U型真空管太阳能集热器具有热效率高、启动快、抗冻能力强等特征,在太阳能光热利用系统中广泛应用。但由于太阳能存在间歇性及不稳定性等问题,导致太阳能集热器集热与用户用热在时间上存在严重的不匹配问题,同时当太阳辐射较强时,易出现高温过热等问题,严重时甚至导致集热器损坏、系统瘫痪。相变蓄热材料具有储能密度大、蓄放热过程中温度变化区间小等优势,是解决太阳能热利用过程中供需不匹配的主要技术途径。基于此,本文将相变材料填充到U型真空管太阳能集热器中,通过理论分析、数值模拟和实验测试的方法,对该U型相变真空管集热器的热性能展开研究。通过分析U型真空管太阳能集热器的结构及能量守恒关系,获得了能量传递过程中的有用集热量、热损失等计算方法。建立了U型相变真空管集热器和传统无相变U型真空管集热器的数学模型,利用CFD软件对集热管内的温度分布、相变材料液相率、集热器进出口温度等进行了数值模拟。搭建了U型相变真空管集热器热性能测试平台,通过实验测试验证了数理模型的准确性。在拉萨四季典型气象日气象条件下,对比分析了有无相变时U型真空管集热器的热性能。研究了相变材料熔点、导热系数、密度、潜热值等物性参数以及工质流速对集热器进出口温度、有效集热量和运行时间的影响规律。得到的主要结论如下:(1)与传统无相变U型真空管集热器相比,U型相变真空管集热器的升温和降温过程更为平缓,内部温度分布更为均匀,出口温度峰值有所降低,出口温度峰值产生延迟,且集热器的有效运行时间均有不同程度的延长。在拉萨四个典型气象日气象条件下,相变集热器出口温度峰值分别降低了8.9 K,6.9 K,8.2 K和8.5 K,有效运行时间分别延长了2.1 h,2 h,2.3 h和1.6 h。由于U型真空管集热器的保温效果较好,集热器的有效集热总量并没有发生太大变化。(2)随着相变材料熔点升高,相变集热器出口温度峰值呈现先减小后增加的变化趋势,与无相变集热器相比,当相变材料温度为333 K时,U型相变真空管集热器的出口温度峰值降低幅度最大,其值为8.2 K;当相变材料的导热系数在0.5W/(m~2?K)以上时,增加相变材料导热系数对集热器出口温度峰值影响较小;随着相变材料密度和潜热值的增加,集热器出口温度峰值逐渐降低而后趋于不变,相变集热器出口温度峰值最大降低了10.9 K;随着工质流速增加,集热器出口温度峰值逐渐降低。(3)相变集热器中相变材料在太阳辐射较弱时释放潜热,延长了集热器在用户用热高峰期间的运行时间。在参数选取范围内,随着相变材料熔点和工质流速增加,相变材料液相率逐渐降低,集热器的有效运行时间逐渐减少;随相变材料潜热值和密度增加,集热器运行时间逐渐增加,而相变材料导热系数对集热器运行时间影响较小。基于以上研究,获得了填充相变材料对U型真空管集热器出口温度、运行时间、有效集热量的影响规律,对相变材料的物性参数和工质运行参数进行了分析优化,其结果为U型相变真空管集热器在太阳能热利用中的的应用和推广提供理论依据。