一种新型的太阳能控温热管 克服真空管太阳能集热器干晒 避免太阳能过热

一种新型太阳能控温热管

一种新型太阳能热管如下图所示，主要具有以下产品特性：

1. 低成本

目前热管-真空管型太阳能集热器采用铜-水太阳能热管，铜的价格高昂，导致了其产品在市场上很难大面积的应用。而铝和水化学不相容，传统热管无法直接将结构件材料更换为铝合金来实现降本，否则产品寿命仅为数天。

2. 高性能

传统铜-水太阳能热管传热能力较小，无法适用于CPC（带聚光板的真空管集热器）等大功率的应用场景。新型太阳能热管具有优异的传热能力，可完美解决CPC热管传热能力不足的难题。

太阳能热管传热极限主要有干涸极限、沸腾极限和携带极限。

①携带极限出现在充液量较大，同时轴向热流密度较大的情况。携带极限是由于太阳能热管内高速向上的蒸汽流与逆向流动的冷凝液体在汽-液界面上相互摩擦作用出现剪应力而引发的，这种剪应力随着轴向热流密度的加大而加大，这种粘滞剪应力阻碍着冷却回流液体回流到蒸发段，高速的蒸汽流将携带着回流液体到达冷凝段，使得蒸发段干涸，管壁温度飞升。当传热达到平衡时，管内的液体被阻止回流到蒸发段，工作液体仅在上半部循环，就达到了携带极限。

②沸腾极限出现在充液量较大，同时径向热流密度较大的情况。当径向热流密度达到一定临界值，蒸发段内开始产生核态沸腾，随着径向热流密度继续加强，核态沸腾越来越激烈，当达到临界热流密度时，汽泡聚合连成一片贴近管壁而形成蒸汽膜，蒸汽膜将液体与壁面隔绝开来，形成一层隔热层，导致壁面温度突然增高，这种现象类似于池沸腾中的膜沸腾状态，即认为是达到了沸腾极限。

③干涸极限出现在充液量较小，同时径向热流密度较大的情况。当充液量很少，蒸发段的径向热流密度也相对较小时，冷凝段的下降液膜仍持续回流到蒸发段，然而蒸发段底部的液膜厚度接近零，此时充液量刚好满足基本的传热循环。随着热量增加，蒸发段径向的热流密度增大，热管底部开始出现干涸现象，干涸的区域随着径向热流密度的增大而扩展加剧，蒸发段壁面温度持续上升，这就是干涸极限。

太阳能热管具有较大充液量（体积充装率7%），蒸发段径向热流密度较小而轴向热流密度较大，且蒸发段长径比较大，其性能主要受携带极限限制。

携带极限由高速向上的蒸汽流与逆向流动的冷凝液体在汽-液界面上的剪切作用引起，携带极限涉及工作液体物性（不同温度下的汽体密度、液体密度、表面张力、相变潜热）、管径、倾角、体积充装量等，影响因素较为复杂，暂无较为精确的量化描述模型。

可以计算不同工作温度下市场上普通铜水热管在CPC真空管内的汽体流速以分析判断否达到其相变携带极限：

铜-水太阳能热管内汽体流速计算如下表所示：

工作温度	℃	50	70	90
热流密度	W/m2	800	800	800
长度	mm	1500	1500	1500
外径	mm	47	47	47
受热截面积	m2	0.0705	0.0705	0.0705
热量	W	120.2764	120.2764	120.2764
汽化潜热	J/g	2381.947	2333.031	2282.491
质量流量	g/s	0.050495	0.051554	0.052695
汽体密度	g/cm3	8.31E-05	1.98E-04	4.24E-04
汽体体积流量	cm3/s	607.2992	259.8067	124.3111
汽流截面积	cm2	0.352565	0.352565	0.352565
汽体流速	cm/s	1722.516	736.9038	352.5904

结论：CPC集热器单只热管热负荷较大，而铜-水太阳能热管工作温度下汽体密度较小，因此汽体流速较大，50℃工作温度下汽体流速可达17m/s，高速的蒸汽流将携带着回流液体到达冷凝段，使得蒸发段干涸，引起携带极限。单支热管传热能力有限，无法满足CPC集热器的大热量传输要求。

