李琦芬，李 濤，周致田，葉張波，潘翠翠，潘衛(wèi)國，朱群志

(上海電力學院 能源與環(huán)境工程學院，上海 200090)

0 引言

聚光太陽能系統(tǒng)，通過增加光伏電池組單位面積上輻射的能流密度，從而可以提高單位面積太陽電池的輸出功率。然而在聚光后，太陽能電池的溫度卻會急劇上升，同時產(chǎn)生溫度分布不均勻性，導致光伏發(fā)電效率下降[1～3]，可見溫度分布對于電池效率的影響頗大。另一方面，局部的光學聚焦會引起局部的溫度變化劇烈，對于電池安全使用、以及壽命造成影響，表現(xiàn)為受熱不均勻而引起的熱應力破壞[4～6]，以及不均勻溫差引起的結(jié)構(gòu)變形。因此研究在高輻射能流密度下太陽能電池板高效的、消融不均勻性的散熱方式、傳熱特性很有意義[7]。

本文通過理論數(shù)值計算的方法對聚光散熱系統(tǒng)傳熱特性進行研究，由于聚光電池熱沉溫度分布的不均勻性，考慮到傳統(tǒng)熱管散熱的局限性，設計了一種特殊結(jié)構(gòu)形式的熱管組以用于聚光電池散熱。通過對其進行數(shù)值計算，并將該型熱管與普通熱管的計算結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)該設計熱管組在高輻射能流密度的條件下，消融溫度的不均勻性將起到很好的效果。

1 研究采用的聚光光伏系統(tǒng)

本文采用EMCORE生產(chǎn)的聚光電池開展研究，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。并對采用該電池的聚光系統(tǒng) (如圖2所示)開展適用聚光光伏高能流密度不均勻傳熱的熱管散熱器設計與計算。

圖1 聚光電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Concentrator cell schematic diagram

圖2 單個聚光系統(tǒng)模型圖Fig.2 Single concentrator system model diagram

2 熱管散熱器的設計

如圖2所示，聚光系統(tǒng)中，電池中心處溫度比周圍要高些，導致熱沉溫度分布也是中心處較高。因此，要求在設計熱管散熱器時，在主要的散熱區(qū)域應集中在中心處。為了消融溫度分布不均勻性的影響，設計中采用均溫性較好的重力式熱管。設計的特殊熱管組設計尺寸如下圖3所示。

圖3 熱管組散熱器設計尺寸圖Fig.3 Heat pipe group radiator design size chart

為保證熱管與熱沉的接觸面積，因此在熱管蒸發(fā)段增加了導熱基板，以保證熱管與熱沉充分接觸。為減小接觸熱阻，可以將熱管上部分壓扁，增加熱管與基板的接觸面積，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基板與熱沉布置截面圖Fig.4 Substrate and heat sink arrangement of cross-section diagram

由于重力式熱管沒有吸液芯的作用，與傳統(tǒng)帶吸液芯的熱管相比就更容易出現(xiàn)工作極限，因此，本文對傳統(tǒng)的重力式熱管進行特殊設計。

(1)在設計的熱管底部，各個熱管間通過管子連通起來，主要是考慮到在電池中心處溫度較高，熱流密度較大，導致中間的那根熱管的工作的熱流密度要比兩邊的熱管要大，在充液量相同的情況下，在相對惡劣的工況下，中間熱管更容易達到干涸極限，通過連通以后，兩邊的熱管的工質(zhì)可以多中間熱管進行補充，保證熱管的正常工作。

(2)在頂部將熱管進行連接，主要是由于液池底部，兩邊熱管的工質(zhì)對中心處進行補充后，中間熱管的工質(zhì)較多，在蒸發(fā)后到達冷凝段，在壓力作用下，通過連接管將部分冷凝液回流到兩邊的熱管，以保證能夠連續(xù)補充。

(3)兩邊的熱管通過兩根回流管與熱管底部連接，主要作用預防攜帶極限的出現(xiàn)，當熱管出現(xiàn)攜帶極限時，由于蒸汽的剪切力作用，使得冷凝液不能通過熱管的壁面回流到蒸發(fā)段，導致傳熱的惡化，增加兩個回流管，可以使冷凝液通過回流管回流到熱管底部的液池，使液池能夠連續(xù)蒸發(fā)，保證熱管正常運行。

3 熱管散熱器的數(shù)值模擬

設計的熱管散熱器由于不同的部位做不同的處理后，其內(nèi)部的流動與傳熱效果也發(fā)生相應的轉(zhuǎn)變，用數(shù)值模擬來研究熱管內(nèi)部的流動和傳熱的情況，將為熱管的運行工況提供直觀的認識，從而為實際應用的熱管散熱器的設計方案和布置形式等提供有效的分析依據(jù)。

