热管技术在太阳能伞中的应用探析

黄梦玲 张洪铖

摘 要：化石能源的消耗，人口的大量增长，清洁高效能源的开发和利用势在必行，太阳能是一种广泛存在的清洁高效备用能源，很多科技都在利用太阳能进行发展。热管就是其中一种科技产物，热管是一种传热元件，它可以应用在太阳能伞中，本文从热管技术的原理出发，论述了热管技术在太阳能伞中的应用。

关键词：热管技术;太阳能;利用;太阳能伞

1 发展背景

太阳能是地球上广泛存在的能量，地球上面存在的化石能源最初也是来源于太阳能，太阳能可以作为热管的能量来源，热管是一种管道材料，它具有的特点是高强度，耐压。传统意义上的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，热管的内部是负压，;內部用一定量的液体填充，液体的存在使得紧贴内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管子的一端为蒸发端，蒸发端吸收热量将吸液芯多孔材料中的液体蒸发成为气态，在压力差的作用下，蒸汽向冷凝端移动，蒸汽在冷凝端放出热量凝结成为液体，液体受自身重力和多孔材料的毛细力的作用又回到蒸发端，于是在管内形成了一个闭合循环。

2 热管技术的特点

热管技术是在Cotter理论的基础上发展起来的，热管技术有如下特点：

（1）很好的导热性能，热管内部是依靠工质液体的相变传热进行热量的传递，故导热性能很好。

（2）优良的等温性，热管内部饱和的蒸汽工质在向冷凝端移动过程中，工质的压降很小，根据克拉伯龙方程进行分析，可知温降也很小，即等温性很好。

（3）热流密度的可变性，热流密度是指单位时间内通过物体单位横截面积上的热量，热流密度与蒸发端的加热面积、冷凝端的冷凝面积有关，加热面积和冷凝面积是可以相互变化的，两者的相互变化进而影响热流密度的变化。

（4）热流换热的双向性，热管的蒸发端和冷凝端并不是固定不变的，两端可以互换，内部循环的动力是依靠吸液芯的毛细力，无论热管是水平放置还是垂直放置，工质都可以从蒸发端流向冷凝端，再从冷凝端回到蒸发端，从而形成了一个循环。

3 热管技术对太阳能伞的应用

太阳能集热器是指一种将发散的太阳能辐射收集起来并转换为热能的设备，本文中所研究的太阳能伞是太阳能集热器的一种，它是属于利用多交点菲涅尔透镜和热管构成的新型的太阳能集热器，多交点的菲涅尔透镜作为伞面，多交点形式的透镜与常见的圆形、圆柱面的透镜相比，多交点的菲涅尔透镜可以将平行光轴的入射光汇聚成一条和镜面垂直且过镜面中心的焦线，这个圆柱截面的半径由三个因素决定，这三个因素分别是太阳平均视角半径，伞面环形槽的宽度及其它各种光学象差。热管在太阳能伞中作为伞杆，热管的种类中可以选择热虹吸管，热虹吸管结构简单，制作工艺不复杂，材料成本低，导热性良好。一根热虹吸管分为蒸发段、绝热段、冷凝段。内部传递热量的过程是依靠工质液体的相变传热，影响热虹吸管相变传热的因素有：

（1）冲液量。

（2）倾角。

（3）蒸发段的长度。

（4）液体工质的物理性质。

（5）管子内部的工作温度。

冲液量的多少会影响散热效果，当冲液量过少会导致蒸汽的产生量不足，在距离蒸发段较近的冷凝段温度很高，距离蒸发段较远的冷凝段温度较低，使得管内温度分布不均匀;当冲液量过多时就会减少管内的散热空间，同时管内的变相换热，变成了液体工质与液体工质之间的换热，液体工质和气态工质之间的换热，这样导致导热热阻的增大。

当冲液量一定时，冷凝段的温度随着倾角的增加而减小，当热管竖直放置时，液体工质受到重力的作用，会快速的落回蒸发段，此时液体对管壁的冲刷距离最短，导致换热系数减小;当热管倾斜放置时，液体工质受重力的影响减小，使得液体冲刷管壁的距离增大，导致换热系数增大。

当冲液量和倾斜角度一定时，热管壁面的温度会随着蒸发段长度的增加而增加，蒸发段的长度会影响热管吸收热量的多少。

太阳能伞中的热虹吸管用纯水作为工质液体。蒸发段表面应用冷加工车出螺纹并做发黑处理，这样的设计是为了更加高效吸收太阳辐射;冷凝段外表面也车出螺纹，这样做方便外部安装吸收热量的容器，螺纹处理也增加了受热面积。

当太阳光垂直照射到菲涅尔透镜上时，经过透镜的折射，太阳光聚集在热管的蒸发段，工质液体吸收热量气化，上升到冷凝段释放热量，将热量传递给需要吸收热量的容器，比如冷凝段可以放置一个水壶，工质气体被冷凝后形成液体回到蒸发段，工质液体继续吸收热量，气化后再次上升到冷凝段，直到水沸腾。

当太阳光倾斜照射菲涅尔透镜时，焦线要发生位置的移动，移动分为两种，一种是向上移动，此时加热绝热段;一种是向下移动，反射镜反射到原聚集区，使得表面光照不均匀，然而热管良好的等温特性很好的弥补了这一缺点。

当太阳光被折射到热管蒸发段时，由于热管优良的导热特性，热量会很快的传递至冷凝段，若冷凝段的冷凝效果好，可以很好的吸收热量，会使得系统的集热性能和导热性能很好。

4 结论

综上所述，热管原理简单易应用，应用在太阳能伞上非常高效，热管的结构影响太阳能伞的导热效率，热管的蒸发段、绝热段、冷凝段的长度、冲液量等等都会影响热管的传热效率，太阳能伞中的菲涅尔透镜相比其他形状的透镜，它能够通过折射去收集太阳能，使得热管的蒸发段能够收集更多的热量。

参考文献：

[1]胡晓阳，陈乐，徐建斌，等.基于表征测量的太阳能重力热管传热性能测定与优化研究[J].太阳能学报，2018，39（2）：441-447.

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