新型太阳能热管采用不同与传统铜-水热管的传热模式，50℃工作温度下汽体流速仅为20cm/s，蒸汽流速不高，不会引起携带极限。因此单支热管传热能力不受限，可以满足CPC集热器的大热量传输要求。

3. 长寿命

传统铜-水太阳能热管内部压力为负压（即低于大气压力），工作3年后系统内部真空度将逐渐消失，热管将失去传热能力，大幅限制了集热器的有效使用寿命。

新型太阳能热管内部压力为正压（即高于大气压力），不存在真空度减小引起的寿命问题，产品有效寿命大于15年，可保证太阳能集热器全寿命周期内始终如一的高传热能力。

4. 智能控温

传统铜-水太阳能热管无法实现控温，文献可查阅到的基于记忆合金弹簧的控温机构无法实现工程应用级别的低成本精确控温。因此实际工程应用中，热量过剩时只能通过泄压阀进行泄压，或采用遮盖的方式人为减小集热面积。

铜-水太阳能热管记忆合金驱动机构控温方式：

①结构：记忆合金弹簧和普通弹簧组成的双弹簧驱动机构+堵帽

②工作机理：高温时记忆合金弹簧输出力大于普通弹簧，推动堵帽密封冷凝头；低温时记忆合金弹簧输出力小于普通弹簧，推动堵帽离开冷凝头端部

③工作原理：形状记忆合金温度变化时会产生马氏体-奥氏体相变，不同状态下力学特性不同

④运行问题：

10. 相变过程很缓慢，存在几十度的相变区间，且升温和降温区间不同，因此做不到精确控温
11. 记忆合金弹簧无法感知被加热水温度，只能和热管蒸发端进行热耦合（即安装在蒸发侧），这种工作模式下系统过热关闭后当天无法再次启动，无法满足实际只要求短时过热保护，不过热时立即开启的要求
12. 双弹簧驱动机构行程短，为了做到高温密封，低温下堵头离冷凝头端部较近，正常状态下传热能力有损失

⑤成本造价：机构复杂，部件成本高；控温机构需要精确定位和焊接，安装工艺复杂，工艺成本高，综合成本极高，难以民用大面积推广

新型太阳能热管具有智能控温功能，产品智能感知温度变化，系统判断热量过剩时立即停止或（5℃以内）逐渐停止传热，不过剩时立即恢复性能，完全符合理想控温需求。基于兆瓦热能自研传热工质进行精确控温，无复杂温控机构，成本可控；同时高温下阻断的功能不影响正常工作状态下的传热性能。

新型热管智能控温方式：

• 组成：无复杂温控机构
• 工作机理：到设定工作温度立即停止或（5℃以内）逐渐停止传热。
• 工作原理：智能感知温度变化，高温时自适应停止相变（高温下液态工质瞬间变没或逐渐变少，热管瞬间达到或逐渐达到干涸极限）。
• 运行特性：

• 到达设定温度点立即停止传热，低于设定温度点立即恢复传热，拥有绝对的一致性。
• 热量过剩时停止传热，不过剩时立即恢复性能，完全符合理想控温需求。
• 高温下阻断的功能不影响正常工作状态下的传热性能。

⑤成本造价：成本可控，适合民用推广。

5. 多应用场景
   1. 普通真空管太阳能集热器的应用

降低真空管太阳能集热器制造成本、提高集热器效率、使产品更具竞争力。

1. 2. 太阳能集热工程中的应用

智能控温、-80℃防冻、长寿命等特征满足不同场景太阳能集热工程的应用。

1. 3. CPC真空管集热器的应用

基于新型太阳能热管的控温型CPC真空管集热器，解决了使用高成本的铜U型管直接采用水循环引起的低温结冻问题，以及热量过剩起的导热液碳化等系统高温可靠性问题。

1. 4. 平板太阳能集热器的应用

基于新型太阳能热管的控温型平板式太阳能集热器，杜绝防冻液高温碳化，解决平板太阳能二次安装、防冻液碳化引起的传热能力损失、防冻液3年定期更换等高温问题。