3.1 特殊設計熱管組數(shù)值模擬

設計的熱管組將應用于聚光光伏系統(tǒng)，為了比較在不同的傾角布置形式的條件下，設計方案的熱管組的傳熱特性，本文將通過兩種不同工況下的開展數(shù)值模擬。

工況一:熱管豎直布置

工況二:熱管按30°傾角布置，與某地區(qū)太陽能裝置安裝最佳傾角大致一致。

為保證對比性，壁面處的邊界條件統(tǒng)一采用定壁溫，中心處蒸發(fā)段的溫度為388 K(蒸發(fā)段溫度的選取參照作者計算出的熱沉的背面溫度)，兩邊管子蒸發(fā)段的溫度為383 K，冷凝段處的溫度為313 K，運行壓力采用蒸汽在60℃下的飽和壓力，考慮蒸汽密度隨溫度的變化以及重力的作用，采用 FLLUENT中 mixture模型進行數(shù)值計算，并添加相應的質(zhì)量和能量源項。通過FLUENT中的 UDF自定義:當液相溫度大于333 K時，開始蒸發(fā);當氣相溫度小于333 K時，開始冷凝。

數(shù)值計算分析結(jié)果如下:

(1)壓力場分布

圖5和圖6是分別在工況一、工況二下的壓力分布情況，熱管整體處于負壓運行的狀態(tài)，系統(tǒng)的內(nèi)部的壓力主要處決于飽和蒸汽的壓力，工況一下的壓降 Δp=151.1 Pa，工況二下的壓降Δp=30.4 Pa，即當傾角為30°時系統(tǒng)內(nèi)部的壓降較小，工質(zhì)的流動相對阻力要小，有利于液相的回流。在冷凝段的區(qū)域內(nèi)，取y=0.18 m，在這條直線上，回流管處的壓力要比中心管處的壓力要小，可以保證工質(zhì)從熱管向回流管流動，實現(xiàn)回流管的回流作用。

圖5 垂直布置熱管組壓力分布情況Fig.5 Vertically arranged heat pipe group pressure distribution

圖6 傾角30°熱管組壓力分布Fig.6 Pressure distribution of the angle of 30°heat pipe group

(2)溫度場分布

工況一、工況二的溫度分布分別如圖7和圖8所示，由圖中可以看出，在工況二的情況下，冷凝段壁面處的溫度要稍低，在蒸發(fā)段，蒸汽的溫度要稍高?？梢?，當充液量相同，傾角不同時，30°傾角布置方式的傳熱效果要好，即熱管帶有一定的傾角會具有更好的傳熱效果。在回流管處，30°傾角布置的回流液體溫度比工況一要低，可以保證冷凝液的回流。溫度分布顯示，設計的熱管組可以實現(xiàn)內(nèi)部的工質(zhì)進行蒸發(fā)冷凝的條件。

圖7 垂直布置熱管組溫度分布Fig.7 Temperature distribution of the vertically arranged heat pipe group

圖8 傾角30°熱管組溫度分布Fig.8 Temperature distribution of the angle of 30°heat pipe group

(3)速度矢量分布

熱管豎直布置情況下速度矢量分布如圖9所示，蒸汽受浮升力的作用往上運動，在絕熱段與冷凝段處蒸汽的流速達到最大值，最大流速為0.31 m/s，冷凝液沿著壁面向下流動，一直回流到熱管底部的液池區(qū)域。在汽液交界面上，蒸汽由于受到了剪切力作用，蒸汽流速停留在10－3的量級。

圖9 速度矢量分布圖Fig.9 Distribution of velocity vector

在壓力作用下，冷凝段頂部的部分冷凝液通過回流管向下流動，以補充液池，在熱管的底部，由于中心熱管的溫度較高，兩邊熱管的底部工質(zhì)對中心進行補充。熱管在傾角30°情況下速度矢量分布與豎直布置情況下相似。

