朱會元，張先鋒，劉 泉，劉明侯

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系，安徽合肥 230027;2.中電集團(tuán)第三十八研究所工程技術(shù)部，安徽合肥 230088)

HCPV用平板式環(huán)路熱管實驗研究

朱會元1，張先鋒2，劉 泉1，劉明侯1

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系，安徽合肥 230027;2.中電集團(tuán)第三十八研究所工程技術(shù)部，安徽合肥 230088)

設(shè)計了一種用于高倍聚光光伏太陽能電池(HCPV)散熱的混合燒結(jié)芯平板式環(huán)路熱管，并實驗研究了負(fù)荷、傾角、冷凝器參數(shù)等對熱管啟動和運行性能的影響.實驗表明，該熱管基本可滿足HCPV負(fù)荷及安裝角度要求，熱面溫度100 ℃內(nèi)的最大負(fù)荷可達(dá)320 W(熱流密度為40 W/cm2).蒸發(fā)器和儲液器、蒸發(fā)器和冷凝器相對位置對熱管性能影響很大.當(dāng)儲液器在蒸發(fā)器下方時啟動更容易；冷凝器在蒸發(fā)器上方時低負(fù)荷啟動溫度下降.可通過減少冷凝器內(nèi)冷卻水流量，提升熱管反重力運行的啟動能力.

高倍聚光光伏太陽能電池(HCPV);平板式環(huán)路熱管(FLHP);變負(fù)荷啟動運行;反重力;冷凝器

0 引言

高倍聚光光伏太陽能電池(high concentration photovoltaic，HCPV)表面的熱流密度可達(dá)35 W/cm2，而電池表面溫度每升高1 ℃輸出電量減小0.2%～0.5%[1].由于菲涅爾透鏡或拋物面反射鏡的聚光作用，HCPV因表面溫度不均勻而減短使用壽命.因此，為HCPV芯片配置良好的散熱均溫設(shè)備，對提高芯片效率、延長壽命有非常重要的作用.

與槽道和噴霧冷卻相比，熱管重量輕、均溫性能突出.Akbarzadeh等[2]、Anderson等[3]均嘗試將熱管用于HCPV換熱，但普通重力熱管受到換熱能力、空間、角度的多重制約.平板式環(huán)路熱管(flat loop heat pipe，F(xiàn)LHP)體積小、冷凝管路布置靈活，將能夠有效解決上述問題.魯祥友[4]制作熱面70*55 mm2的FLHP，冷凝管線采用自然風(fēng)冷時熱面溫度100 ℃內(nèi)的散熱能力為100 W(熱流密度為2.60 W/cm2).張先鋒[5]制作熱面100×36.5 mm2的FLHP，水套冷凝的最大散熱能力是130 W(3.56 W/cm2)，反重力效果良好但負(fù)荷不能滿足HCPV要求.

HCPV的運行條件復(fù)雜多變，而角度及冷凝段參數(shù)都會對熱管運行產(chǎn)生重要影響.Cheung等[6]認(rèn)為低于最低啟動負(fù)荷都不能讓熱管啟動.Singh等[7]的實驗表明低負(fù)荷啟動時間長，且蒸發(fā)器和冷凝器之間有較大溫差.張先鋒實驗中的最低啟動負(fù)荷為20 W.蓋東興等[8]從熱容的角度指出，從低負(fù)荷到高負(fù)荷和從高負(fù)荷到低負(fù)荷的變化過程在溫度波動情況上是不對稱的.Pastukhov等[9]、 Baumann等[10]、張偉寶[11]對反重力高度、冷凝器位置展開研究.張先鋒等[12]指出當(dāng)冷卻水溫度上升時，臨界熱負(fù)荷會下降.張紅星等[13]指出小負(fù)荷時可以忽略熱沉溫度的影響，對高負(fù)荷情況則沒有談及.Wang等[14]研究了冷凝器位置對啟動時間、啟動現(xiàn)象及運行溫度的影響，提出高熱流情況時可以通過延長冷凝器長度的方式來提高冷卻能力.

為滿足聚光光伏太陽能電池散熱要求，本文提出采用不均勻銅粉制作FLHP燒結(jié)芯，通過強(qiáng)化蒸發(fā)與毛細(xì)抽吸能力，提高FLHP散熱能力和低負(fù)荷啟動特性，并系統(tǒng)研究負(fù)荷、傾角、冷凝器參數(shù)對該熱管啟動和運行特性的影響，全面分析了該FLHP用于高倍聚光光伏太陽能電池均溫散熱的可行性，并為熱管啟動運行中出現(xiàn)的問題提出解決方法.

