随着全球对清洁供暖需求的快速增长，如何高效转化低能流密度太阳辐射为高品位热能成为新能源研究的前沿。针对传统集热器在极端高寒、高海拔环境中面临的冻胀破坏与高散热损失等瓶颈，研究团队系统探讨了常温热管（NTHP）技术与碟式聚光系统的耦合协同潜力。碟式聚光存在非均匀热流和温度适配问题（热流密度超过100W/cm2，集热器热面温度超1000℃），给集热的稳定运行带来极大挑战。团队提出以水为工质的NTHP，利用其特有的相变机制与毛细驱动循环，整合融入碟式集热系统中。系统具备快速一致的均匀启动特性，稳态下蒸发与冷凝段温差≤5℃，呈现近等温高效传热特性；同时能随热源或倾角变化自适应重构传热过程，有效调节非均匀热流，解决了聚光集热的适应性缺陷。
随着聚光比提高，集热器表面热流与温度急剧上升，内部工质饱和压力随之陡增。当工作温度超过180°C时，蒸汽压力可能超过1MPa，对热管承压能力构成严峻考验。此外，阵列排布中非均匀热流导致的温度—压力失配、户外长期运行的腐蚀老化以及工质杂质控制，仍是制约其规模化应用的关键瓶颈。为应对极端热流挑战，团队综述了新型常温热管的突破方向。在原理上，提出基于热压与相变耦合机制，其极限传热流密度达200W/cm2（等效聚光比达2000）。在结构上，提出将柔性、环形脉动、球冠异形及楔形等拓扑结构耦合的新型集热器，实现优异的自适应传热性能。同时辅以气凝胶高效隔热与增材制造精密成形，显著抑制热损失。更进一步，融合人工智能算法实施多目标拓扑优化，精确调控毛细芯孔隙率与微通道构型以平衡毛细力与渗透率；通过深度结合纳米流体工质与仿生结构，全面提升极端工况下的传热效率与运行可靠性。
该成果为常温热管与碟式聚光太阳能热系统的深度融合提供了系统的理论依据和技术路线，对推动太阳能热利用技术在供暖及工业余热回收等领域的大规模应用具有重要意义。
相关成果已发表在Engineered Science，本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFF0506501）的资金资助。
图1 集热系统关键瓶颈与热管聚光集热技术发展路径
图2 基于热管集热的碟式聚光太阳能系统