(4)相分布情況

在重力式熱管內(nèi)部，由于沒有吸液芯的阻隔，蒸汽相和液相是混合在一起的，如圖10所示蒸汽相幾乎充滿了整個熱管的內(nèi)部。熱管在豎直布置和30°傾角布置情況下，其主要的分布情況相似，在蒸發(fā)段 (0～0.08 m)內(nèi)，水受溫度的作用發(fā)生相變，大部分都轉(zhuǎn)換為蒸汽，水的體積分數(shù)含量較低，在蒸發(fā)段的上側(cè)部分0．075≤y≤0．08時，水體積分數(shù)變化較大，這是由于冷凝液受重力作用回流到蒸發(fā)段繼續(xù)蒸發(fā)，保證熱管的連續(xù)運行;在冷凝段 (0.1～0.2 m)，是冷凝液形成的主要階段，冷凝液體積分數(shù)的最大值不是出現(xiàn)在冷凝段，而是出現(xiàn)在絕熱段 (0.08～0.1 m)，因此熱管絕熱段的一個作用可以保證冷凝液的大量形成，回流到蒸發(fā)段，保證工質(zhì)的循環(huán)流動。

圖11為液相在壁面處的液相分布情況，圖中center指的是中心處的熱管，side指的是邊上的熱管，在y＞0.025 m時，圖中熱管壁面處液相的分布趨勢大致相同，中心處由于工作溫度要高，液相蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為蒸汽，其液相分布相對要少些，在y＜0.025 m時，中心熱管底部液池處受到兩邊熱管的液池的補充，其液相體積分數(shù)要較多。

圖10 熱管內(nèi)部液相體積分數(shù)分布Fig.10 Heat pipe internal liquid volume fraction distribution

圖11 壁面處的液相分布Fig.11 Distribution of the liquid phase at the wall

在熱管底部，液相體積分數(shù)在0.5左右，說明還有一部分液態(tài)工質(zhì)沒有轉(zhuǎn)化為蒸汽，即表明熱管此種情況下能夠穩(wěn)定運行，不會出現(xiàn)干涸極限，若適當提高壁面溫度時，熱管還能夠正常運行。

3.2 特殊設計熱管與普通熱管的比較

針對傳統(tǒng)熱管存在著的攜帶極限和干涸極限，本文在熱管組的設計中，對傳統(tǒng)熱管的結(jié)構(gòu)進行改變，從而避免攜帶極限和干涸極限的發(fā)生，或減少促使其發(fā)生的因素。下面主要通過對普通與新型熱管的數(shù)值模擬的結(jié)果進行比較，說明新型熱管的設計可以對于熱管的一些極限具有改善的效果。

(1)攜帶極限

本文設計的熱管來與普通熱管進行對比說明，從模擬的設計熱管組的速度矢量圖9中看到，在設計熱管組中增加的回流管，能夠起到回流的作用，對液池起到補充的作用，對于防止攜帶極限的產(chǎn)生有很好的作用。

(2)干涸極限

干涸極限的發(fā)生主要和熱管內(nèi)部的充液量有關。作者對于普通熱管的不同的充液量做過計算比較，在充液量占熱管體積20%時，在液池底部的蒸發(fā)液已經(jīng)很少，當充液量降到15%時，底部的液體幾乎不存在，因此，可以認為該類尺寸的熱管的干涸極限為當充液量占熱管體積的15%左右。

圖12 15%充液量時液相分布Fig.12 Liquid distribution when liquid-filled amout is 15%

圖13 30%充液量時液相分布Fig.13 Liquid distribution when liquid-filled amout is 30%

在本文設計熱管組的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當熱管的充液量同樣為占熱管體積的20%時，在熱管的底部液池還存在著部分的液體沒有蒸發(fā)，如前面的圖10所示。通過減少該熱管組的充液量，數(shù)值計算來預測其干涸極限。圖12與圖13分別為設計熱管組在不同充液量情況下熱管底部的液相分布情況。當充液量減少時，熱管底部液池中液相的分布有明顯的減少，但總體來說還有很大一部分液體沒有蒸發(fā)，可以有效地防止干涸的發(fā)生，本文設計熱管組的干涸極限 (充液量可以減少)為充液量占熱管體積的10%以下。

通過將設計熱管與普通熱管的比較，發(fā)現(xiàn)設計熱管在攜帶極限和干涸極限方面的卻優(yōu)于普通的熱管，具有很好的預防作用。

4 結(jié)論

熱管具有啟動迅速、均溫性好、導熱快、熱阻小、傳熱能力強等特性，在聚光光伏系統(tǒng)散熱系統(tǒng)的應用也有所發(fā)展。本文通過設計的新型的熱管來提高傳熱效果，避免工作極限對熱管傳熱的影響，尋找合適的布置方式，以滿足聚光電池散熱的需要;實現(xiàn)在高輻射能流密度下，設計的熱管散熱器能夠消融溫度的不均勻性，提高聚光光伏系統(tǒng)的整體效率。

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