1 FLHP結(jié)構(gòu)及實驗系統(tǒng)

圖1為FLHP的結(jié)構(gòu)示意圖.該系統(tǒng)由儲液器、蒸發(fā)器、蒸汽管線、冷凝管線及液體管線等組成.蒸發(fā)器與儲液器一體化設(shè)計，便于從儲液器補(bǔ)充工質(zhì)；蒸發(fā)器和儲液器間多孔部分用于阻礙蒸汽逆向流動.蒸發(fā)器內(nèi)燒結(jié)多孔毛細(xì)芯作為環(huán)路熱管的動量源，蒸發(fā)器內(nèi)壁制作圓形溝槽作為蒸汽通道.蒸發(fā)器、儲液器和連接管線的材料均為銅.蒸發(fā)器厚度為8 mm，長度為55 mm，寬度為20 mm.混合吸液芯用不同目數(shù)的銅粉燒結(jié)而成.在蒸發(fā)端(箭頭1所指位置)用120目左右的銅粉燒結(jié)，與儲液器接觸段(箭頭2所指位置)用200目左右的銅粉燒結(jié).這樣的結(jié)構(gòu)在蒸發(fā)段增大了孔隙率，使得蒸發(fā)更加容易；與儲液器接觸段減小了孔隙率，提高了從儲液器到蒸發(fā)器毛細(xì)芯的毛細(xì)抽吸能力.蒸發(fā)芯表面平均分布了9根長40 mm、直徑1.2 mm的圓形蒸汽槽道.管線總長度為420 mm，內(nèi)徑外徑比為2.4 mm/3 mm.熱管內(nèi)工質(zhì)為水，充液率為55%左右.

圖1 FLHP結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖

圖2為實驗系統(tǒng)示意圖.采用水套式冷凝管線設(shè)計.水冷套長180 mm，用轉(zhuǎn)子流量計記錄冷凝器內(nèi)冷卻水流量，用恒溫水槽提供恒定溫度的冷卻水.采用電加熱模塊模擬熱源，熱面面積為20×40 mm2，熱面刻1 mm細(xì)槽埋放熱電偶，熱面和熱管接觸處涂抹導(dǎo)熱膠以減少接觸熱阻.布置7個OMEGA公司絲徑0.25 mm的標(biāo)準(zhǔn)T型熱電偶，其測量精度為±0.5 ℃，最大測量誤差為1.8%，具體位置如圖2所示.由于實際測量熱管工質(zhì)溫度存在困難，熱電偶均布置在熱管部件的外壁上.使用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀記錄溫度變化，記錄保存數(shù)據(jù)的時間間隔為3 s.根據(jù)熱電偶和加熱模塊的測試精度計算，系統(tǒng)熱阻的最大測量誤差為2.1%.熱管包裹厚度10 mm、導(dǎo)熱系數(shù)0.012～0.016 W·m-1·K-1的二氧化硅氣凝膠氈保溫層來減少跟環(huán)境的換熱.實驗過程中的環(huán)境溫度為23 ℃±1 ℃.

2 運行特性研究

研究運行特性時，熱管水平放置.冷凝器內(nèi)冷卻水流量為40 L/h，水溫15 ℃.熱面溫度100 ℃±2 ℃內(nèi)，負(fù)荷從 20 W開始每次增加20 W直到280 W，此時熱流密度為35 W/cm2.降低熱負(fù)荷時則每次減少40 W.

圖3 不同功率下FLHP的運行特性

圖4 不同負(fù)荷下FLHP的運行溫度

FLHP的運行溫度隨熱負(fù)荷增大不斷上升(圖3，4)，功率改變后熱管的響應(yīng)時間約為3 min.熱管在280 W(35 W/cm2)時的穩(wěn)定運行溫度約為94 ℃.功率超過160 W時，功率變大和變小過程中的運行溫度幾乎一致，而功率小于160 W時，升負(fù)荷的運行溫度略高于降負(fù)荷過程.冷凝器進(jìn)口溫度在低負(fù)荷運行時有少許波動，在大負(fù)荷運行時趨于平穩(wěn).冷凝器出口和儲液器進(jìn)口的溫度波動最大.其原因可能是氣液交界面隨著熱流和冷凝情況發(fā)生改變：熱管低負(fù)荷運行時，氣液交界面在冷凝器入口和蒸發(fā)器之間徘徊，冷凝器出口處為過冷液體；負(fù)荷增大后，氣液交界面沖到冷凝器出口，引起冷凝器出口溫度波動；待氣液交界面完全沖出冷凝器出口后，儲液器進(jìn)口溫度接近冷凝器出口溫度，此時熱管達(dá)到其冷凝極限，需提高冷凝器冷凝能力.

