高温热管技术在聚光太阳能集热系统中的应用与前景

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Application and prospects of high-temperature heat pipe technology in concentrating solar thermal collector systems

　　

摘要：在全球能源转型的背景下，聚光太阳能热（CST）集热系统能够高效地将太阳能转化为高品质热能，是可再生能源发展的重要途径。然而，功率输出与可靠性的协同提升面临三大核心限制：（1）高聚光比诱导的极端非均匀热流；（2）显著的热损失导致集热效率低下；（3）入射热流与热表面工作温度之间的严重失配。这些挑战亟需通过高温传热强化技术实现突破，以缓解局部过热和热变形。本文首先分析了非均匀热流的形成机制及其有害影响，随后阐述了集热器优化策略及高温热管（HTHP）技术的固有优势。HTHP凭借其卓越的导热性能、固有的温度均化能力和快速热响应特性，成为解决这些瓶颈的核心方案。尽管如此，冷启动性能和传热极限等方面仍需进一步深入研究。本文系统综述了HTHP在提升聚光太阳能集热系统效率和可靠性方面的潜力，探讨了HTHP技术在实现CST系统高效运行和安全管控中的作用。此外，本文综合了适用于高聚光比CST集热器的新型HTHP技术的原理、最新进展及挑战，并展望了未来的发展方向。

