并总结出一种针对结晶水合盐相变温度与潜热准确可靠的测量方法，但是该相变材料结晶时存在严重的过冷现象。采用步冷曲线法研究分析在冷水冷却封闭体系和室温冷却开放体系两种工况下石英、明胶、十二水磷酸氢二钠、硼砂和二水氯化钙5种成核剂对八水氢氧化钡相变材料的成核效果，实验表明，石英、明胶和十二水磷酸氢二钠随着添加量的增加，八水氢氧化钡的过冷度有增大的趋势。质量分数为3%或5%的硼砂和二水氯化钙在室温冷却开放体系工况下能够抑制八水氢氧化钡的过冷度，同时附加1%的明胶作为防相分层剂使用，八水氢氧化钡的过冷性能得到进一步改善，过冷度可降低至1℃以下，并且还可以有效地防止相分层。通过扫描电子显微镜和X射线能谱仪分析方法在50次热循环后发现八水氢氧化钡对铝合金有一定的腐蚀性，与紫铜具有优良的相容性，紫铜金属可以用来作为八水氢氧化钡相变材料的填充物和储存容器的金属材料。
泡沫铜具有导热能力强、密度小、比表面积大和孔隙均匀连通等优点被普遍认为有很好的应用前景，作为本次研究的导热增强介质。利用泡沫金属多孔结构的吸附性能在真空充氩的条件下制备了泡沫铜/八水氢氧化钡复合相变材料。搭建了含和未含泡沫铜相变储能装置实验台，对泡沫铜复合相变材料进行室温下稳态和瞬态的传热实验，填充泡沫铜不仅增强了相变材料的传热速率，而且有效地降低了八水氢氧化钡的过冷度。当泡沫金属使用较大孔密度后，结晶水合盐的过冷问题得到了比较明显改善。通过高温恒温箱的传热实验，获得泡沫铜复合相变材料的蓄热能力随外界环境温度的升高而降低，当环境温度大于相变材料相变点温度时，应考虑对复合相变材料采取一些保温措施。
本文还详细介绍了FLUENT计算软件求解固液相变问题的焓-多孔理论，数值模拟了多孔介质内金属镓相变材料在重力和自然对流条件下的相变熔化过程，获得了二维矩形方腔计算域内各时刻的温度分布和固液两相界面的形状，所得计算结果与相关文献实验或理论研究结果吻合较好，验证了该计算模型的可靠性。同时，根据相变储热性能实验，建立了含和未含泡沫铜相变储能装置的三维数学模型，数值计算与实验结果吻合良好，说明了本文数学模型的准确性，通过对含和未含泡沫铜相变储能装置蓄热计算结果的分析，表明泡沫铜的填充不仅增加了相变材料的导热系数而且缩短了相变材料熔化时间，并且考察了泡沫铜孔隙率和泡沫铜孔密度对相变储能装置蓄热性能的影响。研究结果对相变储能装置在实际应用中具有一定的指导意义。