熱阻是衡量熱管熱輸運能力的重要因素.R=(Te-Tc)/Q，其中Q為輸入功率.對于系統(tǒng)熱阻，Tc是冷凝器進(jìn)出口冷卻水溫度平均值.由于系統(tǒng)熱阻受冷凝器中換熱方式及冷卻水溫度的影響巨大，并且總負(fù)荷不大時Tc僅略高于冷卻水溫度，所以考慮系統(tǒng)熱阻的意義并不大.在實驗中不考察系統(tǒng)熱阻而是關(guān)注熱管熱阻.對于熱管熱阻，Te為熱面溫度，Tc為熱管進(jìn)出冷凝器位置的平均溫度，即Tc=(T4+T5)/2.

實驗結(jié)果表明，熱管熱阻(圖5)隨負(fù)荷增大急劇下降.60 W時熱阻為0.35 ℃/W，180 W時降到0.13 ℃/W，260 W后熱阻近似0.1 ℃/W.進(jìn)一步提升冷凝裝置的性能將可以實現(xiàn)更好的熱輸運能力.

圖5 不同負(fù)荷下FLHP的熱阻

3 啟動負(fù)荷研究

熱管在低功率啟動會遇到啟動極限，所以考察本熱管在5 W(0.625 W/cm2)，10 W(1.25 W/cm2)和20 W(2.5 W/cm2)時的啟動特性，與80 W(10 W/cm2)時的啟動特性作對比.實驗過程中熱管水平放置，冷凝器內(nèi)冷卻水流量為40 L/h，水溫為15 ℃.

圖6為熱管不同功率下的啟動情況及其對應(yīng)的過熱度.熱管啟動至穩(wěn)定運行狀態(tài)要求毛細(xì)芯的兩側(cè)要有足夠的壓差克服回路壓力損失，根據(jù)Clausius-Clapeyon方程，該壓差對應(yīng)了毛細(xì)芯兩側(cè)的溫度差，定義該溫差為過熱度.由于無法直接獲得過熱度，取熱管熱面的溫度T1和儲液器下表面溫度T7之差近似表示.

對于水平放置的熱管，實驗結(jié)果表明當(dāng)功率為5 W便能啟動.經(jīng)過600 s后，過熱度有一個尖銳波動且冷凝器進(jìn)口溫度突然上升，說明有蒸汽進(jìn)入了冷凝器.少量蒸汽經(jīng)過冷凝器后變成少量冷凝液，不足以抵消蒸發(fā)器向儲液器的漏熱.漏熱導(dǎo)致了壓差的減小，蒸汽退回蒸發(fā)腔內(nèi).隨著蒸發(fā)器溫度的升高，工質(zhì)蒸發(fā)量增加，蒸汽槽道內(nèi)壓力增大，蒸汽再次涌入冷凝器.由于低熱流不足以維持蒸汽持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)入冷凝器，蒸汽反復(fù)從蒸發(fā)器沖出和向蒸發(fā)器退縮.3 000 s后熱管在40 ℃、振幅4 ℃波動下穩(wěn)定運行.冷凝器進(jìn)出口和儲液器進(jìn)口溫度波動的振幅在10 ℃左右.啟動功率變成10 W后，蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)量增加、壓力增大，更多蒸汽涌出，冷凝器進(jìn)出口溫度趨于平穩(wěn).功率為10 W和20 W啟動時的過熱度變化情況相似，穩(wěn)定運行過熱度均在3 ℃左右.10 W的啟動時間約為1 800 s，20 W啟動時間約縮短了一半.20 W的氣液交界面在冷凝器內(nèi)，蒸汽被充分冷卻，回流液有足夠的過冷消除漏熱.功率80 W、熱流密度10 W/cm2時，熱管在300 s迅速啟動，穩(wěn)定運行的過熱度在10 ℃左右.工質(zhì)流量增加后少量高速蒸汽沖出冷凝器，冷凝器出口和儲液器進(jìn)口溫度均出現(xiàn)5 ℃左右的波動.

