知识点：太阳能集热器效率
用于建筑物内采暖、供热水、空调等的能耗十分巨大。据Weiss and SPORK-DUR报告，2017年全世界安装的太阳能系统供热量为472GW热，采用了675×106㎡的太阳能集热器，2017年产生的太阳能热量达388TW·h，少用了41.7×106吨油，少排放了134.7×106 tCO2。每平方米太阳能集热器的采用，直接可促使每年少用250kg煤，并减少排放25kg颗粒物、6kgSO2、2kgNOx。太阳能集热器接受太阳能后，将其转化为热能，传给流动的工质供热。而真空管式太阳能集热器在太阳光弱、室外温度低时也可工作，甚至工质温度可达到50~200℃。
太阳能供热利用的量大面广，可以大量减少碳排放，那么如何进一步提高太阳能热效率则成为了当今研究的重要课题。应用热管技术、使用纳米材料，或综合此二种技术一起使用，是当今研究的方向之一。
(1)太阳能传热管原理：将传热管抽成真空，传热管管内充入工作介质。传热管分为冷凝段、绝热段、蒸发段三部分，利用相变吸热提高热效率，克服了玻璃管易炸管、承载能力低、热启动速度慢等缺点，受到太阳能技术研发生产企业欢迎。热管技术在我国已用的不少，也有新的研究如对太阳能传热管毛细管作用力的深入研究等。
(2)纳米技术：将纳米尺寸（1nm=10-9m）的金属和金属氧化物分散到传热管工质中，以提高工质的传热能力。1995年美国科研人员提出在热管工质中加入纳米颗粒技术后，一些机构进行了进一步的研究。近十来年，全球就此课题发表的文章渐多，不仅欧美国家、中东国家有，我国也有单位研究，如山东德州工学院、苏州建筑科学研究院都有文章发表。虽然文章都肯定了此技术可以提高太阳能集热器的热效率，但实际应用的报导则很少见到。使技术加速进入实用、商业化，应是当前关注的。
2018年，土耳其Suleyman Demirel大学的两位学者发表了一篇文章，是关于热管纳米太阳能集热器商业应用的，读后有所启发，文章要点有以下几方面：
(1)研究中，优化了纳米颗粒的大小、浓度，用二步电化学法合成银－水（将银纳米颗粒散布于水中）纳米流体工质（第一步用电解法将银离子散布于纯水，第二步将银离子还原为银原子，以丹宁酸为还原剂还可以阻止银原子大量聚集）。研究做了相关试验，观察合成的纳米工质是否长期稳定，有没有沉积和结块，在黑暗中储存一年，进一步观察液体长期变化情况。试验证明银－水纳米流体工质性能长期稳定。这为实际使用创造了条件，使热管纳米太阳能集热技术的商业化成为可能。
(2)此外试验还证明，银－水纳米流体工质的导热性高于纯水工质。
(3)银－水纳米热管与纯水热管相比，集热器热效率提高20.7%~40%。一年的试验表明，纳米流体可长期使用，可满足实际使用需要。该文试验采用了银－水纳米流体工质，但纳米材料种类很多，如颗粒Au、Ag、Cu、Fe，氧化物颗粒有CuO、SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、Fe3O4，碳化物有SiC、TiC，氮化物有AlN、SiN、碳纳米等。研究试验得到许多数据，如颗粒直径为50nm的“CuO－水”工质比纯水系统在出口处空气温度要高，可超过170℃；采用“石墨烯微片－水”为工质的热效率比纯水系统热效率增高35.8%；采用Al2O3纳米颗粒，直径为40nm，体积比为0.06%的，“Al2O3－水”工质的，流量分别在20、40、60L/h时，含“Al2O3－水”工质的太阳能集热器效率分别为30.07%、45.13%、58.65%，而水为工质的效率仅13.95%、17.51%、22.85%；采用“TiO2－水”为工质的系统比采用纯水的系统最大出口温度高19%。在平板太阳能集热器中采用“CuO－水”为工质的热管比直接用纯水的系统热效率高16.7%，等等。土耳其SuleymanDemirel大学对以上阐述内容所做的深入试验装置如图１所示[1]。
Fig.1Experimental setup of thermosyphon heat pipeevacuated tube solar collectors (THP-ETSC)
我国采暖地区很大，采暖时间也长，随着生活质量的提高，过去不供暖的南方也会逐步实现采暖和供热水。加以国家正在推行城镇化和一些居民区改造，现在正是将高效的新装备推广使用的好机会。行业相关科研工作者应当早日结合我国热负荷需要和现有资源条件等，开发符合我国国情的纳米热管太阳能集热器的设计制造技术，为新建和改造太阳能供热系统提供高效设备。
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