热管式太阳能集热器专利技术综述

摘 要：热管式太阳能集热器具有集热效率高、可防止炸管漏水等优势，已经被广泛地应用。本文采用专利分析方法，梳理了热管式太阳能集热器的技术演进路线，并从国内外专利申请数量、主要申请人等方面剖析了国内外相关技术的发展概况。得出了我国太阳能相关企业应重视提升创新能力、加强专利布局的建议。

关键词：太阳能；集热器；热管；专利分析

1 引言

随着21 世纪能源供应愈发紧缺，同时煤、石油等化石能源的不断使用对环境造成的污染，太阳能作为一种清洁、高效的新能源逐渐成为人们关注的焦点。太阳能集热是目前最成熟、应用最广泛的太阳能利用方式。而普通的真空管式太阳能集热器普遍存在集热效率不高、易结垢、易炸管漏水等问题，为解决这一系列问题，热管式太阳能集热器得到了广泛的使用。因此，针对性地分析热管式太阳能集热器领域的专利状况具有重要的意义。笔者通过文献计量分析的方法，对检索数据进行深入分析。其中检索数据是通过中国发明专利数据库以及德温特世界专利索引检索得出，检索时间区间为2015年以前（含2015年）。

2 技术构成

热管式太阳能集热器是太阳能集热器的一种，通过高吸收率的太阳选择性吸收膜将太阳辐射能转化为热能传至内置热管，迅速将热管蒸发端内的少量工质汽化，被汽化的工质上升到热管冷凝端，使冷凝端快速升温，集热器联集管上的导热块（或导热套管）吸收冷凝端的热量加热联集管内流体。常见的热管式太阳能集热器主要分为热管平板式太阳能集热器、热管真空管式太阳能集热器、分离热管真空管式太阳能集热器和聚光型热管式真空太阳能集热器四类。

3 国内外热管式太阳能集热器专利技术演进

3.1 国内专利技术演进

国内第一份热管式太阳能集热器申请由北京太阳能研究所于1987年提出，公开号为CN87205530U，其公开了一种平板热管式太阳能集热器，通过在平板型集热器中填充液态工质，经太阳照射之后，液态工质吸热相变后与水箱中的水进行换热。但是平板热管式集热器由于其集热效率偏低，同时保温效果不显著，因此北京市工业技术开发中心于1990年提出了一份“热管式真空管太阳能集热装置”的专利申请（CN2061675U），它是将真空管与热管相结合，由于内管和外管之间抽真空，大大降低了热辐射，同时还有效避免炸管导致漏水。同时，廖少葆也于1990年提出了“太阳能聚光集热组合单元体”，该真空管具有内聚光单元，能有效提高真空管的集热效率。1992年赵贵也提出了另一种在热管式真空管外设置聚光单元，用来提高真空管的集热效率。1993年山东省科学院能源研究所申请了一份名为“组合式热管太阳能热水器”的实用新型（CN2167328），该实用新型将热管的蒸发段和冷凝段分别分开设置于集热器和水箱中，避免了水箱接口太多，不易密封的问题。

接下来，国内开始对这些不同的热管式太阳能集热器进行研究和改进，以提高集热器的集热性能。2001年杨国富申请了“太阳能镜反射复合抛物聚光器”（CN2516904Y），该专利申请中杨国富提出使用CPC（复合抛物面）型聚光器进行聚光，由于这种聚光器有较大的接收角，在运行时不需要连续跟踪太阳，因此使得聚光型太阳能集热器的实用性大大提高。

2003年浙江大学申请了“蜂窝热管平板式太阳能集热器”（CN2583568Y），这种集热器是一种平板式集热器，它在透明盖板和吸热板之间设置有蜂窝夹层，在热管内设有液相工作介质，由于使用了热管技术和蜂窝技术，使得集热性能和保温性能得到明显改善。

2007年华北电力大学申请了“一种用振荡流热管做吸热内管的太阳能真空玻璃集热管”（CN101021365A），通过使用振荡流热管，增加了吸热面积，并提高了集热效率。2011年上海海事大学申请了“一种平板热管式纳米流体太阳能集热器”（CN 102434981A），其中申请人提出利用纳米流体的热运输性能、较强的导热和对流能力以及特殊的光收集能力，达到提高集热器热效率的目的。

