能源是人类社会及经济发展不可缺少的基础。随着经济的不断发展,我国对能源需求量不断增加。目前,不可再生能源如石油、煤炭等在世界总能耗中占比为85%,可再生能源如太阳能等仅占比15%,因此提高可再生能源的利用率变得至关重要。相变储放能装置可对太阳能等可再生能源加以存储利用,提高能量利用效率。本文主要针对传统相变储能装置能量释放效率较低的问题,采用金属相变小球内部加翅片、石蜡内部填充石墨等方式提高金属球相变储能水箱的能量释放效率,并通过实验和模拟研究开式直流储放热和闭式循环放热工况下不同流速、球内加翅片和填充石墨等因素对相变水箱放热过程的影响。以304不锈钢金属球壳对石蜡相变材料进行封装,制成液相石蜡质量占比为95%的相变小球单元。将一定数量的相变小球装填入高密度聚乙烯圆柱形罐内,罐内填充满水,制成水的显热与相变单元潜热相结合的相变储能水箱。为面向海水淡化的应用,建立相变储热水箱与膜式海水淡化相耦合的系统模型,并采用数值模拟的方法针对影响相变储能水箱放热效率的多个因素进行研究。首先,通过实验研究不同进口流速情况下,相变水箱开式直流/闭式循环放热过程相变单元内石蜡相变时间及出口水温的变化。实验数据表明,石蜡相变时间及出口水温随进口水流速的增加而降低。以标准出口水温为依据时,相变水箱开式直流和闭式循环放热过程的进口水获得的热量随进口流速的增加而增加。其次,研究优化工艺对相变水箱放热的影响。利用数值模拟的方法研究不同壳材料、球壳内不同翅片数、石蜡内不同膨胀石墨质量的填充率等因素对相变水箱开式直流和闭式循环放热过程的影响。由于金属球壳的热阻在整个换热热阻中所占的比例很小,因此模拟结果显示不同壳材料对相变水箱开式直流和闭式循环放热性能的影响几乎可以忽略不计。金属小球内部添加翅片可以将内部石蜡相变过程中的热量快速的传导至壳间冷却水,因此添加翅片可以有效地提高相变水箱的放热效率,模拟结果显示在相变水箱开式直流放热过程,翅片数为6时,放热量有最大优化比例为1.133。而在相变水箱闭式循环放热过程,翅片数为6时,放热量有最大优化比例为1.020;此外,石蜡内部填充膨胀石墨可以有效地提高石蜡整体的导热系数,模拟结果显示,当填充率为5%时,其石蜡平均液相分数为7.6%。最后,研究相变水箱优化前后对耦合的海水淡化系统淡水产量的影响。研究发现,相比于空水箱,采用相变水箱时,海水淡化量从261.2g提升到了335.8g。此外,小球内部添加6片翅片的优化设计时,海水淡化量从436.3g提升到了541.1g。本研究对提高太阳能的利用效率以及提高太阳能驱动的海水淡化系统的效率具有一定的指导意义。