引言：自工业革命以来，化石燃料的大规模开发利用导致了大量的温室气体排放[1]（如图1所示，2024年各行业10亿吨CO2排放量的占比[2]）。这些排放引发了全球生态恶化以及极端气候事件频率的增加[3][4]。与此同时，日益增长的环境需求以及全球化石燃料储量的不断枯竭[5][6]推动了清洁能源需求的持续上升[7][8]。因此，向清洁、高效和可持续的能源转型已成为全球性的战略要务[9][10]。在可再生能源中，太阳能因其分布广泛[11]和潜力巨大[12][13]而受到广泛关注。实现太阳能高效利用的关键挑战在于将低品位太阳能转化为高品位能源[14]。作为中国既是全球主要的能源生产国又是消费国，中国正在积极推动能源战略的转型升级。"十四五"规划强调优先发展聚光太阳能热（CST）集热技术，以实现清洁供热并支持全球节能减排[15]。金红光院士指出，CST是突破太阳能品质限制、实现能量梯级利用的关键途径。该技术通过定日镜将直接法向辐照（DNI）聚集到接收器上加以利用，相比燃煤和燃气方案，在安全性、效率和经济竞争力方面具有明显优势[16][17]。主流的CST技术根据反射镜构型分为四类：抛物槽式、线性菲涅尔式、碟式集热器和太阳能塔系统[12]。按照聚焦方式，可分为点聚焦型（塔式、碟式）和线聚焦型（槽式、线性菲涅尔式）。其中，点聚焦是指反射镜将阳光汇聚到单点集热器进行反射，在集热器表面形成集中的焦点。线聚焦则是指平面反射镜将阳光反射汇聚到线形集热器上，沿一维方向汇聚，在集热器上形成长条状的焦线[12]。表1详细列出了各种CST技术。当前CST技术的示范运行表明[18][19]，它们将成为未来几十年的发展方向[20][21]。在商业化应用中，抛物槽式CST的商用化程度最高，其次是塔式CST[22]，如图2所示。本研究聚焦于四种主流CST系统：塔式系统、线性菲涅尔集热器、线性菲涅尔集热器阵列和碟式集热器。在讨论这些系统在高温条件下共同的技术局限性时，包括热流分布不均匀、热量损失显著以及热流与温度场之间的失配等问题，本研究提出了一种整合高温热管（HTHP）技术的解决方案。然而，从热力学?分析的角度来看，必须对CST系统与光伏（PV）或光伏-光热（PVT）系统在同一集热面积下进行关键对比。尽管CST系统能够将热输出温度提升至较高水平，但与PV/PVT系统产生的电力相比，其净?密度本身受到限制。根据理想卡诺效率公式，例如，在环境温度20°C（293 K）条件下，100°C（373 K）的热能输出的最大理想?效率仅为（1-293 K/373 K）= 0.214 kWex/kWen。而电力的单位?为0.95 kWex/kWen，几乎是CST热?的4.4倍。因此，对CST系统的评价和优化需要一种严格的综合方法，将热效率与?退化耦合考虑。如图2所示，不同CST系统的热效率计算方式不同，但本质上所有集热系统都是基于有效吸热量与输入太阳辐射能量之比[8]：η=Qrec/(S·DNI)=ηa·ηr。其中：Qrec为集热器吸热量，kW；S为聚光镜总面积，m2；DNI为直接法向辐照度，W/m2；ηa为平均定日镜场效率，%；ηr为集热器效率，%。聚光太阳能热（CST）系统的效率受多种因素制约，集热器效率是主要制约因素。不同集热器的吸热量计算方法各异。以下公式分别对应不同类型CST系统的核心热效率计算。在塔式聚光太阳能热系统中，由于热损失较大，如图3所示，其吸热量的计算方法如下[27]：Qrec=Qrec,abs?Qrec,em?Qrec,ref?Qrec,conv?Qrec,cond。不同太阳能集热器的传热方式如图4所示。其中：Qrec,abs为集热器吸收的太阳辐射热量，kW；Qrec,em为热辐射损失，kW；Qrec,ref为反射损失，kW；Qrec,conv为对流热损失，kW；Qrec,cond为传导损失，kW。集热面温度计算公式：(Qrec/(S·Fr·C))=Ti?To/(dodi+h·doldi2/λtube)。其中：Ti为集热器表面温度，K；To为出口温度，K；do为出口尺寸，m；di为入口尺寸，m；h为传热工质对流换热系数，W/m2·K；Fr为集热表面与环境之间的视角系数；C为聚光比；λtube为管壁导热系数，W/m·K。槽式聚光太阳能集热系统的吸热量计算公式如下[28]：Qrec=FR·Aa·DNI?Ar·Aa·UL·(Ti?Ta)。其中：Ta为环境温度，K；Cp为比热容，J/kg·K；UL为热损失系数，W/m2·K；FR为集热器散热因子；Aa为集热器开口面积，m2；Ar为集热器表面积，m2。热损失系数UL的计算公式如下[28]：UL=Qloss/(π·Dro·L·(Ti?Ta))。其中：Qloss为总热损失，W；Dro为集热器外尺寸，m；L为特征长度，m。线性菲涅尔聚光太阳能系统的吸热量Q的计算公式如下[29]：Qrec=m·Cp·(To?Ti)，m为质量流量，kg/s。碟式反射器吸热量计算公式如下[30]：Qrec=m·Cp·(To?Ti)；η=FR·ηnop?FR·UL·C·(Ti?Ta)/DNI。对于所有类型的聚光集热器，都必须考虑视角系数和截获因子的影响。视角系数（也称为辐射角系数）是与辐射能传递相关的几何参数，取决于聚光器和集热器的几何尺寸及相对位置。截获因子表征聚光器反射的有效太阳辐射中被集热器成功捕获的比例，其大小受定日镜光学精度、跟踪误差、接收器尺寸与斑点尺寸匹配度以及太阳入射角等因素的影响。它是评估聚光系统能量利用效率的关键指标。基于对各种CST理论模型的深入分析[27][28]，总结出以下效率约束[31][32]：塔式系统受聚光比和热损失影响最为显著；抛物槽式系统和线性菲涅尔系统虽然受类似因素影响，但热损失是更关键的制约因素；碟式系统实现了最高聚光比，但由于单位集热面积有限，热侧温差成为限制热效率的关键因素。目前，CST已在电解制氢[33]、海水淡化[34]和能量生产[35]等领域得到广泛应用，具有绿色可再生和经济潜力大等优势。然而，时空间歇性、能量密度低以及热流/温度分布不均匀等挑战[31][32]阻碍了太阳能的高效利用。其中，热流分布不均匀问题对集热效率有显著影响。热流分布不均匀是指CST系统集热器表面单位面积接收的太阳辐射热流密度呈不均匀空间分布的现象——在某些局部区域热流密度极高，而在其他区域相对较低，呈现为高斯分布。现有的优化努力主要集中于提高定日镜和集热器效率，但收效有限。高温热管（HTHP）是一种利用高潜热液态金属作为工质的相变循环设备[36][37]，能够有效平滑非均匀热流和温度分布，并自适应调节系统稳定性，从而显著提高传热效率[38]。作为先进的高温传热器件，HTHP已成为提升CST效率的关键技术[39]。然而，冷启动延迟、传热极限和长期运行耐久性等问题仍未解决。为确保方法的透明度和可重复性，本研究采用了结构化的文献综述程序。相关出版物从主要学术数据库（包括Web of Science核心合集、Scopus和ScienceDirect）中收集。文献检索使用了"高温热管"、"碱金属热管"、"钠热管"、"钾热管"、"聚光太阳能热"、"太阳接收器"、"热应力"和"相变传热"等关键词的组合。初始检索确定了与高温热管和CST应用相关的出版物。随后基于标题、摘要和全文对检索到的研究进行筛选。当出版物满足以下至少一个标准时被纳入：（1）高温热管性能的实验研究；（2）关于传热机制、启动行为和热极限的数值或理论研究；（3）热管在太阳能热系统或高热流热管理中的应用。与高温操作无关、缺乏足够方法学细节或仅关注传统低温热管的研究均被排除。经过筛选后，文献为应对当前研究空白提供了系统框架。总而言之，集热器是CST的关键部件。在运行过程中，受天气条件影响，集热器表面会产生高度非均匀的热流、温度分布和温度波动。这些现象可能导致传统集热器局部过热、热应力集中、材料疲劳、加速腐蚀甚至直接失效，造成局部高温和热应力，严重制约系统效率[32]。利用温度均化和自适应特性，HTHP通过工质的相变（蒸发-冷凝）实现高效传热。其近等温传热和自适应特性可以快速均化局部过高的热流，防止热点形成，显著改善热流和温度分布，提高传热效率，有效缓解集热器表面热流不均匀的问题。然而，目前关于HTHP在CST中应用的研究仍然有限[31]。尽管HTHP在解决非均匀热流问题方面具有显著优势，但仍面临冷启动问题和传热极限等实际限制。本文聚焦于其工作原理和结构创新，针对CST中的非线性热流和高温取热挑战展开讨论。文章分析了其应用现状和面临的障碍，旨在为高效集热器设计提供创新解决方案。为明确本综述的范围和独特贡献，本文特别定位为一篇面向应用的综述，探讨高温热管（HTHP）技术在聚光太阳能热（CST）集热系统中的应用。本文并非旨在提供CST热瓶颈的一般性综述，也不是对独立HTHP技术的全面概述。

