hcpv用平板式小型環(huán)路熱管性能實驗

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1、中國工程熱物理學會傳熱傳質(zhì)學學術(shù)會議論文編號：133015HCPV用平板式小型環(huán)路熱管性能實驗劉泉1，張先鋒2，朱會元1，劉明侯1,*1中國科學技術(shù)大學熱科學和能源工程系，合肥2300272中電集團第三十八研究所工程技術(shù)部，合肥230088(Tel:0551-63603127*Email:mhliu@ustc.edu.cn)摘要：設(shè)計了一種可用于高倍聚光光伏太陽能電池散熱的混合燒結(jié)芯平板式環(huán)路熱管，并實驗研究負荷、冷凝器位置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負荷及安裝要求

2、，負荷從20W到280W（35W/cm2）環(huán)路熱管均正常啟動運行，最高熱面溫度約94℃，發(fā)電效率降幅低于30%。冷凝器在蒸發(fā)器上方時啟動時間更短，啟動和運行溫度更低，而蒸發(fā)器和冷凝器的水平方向相對位置對熱管總體散熱性能影響不大。關(guān)鍵詞：HCPV；FLHP；運行特性；冷凝器位置0前言高倍聚光光伏太陽能電池（HighConcentrationPhotovoltaic，HCPV）是目前一種新興的太陽能發(fā)電裝置，其表面的熱流密度可達35W/cm2，若散熱不足將很容易導致電池表面溫度過高，He[1]指出光伏電池

3、表面溫度每升高1℃輸出電量將減小0.2%-0.5%，并且由于菲涅爾透鏡或拋物面反射鏡的聚光作用，將引起HCPV表面溫度不均勻而減短使用壽命。因此，為HCPV配置性能良好的散熱均溫裝置，對提高光伏效率、延長壽命有非常重要的作用。與微槽道等傳統(tǒng)散熱裝置相比，熱管具有重量輕、均溫性能突出等優(yōu)點，并且熱管沒有任何運動部件，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性。A.Akbarzadeh[2]、W.G.Anderson[3]等人均嘗試將普通重力熱管用于HCPV換熱，但受到換熱能力、空間、角度的多重制約，難以發(fā)揮其獨特優(yōu)勢。

4、Maydanik[4]提出一種新型高效的兩相傳熱裝置—環(huán)路熱管，它基于分體式熱管發(fā)展而來，具有傳統(tǒng)熱管最主要的傳熱優(yōu)勢如熱阻低、傳熱效率高、均溫性好等，并且能在小溫差、長距離條件下傳輸大量熱量。特別是平板式小型環(huán)路熱管(FlatMiniatureLoopHeatpipe，F(xiàn)MLHP)其平直的蒸發(fā)器表面能夠與發(fā)熱芯片良好接觸，接觸熱阻很小，而且相比起傳統(tǒng)的圓柱型環(huán)路熱管，其蒸發(fā)器厚度大大縮小，一般小于10mm，更有利于應(yīng)用在散熱面積小空間角度多變的HCPV上。另外，與傳統(tǒng)圓柱型LHP相比，平板型蒸發(fā)器內(nèi)

5、溫度梯度和工質(zhì)流動的速度矢量夾角較小，從場協(xié)同強化傳熱角度看，平板型LHP比傳統(tǒng)圓柱型LHP更有優(yōu)勢[5]。因此選用FMLHP作為HCPV的冷卻系統(tǒng)，可以靈活的布置冷凝段，強化HCPV散熱，能夠有效解決上述傳統(tǒng)熱管遇到的問題。近年來，國內(nèi)外均開展了大量的LHP實驗與理論研究。張先鋒[6]制作蒸發(fā)器為100×36.5mm2的FLHP，最小啟動功率20W，且各種擺放方式下均能啟動，其最大散熱能力為130W（3.56W/cm2），實驗顯示FLHP運行性能良好但最大負荷不能滿足HCPV要求。HCPV的運行條件

6、復雜多變并且所處角度及冷凝段參數(shù)都會對熱管運行產(chǎn)生重要影響。莫東傳[7]將平板型環(huán)路熱管應(yīng)用于大功率LED的散熱，通過實驗研究了加熱位置、放置方式和熱負荷對啟動特性的影響，指出蒸發(fā)器內(nèi)的汽液分布影響著從蒸發(fā)器到補償器的熱泄漏，進而導致了熱管運行過程中的震蕩性。蓋東興[8]指出蒸發(fā)器的背向?qū)岷突亓鞯睦淠后w共同作用造成了氣液兩相的不穩(wěn)定性，從而導致整個系統(tǒng)的溫度波動，并從熱容的角度出發(fā)，說明了從低負荷到高負荷和從高負荷到低負荷的變化過程在溫度波動情況上是不對稱的。對于負荷增大后的儲液池溫度波動，Nik

7、itkin[9]提出環(huán)路熱管在高熱流密度時入會遇到ColdShock現(xiàn)象，即從冷凝器出來的冷流體快速的流向高溫的儲液池，導致了LHP中流體的正常工作過程的中斷。ColdShock現(xiàn)象會產(chǎn)生蒸發(fā)器和儲液池之間無規(guī)律性的溫度震蕩。Wan[10]設(shè)計的小型LHP，著重考慮了冷凝器對LHP散熱性能的影響，并用有限元法分析對其冷凝器中的肋片進行了全面的最優(yōu)化設(shè)計，該LHP能在較低功率下啟動，但對儲液器和蒸發(fā)器相對位置的影響也考慮不足。為滿足高倍聚光光伏太陽能電池散熱要求，本文制作的FLHP，采用不均勻銅粉燒結(jié)芯

8、，通過強化蒸發(fā)與毛細抽吸能力，以提高FLHP散熱能力和低負荷啟動特性，并系統(tǒng)研究負荷、傾角、冷凝器參數(shù)及位置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。1FLHP結(jié)構(gòu)及實驗系統(tǒng)圖1FLHP結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1SketchofFlatLoopHeatPipe圖1為FLHP的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)包括儲液器、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，便于從儲液器補充工質(zhì)；蒸發(fā)器和儲液器