3.2 国外专利技术演进

国外关于热管式太阳能集热器的研究比较早，并且技术发展的速度也比较快，1972年Nikolaus Laing发明了世界上第一个平板热管式太阳能集热器（DE2265240A），其利用重力式热管吸收太阳能并将热量传递给水箱中的水；1974年Harold Weinstein对热管式太阳能集热器进行改进，并在热管下方设置一个外置的聚光器，以提高热管的集热效率；1975年Francis P. Fehlner通过将热管设置在外玻璃管中，并将内外管之间抽成真空，有效降低了热管使用过程中的热辐射，大大提高了集热器的集热效率；1976年美国飞利浦公司通过在真空集热管内设置聚光器，不仅有效减小了集热器的体积，同时还使得集热器的集热效果得以提高；1977年William Anthony Harper首次提出了分体式热管集热器，这使得热管集热器的使用更能适应其使用的环境；1980年John Millar为了使内聚光式热管集热器的集光角度更广，使用了复合抛物面形式的聚光器。从国外热管式太阳能集热器技术演可以看出，国外在这一领域的技术发展速度较快，用了不到10年就已经研制出了各种形式的热管式太阳能集热器。

4 热管式太阳能集热器产业的专利申请总体概况

4.1专利申请趋势

如图3所示，上世纪70年代，西方国家注意到传统的真空管式太阳能集热器存在集热效率低、易炸管漏水等缺陷，于是催生了热管式太阳能集热器的研究，并于1972年出现了第一份以热管式太阳能集热器的专利申请（DE2265240A），其利用重力式热管吸收太阳能并将热量传递至水箱中。而中国的专利制度起步较晚，直到1986年才有了第一份涉及热管式太阳能集热器的专利申请。从上世纪70年代一直到上世纪末，全球的专利申请量相对比较稳定，增长速度较小，2000年以后专利申请量开始快速增长，直到2006年更是呈现出爆发式的增长，其中中国申请的增长更为迅速，并且自2000年以来，中国关于热管式太阳能集热器的专利申请量一直占据全球申请总量的75%左右。这主要是由于进入21世纪以后，化石能源的开采与利用对环境的影响日益突出，世界各国都开始大力扶持太阳能产业，并给予了法律和政策的支持。

如图4所示我国关于热管式太阳能集热器领域的专利申请比其他国家要多的多，但是需要注意的是热管式太阳能集热器的研究起源于西方国家，国内仅仅从上世纪80年代才逐渐引进这项技术，直到2000年以后才以较快的速度发展。然而，我国热管式太阳能集热器领域专利的质量和创新水平却不容乐观，国内的专利申请多以实用新型为主，而国外的专利申请几乎全是发明专利，虽然数量不多，但技术含量高，往往是该领域中最关键的技术。

4.2 国内专利申请分析

从图6中可以看出，我国这一领域的主要申请人是个人，其中个人申请量占了57%，这与热管式太阳能集热器贴近人们的生活相关，许多家庭都拥有太阳能热水器，在使用的过程中或多或少会出现一些问题，这些问题的出现就促使大量的个人关注该技术的发展。但是值得注意的是，虽然高校和研究所的申请量相对于国内总申请量的占比很低，但是推动这项技术进步的还是高校和研究所。

从图7中可以看出国内申请人分布相对集中，主要集中在江苏、山东、北京、浙江等经济发达地区。这四个地区的专利申请量占据我国热管式太阳能集热器专利申请总量的56.4%。此外上海、安徽、广东等地也申请了较多的相关专利。可见，国内关于这一领域的发展呈现与区域经济相关。

5 结语

太阳能作为一种可再生的绿色能源而倍受关注。而我国的太阳能产业相对于西方国家起步较晚。因此，我国的太阳能企业及研究机构应当着眼于学习和合作，抓住当前国家对太阳能产业的扶持以及“大众创业、万众创新”的大环境，加强对核心技术的研发、提升专利申请质量、做好相关专利布局，在立足国内市场的基础上，为打入国际市场做好充分的准备。

参考文献

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