熱管技術(shù)在太陽能傘中的應(yīng)用探析

黃夢玲 張洪鋮

摘?要：化石能源的消耗，人口的大量增長，清潔高效能源的開發(fā)和利用勢在必行，太陽能是一種廣泛存在的清潔高效備用能源，很多科技都在利用太陽能進(jìn)行發(fā)展。熱管就是其中一種科技產(chǎn)物，熱管是一種傳熱元件，它可以應(yīng)用在太陽能傘中，本文從熱管技術(shù)的原理出發(fā)，論述了熱管技術(shù)在太陽能傘中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：熱管技術(shù);太陽能;利用;太陽能傘

1 發(fā)展背景

太陽能是地球上廣泛存在的能量，地球上面存在的化石能源最初也是來源于太陽能，太陽能可以作為熱管的能量來源，熱管是一種管道材料，它具有的特點是高強(qiáng)度，耐壓。傳統(tǒng)意義上的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，熱管的內(nèi)部是負(fù)壓，;內(nèi)部用一定量的液體填充，液體的存在使得緊貼內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管子的一端為蒸發(fā)端，蒸發(fā)端吸收熱量將吸液芯多孔材料中的液體蒸發(fā)成為氣態(tài)，在壓力差的作用下，蒸汽向冷凝端移動，蒸汽在冷凝端放出熱量凝結(jié)成為液體，液體受自身重力和多孔材料的毛細(xì)力的作用又回到蒸發(fā)端，于是在管內(nèi)形成了一個閉合循環(huán)。

2 熱管技術(shù)的特點

熱管技術(shù)是在Cotter理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，熱管技術(shù)有如下特點：

（1）很好的導(dǎo)熱性能，熱管內(nèi)部是依靠工質(zhì)液體的相變傳熱進(jìn)行熱量的傳遞，故導(dǎo)熱性能很好。

（2）優(yōu)良的等溫性，熱管內(nèi)部飽和的蒸汽工質(zhì)在向冷凝端移動過程中，工質(zhì)的壓降很小，根據(jù)克拉伯龍方程進(jìn)行分析，可知溫降也很小，即等溫性很好。

（3）熱流密度的可變性，熱流密度是指單位時間內(nèi)通過物體單位橫截面積上的熱量，熱流密度與蒸發(fā)端的加熱面積、冷凝端的冷凝面積有關(guān)，加熱面積和冷凝面積是可以相互變化的，兩者的相互變化進(jìn)而影響熱流密度的變化。

（4）熱流換熱的雙向性，熱管的蒸發(fā)端和冷凝端并不是固定不變的，兩端可以互換，內(nèi)部循環(huán)的動力是依靠吸液芯的毛細(xì)力，無論熱管是水平放置還是垂直放置，工質(zhì)都可以從蒸發(fā)端流向冷凝端，再從冷凝端回到蒸發(fā)端，從而形成了一個循環(huán)。

3 熱管技術(shù)對太陽能傘的應(yīng)用

太陽能集熱器是指一種將發(fā)散的太陽能輻射收集起來并轉(zhuǎn)換為熱能的設(shè)備，本文中所研究的太陽能傘是太陽能集熱器的一種，它是屬于利用多交點菲涅爾透鏡和熱管構(gòu)成的新型的太陽能集熱器，多交點的菲涅爾透鏡作為傘面，多交點形式的透鏡與常見的圓形、圓柱面的透鏡相比，多交點的菲涅爾透鏡可以將平行光軸的入射光匯聚成一條和鏡面垂直且過鏡面中心的焦線，這個圓柱截面的半徑由三個因素決定，這三個因素分別是太陽平均視角半徑，傘面環(huán)形槽的寬度及其它各種光學(xué)象差。熱管在太陽能傘中作為傘桿，熱管的種類中可以選擇熱虹吸管，熱虹吸管結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝不復(fù)雜，材料成本低，導(dǎo)熱性良好。一根熱虹吸管分為蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段。內(nèi)部傳遞熱量的過程是依靠工質(zhì)液體的相變傳熱，影響熱虹吸管相變傳熱的因素有：

（1）沖液量。

（2）傾角。

（3）蒸發(fā)段的長度。

（4）液體工質(zhì)的物理性質(zhì)。

（5）管子內(nèi)部的工作溫度。

沖液量的多少會影響散熱效果，當(dāng)沖液量過少會導(dǎo)致蒸汽的產(chǎn)生量不足，在距離蒸發(fā)段較近的冷凝段溫度很高，距離蒸發(fā)段較遠(yuǎn)的冷凝段溫度較低，使得管內(nèi)溫度分布不均勻;當(dāng)沖液量過多時就會減少管內(nèi)的散熱空間，同時管內(nèi)的變相換熱，變成了液體工質(zhì)與液體工質(zhì)之間的換熱，液體工質(zhì)和氣態(tài)工質(zhì)之間的換熱，這樣導(dǎo)致導(dǎo)熱熱阻的增大。

當(dāng)沖液量一定時，冷凝段的溫度隨著傾角的增加而減小，當(dāng)熱管豎直放置時，液體工質(zhì)受到重力的作用，會快速的落回蒸發(fā)段，此時液體對管壁的沖刷距離最短，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)減小;當(dāng)熱管傾斜放置時，液體工質(zhì)受重力的影響減小，使得液體沖刷管壁的距離增大，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)增大。

當(dāng)沖液量和傾斜角度一定時，熱管壁面的溫度會隨著蒸發(fā)段長度的增加而增加，蒸發(fā)段的長度會影響熱管吸收熱量的多少。

太陽能傘中的熱虹吸管用純水作為工質(zhì)液體。蒸發(fā)段表面應(yīng)用冷加工車出螺紋并做發(fā)黑處理，這樣的設(shè)計是為了更加高效吸收太陽輻射;冷凝段外表面也車出螺紋，這樣做方便外部安裝吸收熱量的容器，螺紋處理也增加了受熱面積。

當(dāng)太陽光垂直照射到菲涅爾透鏡上時，經(jīng)過透鏡的折射，太陽光聚集在熱管的蒸發(fā)段，工質(zhì)液體吸收熱量氣化，上升到冷凝段釋放熱量，將熱量傳遞給需要吸收熱量的容器，比如冷凝段可以放置一個水壺，工質(zhì)氣體被冷凝后形成液體回到蒸發(fā)段，工質(zhì)液體繼續(xù)吸收熱量，氣化后再次上升到冷凝段，直到水沸騰。

當(dāng)太陽光傾斜照射菲涅爾透鏡時，焦線要發(fā)生位置的移動，移動分為兩種，一種是向上移動，此時加熱絕熱段;一種是向下移動，反射鏡反射到原聚集區(qū)，使得表面光照不均勻，然而熱管良好的等溫特性很好的彌補了這一缺點。

當(dāng)太陽光被折射到熱管蒸發(fā)段時，由于熱管優(yōu)良的導(dǎo)熱特性，熱量會很快的傳遞至冷凝段，若冷凝段的冷凝效果好，可以很好的吸收熱量，會使得系統(tǒng)的集熱性能和導(dǎo)熱性能很好。

4 結(jié)論

綜上所述，熱管原理簡單易應(yīng)用，應(yīng)用在太陽能傘上非常高效，熱管的結(jié)構(gòu)影響太陽能傘的導(dǎo)熱效率，熱管的蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段的長度、沖液量等等都會影響熱管的傳熱效率，太陽能傘中的菲涅爾透鏡相比其他形狀的透鏡，它能夠通過折射去收集太陽能，使得熱管的蒸發(fā)段能夠收集更多的熱量。

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