4 反重力研究

環(huán)路熱管運行過程中毛細(xì)芯兩側(cè)的壓差需克服的總壓損如下：

ΔP=ΔPw+ΔPv+ΔPc+ΔPv l+ΔPcl+ΔPll+ΔPg

(1)

式中，ΔPw為儲液器中壓損；ΔPv為蒸發(fā)器蒸汽槽道壓損；ΔPc為蒸發(fā)芯壓損；ΔPvl為蒸汽管線壓損；ΔPcl為在冷凝管線的壓損；ΔPll為液體管線壓力損；ΔPg為由重力壓損.

圖7為熱管反重力運行的兩種情況.方案1如圖7(a)所示，熱管和冷凝器均與水平面呈一定角度，這將改變熱管內(nèi)儲液器和蒸發(fā)器間的氣液分布，并對整個外環(huán)路產(chǎn)生影響.由于蒸汽管線中蒸汽速度非?？?，可以忽略蒸汽管線的影響.回流冷凝液速度緩慢，需同時克服冷凝管路和液體回流管路的重力高度.方案2如圖7(b)所示，熱管水平，改變與冷凝器的相對高度，此時熱管內(nèi)蒸發(fā)器和儲液器間的氣液分布不發(fā)生改變，冷凝液需克服液體管線的重力影響.

圖6 不同熱負(fù)荷時熱管啟動情況(左)及對應(yīng)過熱度(右)

圖7 熱管反重力運行示意圖

圖8 熱管的啟動運行狀況(方案1)

對于方案1，實驗中分別測試熱管在-90°，-45°，45°，90°傾角時不同功率的啟動和運行狀況(圖8).測試過程中冷凝器內(nèi)冷卻水流量為40 L/h，水溫為15 ℃.實驗發(fā)現(xiàn)熱管在大于0°時容易啟動和穩(wěn)定運行，-45°和-90°時最低啟動功率為60 W(5 W/cm2).對比-90°，-45°，45°，90° 4個位置60 W啟動和運行的情形可見，45°，90°的啟動過程非常平穩(wěn)，-45°和-90°的啟動過程各處溫度大幅波動.角度越小啟動難度越大，運行溫度越高.大于0°(蒸發(fā)器在上而儲液器在下)時，由于重力作用儲液器內(nèi)的液體質(zhì)量增加，增加了儲液器熱容，有效減小了蒸發(fā)器向儲液器的漏熱，從而更易于啟動.同時冷凝液由于重力作用更易回流.反之，小于0°時，冷凝液要克服重力壓損回流，啟動困難，需要更大的過熱度.

圖9 熱管的啟動運行狀況(方案2)

對于如圖7(b)的方案2，分別測試熱管在-45°和45°傾角時不同功率的啟動和運行狀況(圖9).測試過程中冷凝器內(nèi)冷卻水流量為40 L/h，水溫為15 ℃.從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，20 W啟動，45°傾角的運行溫度是38 ℃左右；-45°傾角的運行溫度超過了50 ℃，且有2 ℃左右的波動，冷凝器出口有超過10 ℃波動.40 W啟動時，-45°傾角的運行溫度在46 ℃左右，達(dá)到穩(wěn)定運行的時間為480 s；45°傾角的運行溫度在40 ℃左右，達(dá)到穩(wěn)定運行的時間為350 s.60 W啟動，兩者的運行溫差5 ℃內(nèi).冷凝器位于蒸發(fā)器水平高度上方比位于下方啟動時間更短，啟動和運行溫度更低，原因是忽略對蒸汽管線高速蒸汽的影響，冷凝器在上方時冷凝液在重力作用下更容易回流.比較圖8和圖9發(fā)現(xiàn)，隨著功率增大，這種冷凝器和蒸發(fā)器相對位置帶來的啟動和運行差別將減小.

5 冷凝器參數(shù)研究

圖10 方案1、-45°變流量熱管的啟動情況

圖11 冷卻水溫度15 ℃和5 ℃時的啟動運行情況

改變冷卻水溫度和流速會影響冷凝器的換熱能力，從而改變冷凝管線內(nèi)工質(zhì)的流動狀態(tài).圖10給出了熱管在按方案1擺放、-45°傾角、負(fù)荷40 W時的啟動情況.實驗時，冷卻水溫度15 ℃不變，流量分別為40 L/h和10 L/h.經(jīng)測試流量減小后最低啟動負(fù)荷從60 W降到40 W.流量為40 L/h時，溫度升高到80 ℃仍沒有啟動現(xiàn)象，并且有少量蒸汽逆向流出儲液器，流量減小到10 L/h后240 s 50 ℃左右熱管啟動.-45°時熱管內(nèi)的冷凝液不能克服冷凝器和液體管道的重力壓損，此時適當(dāng)減少冷凝器中冷卻水流量，降低冷凝能力，使未能完全冷卻的高速蒸汽攜帶冷凝液回流到儲液器中抵消熱漏，從而發(fā)生啟動.

