相变储热技术能够克服不同能源形式在转换与利用过程中的时间间歇性、空间分散性和强度不稳定性等问题,在可再生能源、工业余热回收和建筑节能等领域都具有广泛的应用前景。该技术实际应用效果主要受到相变材料热物性和储热装置传热性能的影响。本文为提升相变储热技术的热性能,制备了作为多孔基质的膨胀石墨以及新型混合碳基复合相变材料,并针对复合材料的热物性变化规律、球形封装储热材料的填充床储热特性以及实际应用的热性能优化设计方法进行了理论与实验研究。首先,以天然鳞片石墨为原料,采用化学氧化和微波膨胀法制备了膨胀石墨,对膨胀石墨的孔隙结构进行表征,分析了制备条件对膨胀特性的影响,研究了膨胀石墨对十六烷酸的吸附性能和储热性能的影响规律。结果表明单体蠕虫状的膨胀石墨具有丰富的多级孔隙结构,平均孔内累积比表面积为32.43 m2/g,孔体积0.14 m3/g,主体为介孔结构。通过单因素试验法揭示了主要制备条件对膨胀容积的影响规律,并通过正交实验获得了最优制备条件。吸附特性和充/放热性能实验结果表明,膨胀石墨的孔隙结构能够有效限制液态相变材料的流动性,同时可以根据填充比例缩短充/放热时间。综合对比表明,膨胀石墨含量为10%时达到最佳复合比例。其次,提出了以碳纤维强化导热的新型混合碳基复合相变材料,分析了复合材料的微观形貌与相容性,并对相变特性、热分解稳定性和导热性等进行表征与实验。结果表明,膨胀石墨和碳纤维构建了新型网络结构,该结构是影响热物性变化的关键因素。随着碳纤维比例的增加,复合材料相变焓降低,熔化/凝固峰值温度分别降低和升高。热分解稳定性分析结果表明,碳纤维对膨胀石墨孔隙内的相变材料热分解能够起到抑制作用。在导热系数方面,碳纤维的增加能够进一步强化导热性能,当碳纤维含量为10%时导热系数比强化前提高了 27.3%。同时,强化后充/放热时间明显缩短。最后热循环实验证明了新型复合材料具有良好的热循环稳定性。第三,基于球型储热单元设计了小型填充床储热装置,搭建了填充床储热性能实验台,目标是探究复合材料在填充床中的储热特性。结果表明当碳材料含量较低时,复合材料在充/放热过程中仍然具有三段式温度变化特征。当流体温度在低温加热温区升高10℃时,充热时间缩短、有效充热量增大、平均充热速率和充热效率均提高,放热过程中初始温度升高使放热时间延长,总效率提高了7.8%。当流量从60L/h提高至120L/h时,平均充/放热速率和充/放热效率均增大,总效率提高了 13.9%。通过对比填充三种储热材料的填充床储热特性变化规律表明,填充混合碳基材料的总效率比填充其它两种材料分别提高了 3.4%和11.4%。第四,基于多孔介质方法对填充床储热装置的传热过程建立数学模型,采用有限差分法对控制方程离散求解,通过与实验数据结果对比验证了模型的可靠性。利用该模型预测了填充床内部瞬态温度演化规律。分析结果表明Re主要通过影响储热球外部的对流热阻提高充热速率,同时由于流动产生的摩擦阻力损失和环境热损失使(?)效率降低;Ste对各项指标的影响最大,Ste增大使储热密度提高但(?)效率降低,对储(?)速率的提升效果比充热速率更显著;keff,PCM增大通过降低球内热阻提高充热速率,但当keff,PCM大于4.5W/(mK)时充热速率的变化明显降低,对充热速率的影响高于储(?)速率;Dc/D的增大对各项指标的提升均有负面影响。最后,以实际太阳能供热系统中的储热装置为优化对象,利用所建立的数值模型,采用响应面方法对研究对象进行多目标优化分析。以有效充热时间、有效充热量和(?)效率为联合优化目标,包含材料热物性、结构参数和运行参数的9项参数作为影响因素,建立回归模型。通过方差分析验证了模型的准确性,利用显著性系数对比得出对评价指标交互影响最强的参数组合及其影响规律。获得了设计参数的优化方案,封装球的直径和空隙率分别比初始值增大了 12.0%和22.5%;HTF比热容和导热系数分别比预设值高13.3%和5.6倍;相变材料导热系数提高5.7倍,相变潜热降低3.4%。该方法与结果为储热装置优化设计提供了理论支撑。