相比之下，本研究重点关注CST接收器的固有热挑战——特别是高聚光比下严峻的热流不均匀性——与HTHP通过相变传热实现热均匀化及热量再分配的传热能力之间的耦合关系。与以往主要分别讨论CST接收器技术、传统热管理策略或高温热管基础发展的综述不同，本综述建立了一个整合框架，将CST的光学特性、接收器的热挑战、HTHP的传热机理与工程应用有机联系起来。系统评估了HTHP在缓解热梯度、降低局部过热以及提升下一代CST系统可靠性方面的潜力。此外，鉴于传统基于能量的评估方法无法充分表征高温太阳能热量的热力学价值，本综述还探讨了HTHP对提升CST系统?利用率的潜在贡献。

各章节片段

聚光太阳能热系统

集热器是实现光-热转换的聚光太阳能热（CST）系统的核心部件[40]、[41]。其效率受多种因素制约，包括光学性能和热损失。根据传热方式，集热器可分为两类：直接式和间接式[42]。

直接吸收式集热器通过吸收面聚光，将法向直接辐射（DNI）直接传递给工作流体，实现快速加热

HTHP技术

高温热管（HTHP）能够主动消除集热器中的非均匀热流分布，消除局部热点，建立均匀的温度场以实现传热，从而从根本上解决温度与热流之间的不匹配问题。这使其在聚光太阳能热（CST）系统中展现出显著的应用潜力，因其高热导率和温度均匀性可显著提升集热器效率及

新型HTHP的尝试与拓展

尽管传统高温热管（HTHP）通过相变机制展现出卓越的传热能力，能够有效应对高温（2573 K ≥ T ≥ 723 K，2026.5 kPa ≥ P ≥ 10.13 kPa）[184]、高热流密度[185]和远距离传热[186]等工况，但其在超高温（T ≥ 2573 K，P ≥ 2026.5 kPa）和极端热流场景下的可靠性仍受到冷启动性能和传热能力等方面的显著制约。

结论与展望

本综述系统考察了高温热管（HTHP）在聚光太阳能热（CST）集热系统中的应用集成，重点关注其在应对高聚光热流和太阳热不均匀传输挑战方面的潜力。通过将HTHP多相传热机理与CST热管理需求相结合，本文阐明了HTHP在降低热梯度、缓解局部过热和提升系统可靠性方面的作用。当前进展及

作者贡献声明（CRediT）

袁大忠：撰写—初稿，经费获取，概念设计。何佳鸿：撰写—初稿，形式分析。李腾：指导。何泽明：撰写—审阅与编辑，调查，数据整理。张健伟：撰写—初稿，资源支持，调查。史佳源：撰写—审阅与编辑，指导。张德联：撰写—审阅与编辑，资源支持。丁学风：指导，调查。水军：指导，项目管理，经费获取。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（编号：2024YFF0506501）的资助。

作者：袁大忠、何佳鸿、李腾、何泽明、张健伟、史佳源、张德联、丁学风、水军、杜宝瑞、张航