熱管在大負(fù)荷下運行時冷凝極限將成為其制約.熱管水平放置，圖11中左圖和右圖分別是負(fù)荷280 W時，水溫在15 ℃和5 ℃時的啟動運行工況.水溫降低后，運行溫度從94 ℃降到89 ℃.

圖12參考圖11中的工況，即水溫5 ℃、流量40 L/h， 探索熱面溫度在100 ℃內(nèi)時的最大負(fù)荷情況.實驗結(jié)果表明，最大負(fù)荷可達(dá)320 W，此時的熱流密度為40 W/cm2.冷凝器器內(nèi)換熱能力制約了熱管使用負(fù)荷的進(jìn)一步提升.目前實驗使用的熱管冷凝管線為光管，如果在管線上旋轉(zhuǎn)翅片，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)換熱，其關(guān)鍵是找到易于制造且價格低廉的工藝.加長冷凝管線增加換熱面積的同時造成流動損失，所以其影響還有待研究.

圖12 冷卻水溫度5 ℃時熱面100 ℃內(nèi)的最大負(fù)荷

6 結(jié)論

為滿足HCPV的散熱需求，本文設(shè)計了混合燒結(jié)芯平板式環(huán)路熱管，并系統(tǒng)研究了負(fù)荷、傾角、冷凝器參數(shù)對該熱管啟動運行的影響.研究結(jié)果表明：

(Ⅰ) 熱管水平放置時，功率從10 W到280 W之間能穩(wěn)定運行，負(fù)荷調(diào)整后從響應(yīng)到穩(wěn)定的時間不超過3 min.負(fù)荷280 W、熱流密度35 W/cm2時的熱阻約為0.1 ℃/W，熱輸運性能良好.最低啟動負(fù)荷為5 W，最低穩(wěn)定運行負(fù)荷為10 W，混合燒結(jié)芯設(shè)計使得熱管低負(fù)荷下的啟動性能良好.

(Ⅱ) 蒸發(fā)器和儲液器相對位置發(fā)生改變帶來的影響最大，冷凝器相對高度發(fā)生改變時影響較小.蒸發(fā)器位置在儲液器下方時，壓損最大，啟動最慢，穩(wěn)定運行溫度最高；冷凝器相對位置在蒸發(fā)器和儲液器上方時，啟動溫度最低，但隨著負(fù)荷增大，冷凝器相對位置對熱管運行的影響逐漸減小.

(Ⅲ) 低負(fù)荷啟動時，通過減少冷凝器內(nèi)冷卻水流量，可提升熱管反重力運行的啟動能力.但為了防止蒸發(fā)器燒干現(xiàn)象提前到來，啟動后遇到大負(fù)荷情況時，需增加冷凝器內(nèi)冷卻水流量.

References)

[1] He W, Chow T T, Ji J, et al. Hybrid photo-voltaic and thermal solar-collector designed for natural circulation of water [J]. Applied Energy, 2006, 83: 199-220.

[2] Akbarzadeh A, Wadowski T. Heat pipe-based cooling systems for photovoltaic cells under concentrated solar radiation[J]. Applied Thermal Engineering, 1996, 16: 81-87.

[3] Anderson W G, Dussinger P M, Sarraf D B, et al. Heat pipe cooling of concentrating photovoltaic cells[C]//Proceedings of the 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, PVSC’08. Piscataway: IEEE Press, 2008: 1-6.

[4] Lu X Y，Hua Z Z, Liu M J，et al. Analysis of heat transfer of loop heat pipe used to cool high power LED[J]. Sci China Ser E-Tech Sci, 2009, 52(12):3 527-3 532.

魯詳友, 華澤釗, 劉美靜, 等. 大功率LED冷卻用回路熱管傳熱性能分析[J]. 中國科學(xué)E輯:技術(shù)科學(xué), 2009, 39(12):1 944-1 948.

