太阳能集热器通常从顶部受光，但这种方式容易让上层流体保持高温、下层流体保持低温，形成稳定的温度分层，削弱垂向混合。研究表明，通过底部入射可利用浮力主动搅动流体，且当它与直接体积吸收结合时，能把热量分布得更均匀，并减少局部高温带来的损失。在相同数值工况下，把太阳辐射改为从底部入射，可使直接吸收式集热器（DASC）和表面吸收式集热器（SASC）的光热转换效率分别提高10.71 和5.61 个百分点。
论文发表于 Renewable Energy 276 2026 126292
为什么要让太阳光从底部入射表面吸收式太阳能集热器通过高吸收率表面接收太阳辐射，再把热量传给流动工质。直接吸收式太阳能集热器则让具有光学吸收能力的纳米流体直接吸收辐射，在流体内部形成体积热源，从而减少中间传热环节和表面热损失。但无论采用哪种吸收方式，顶部受热都会使较轻的热流体位于较重的冷流体上方，形成热稳定分层。若改为底部受热，下层流体升温、密度降低并向上运动，上层冷流体随之下沉，由浮力驱动的自然对流便可增强上下层之间的换热。研究给出了如下实现方案：四个倾角为 45° 的高反射率镜面将太阳光重定向，光线经过两次反射后从透明底窗进入集热器，而装置通过太阳跟踪保持入射方向。
图 1 底部入射加热的光路实现方案
四种构型比较：研究采用有限体积法建立二维光-热-流耦合模型，把吸收方式和入射方向交叉组合为四种构型：顶部入射与底部入射的表面吸收式集热器，以及顶部入射与底部入射的直接吸收式集热器。四种构型采用相同的入口质量流量、集热器长度和通道高度，再比较出口温度、光热转换效率和温度场均匀性。
在基准工况下，表面吸收式集热器从顶部入射改为底部入射后，出口温度由 303.35 K 升至 304.42 K，效率由 53.29% 升至 58.90%；直接吸收式集热器的出口温度由 304.06 K 升至 306.12 K，效率由 57.03% 升至 67.74%。综合两种机制的底部入射直接吸收式构型表现最好，其效率相对传统顶部入射表面吸收式构型提高 27.11%。
图 3 四种构型的出口温度和光热转换效率
温度云图进一步解释了效率差异。顶部入射时，高温集中在受光边界附近；底部入射时，浮力诱导的循环把热量带向整个流道。直接体积吸收又把能量沉积从单一表面扩展到流体内部，两种作用叠加后，温度场更均匀，局部过热以及对流和辐射损失随之降低。
图 4 四种构型的温度场分布
展望：这项工作把底部入射从静态工质扩展到流动集热器，说明借助浮力重组传热路径，在动态工况下仍能提高效率。因此，除了提高材料自身的吸收能力，还可以通过改变光的入射位置来改善流体内部的热输运。目前结论基于二维稳态数值模型，工程化仍需考虑两次镜面反射造成的光学损失，以及反射器制造、光路对准、积尘维护和局部热应力等因素。
论文信息
期刊：Renewable Energy 276 2026 126292
DOI： https://doi.org/10.1016/j.renene.2026.126292
题目：Comparative study of bottom- and top-incidence heating strategies in flowing surface and direct absorption solar collectors
作者：Panpan Qiao, Caiyan Qin*, Chi-lok Andy Tai, Mingming Zhang, Yaning Zhang, Xiaohu Wu
联系邮箱：qincaiyan@hit.edu.cn
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