[5] Zhang Xianfeng. Experimental investigation on the performance of loop heat pipe with flat evaporator[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2012, 31(6):1 200-1 205.

張先鋒. 平板式環(huán)路熱管性能的實驗[J]. 化工進(jìn)展, 2012, 31(6):1 200-1 205.

[6] Cheung K H, Hoang T, Ku J, et al. Thermal performance and operational characteristics of loop heat pipe (NRL LHP)[R]. Society of Automotive Engineers, 1998: 981813.

[7] Singh R, Akbarzadeh A, Mochizuki M. Operational characteristics of a miniature loop heat pipe with flat evaporator [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2008, 47: 1 504-1 515.

[8] Gai Dongxing, Liu Zhichun, Liu Wei, et al. Characteristics of temperature oscillation in miniature loop heat pipe with flat evaporator[J]. CIESC Journal, 2009, 60(6): 1 390-1 397.

蓋東興, 劉志春, 劉 偉, 等. 平板型小型環(huán)路熱管的溫度波動特性[J]. 化工學(xué)報, 2009, 60(6): 1 390-1 397.

[9] Pastukhov V G, Maidanik Yu F, Vershinin C V, et al. Miniature loop heat pipes for electronics cooling [J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23: 1 125-1 135.

[10] Baumann J, Cullimore B, Yendier B, et al. Non-condensable gas, mass, and adverse tilt effects on the start-up of loop heat pipes[R]. Society of Automotive Engineers, 1999: 1999-01-2048.

[11] Zhang Weibao. Study on Heat Transfer Performance of LHP [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2010.

張偉寶. 環(huán)路熱管的熱輸送性能研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué), 2010.

[12 ] Zhang X, Huo J, Wang S. Experimental investigation on temperature oscillation in a miniature loop heat pipe with flat evaporator[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2012, 37: 29-36.

[13] Zhang Hongxing, Lin Guiping, Ding Ting, et al. Experimental investigation on start-up performance of loop heat pipes[J]. SCIENCE IN CHINA Ser. E Engineering & Materials Science, 2005, 35(1):17-30.

張紅星, 林貴平, 丁汀,等. 環(huán)路熱管啟動特性的實驗研究[J]. 中國科學(xué)E輯: 工程科學(xué), 材料科學(xué), 2005, 35(1):17-30.

[14] Wang S, Huo J, Zhang X, et al. Experimental study on operating parameters of miniature loop heat pipe with flat evaporator [J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 40: 318-325.

Experimental study on flat loop heat pipes used in HCPV systems

ZHU Huiyuan1, ZHANG Xianfeng2, LIU Quan1, LIU Minghou1

(1.Department of Thermal Science and Energy Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China;2.China Electronics Technology Group Corporation No. 38 Research Institute, Hefei 230088, China)

A flat loop heat pipe (FLHP) with a mixed sintered wick was designed for cooling off high concentration photovoltaic (HCPV) solar cells. The effect of heat load, inclination angle and condenser parameters on the start-up and operating performance of the heat pipe was experimentally studied. It was found that the heat pipe can basically meet the needs of HCPV cooling both in heat load and installation angle requirements. The maximum heat load is up to 320 W (40 W/cm2) when the temperature of the heating surface is under 100 ℃. Relative positions between evaporator and accumulator, evaporator and condenser have important influences on the start-up and operating performance of the heat pipe. The pipe may start more easily when the compensation chamber is under the evaporator. The start-up temperature of low heat load drops when the condenser is placed above the evaporator. The capability of anti-gravity start-up performance of the heat pipe can be improved by reducing the flow rate of cooling water in the condenser.

high concentration photovoltaic (HCPV); flat loop heat pipe (FLHP); start-up and operating performance with different heat loads; anti-gravity capability; condenser

0253-2778(2013)05-0393-09

TK172.4

A

10.3969/j.issn.0253-2778.2013.05.007

Zhu Huiyuan, Zhang Xianfeng, Liu Quan, et al. Experimental study on flat loop heat pipes used in HCPV systems[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2013,43(5):393-401.

朱會元，張先鋒，劉泉，等. HCPV用平板式環(huán)路熱管實驗研究[J]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2013,43(5):393-401.

2013-01-15；

2013-03-26

國家自然科學(xué)基金(11172296)資助.

朱會元，女，1989年生，碩士. 研究方向：強(qiáng)化傳熱. E-mail: huiyuanz@mail.ustc.edu.cn

劉明侯，博士/教授. E-mail: mhliu@ustc.edu.cn