聚光光伏高能流密度不均勻傳熱的熱管散熱器設(shè)計與計算

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(xué)院 能源與環(huán)境工程學(xué)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(dǎo)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(xué)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(yīng)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(jìn)行研究，由于聚光電池?zé)岢翜囟确植嫉牟痪鶆蛐?，考慮到傳統(tǒng)熱管散熱的局限性，設(shè)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(jìn)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(shè)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(shè)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(shè)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(dǎo)致熱沉溫度分布也是中心處較高。因此，要求在設(shè)計熱管散熱器時，在主要的散熱區(qū)域應(yīng)集中在中心處。為了消融溫度分布不均勻性的影響，設(shè)計中采用均溫性較好的重力式熱管。設(shè)計的特殊熱管組設(shè)計尺寸如下圖3所示。

圖3 熱管組散熱器設(shè)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(dǎo)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(jìn)行特殊設(shè)計。

(1)在設(shè)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(dǎo)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(dá)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(jìn)行補(bǔ)充，保證熱管的正常工作。

(2)在頂部將熱管進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)充后，中間熱管的工質(zhì)較多，在蒸發(fā)后到達(dá)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(bǔ)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(yù)防攜帶極限的出現(xiàn)，當(dāng)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(dǎo)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(yùn)行。

3 熱管散熱器的數(shù)值模擬

設(shè)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(yīng)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(yùn)行工況提供直觀的認(rèn)識，從而為實(shí)際應(yīng)用的熱管散熱器的設(shè)計方案和布置形式等提供有效的分析依據(jù)。

3.1 特殊設(shè)計熱管組數(shù)值模擬

設(shè)計的熱管組將應(yīng)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(shè)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(yùn)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(jìn)行數(shù)值計算，并添加相應(yīng)的質(zhì)量和能量源項(xiàng)。通過FLUENT中的 UDF自定義:當(dāng)液相溫度大于333 K時，開始蒸發(fā);當(dāng)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(fù)壓運(yùn)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(dāng)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(shí)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(dāng)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(shè)計的熱管組可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的工質(zhì)進(jìn)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(yùn)動，在絕熱段與冷凝段處蒸汽的流速達(dá)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(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)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?jǐn)?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?jǐn)?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(yùn)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?jǐn)?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(bǔ)充，其液相體積分?jǐn)?shù)要較多。

圖10 熱管內(nèi)部液相體積分?jǐn)?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?jǐn)?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(yùn)行，不會出現(xiàn)干涸極限，若適當(dāng)提高壁面溫度時，熱管還能夠正常運(yùn)行。

3.2 特殊設(shè)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(shè)計中，對傳統(tǒng)熱管的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行比較，說明新型熱管的設(shè)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(shè)計的熱管來與普通熱管進(jìn)行對比說明，從模擬的設(shè)計熱管組的速度矢量圖9中看到，在設(shè)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(bǔ)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(guān)。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(dāng)充液量降到15%時，底部的液體幾乎不存在，因此，可以認(rèn)為該類尺寸的熱管的干涸極限為當(dāng)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(shè)計熱管組的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(yù)測其干涸極限。圖12與圖13分別為設(shè)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(dāng)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(shè)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(shè)計熱管與普通熱管的比較，發(fā)現(xiàn)設(shè)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(yù)防作用。

4 結(jié)論

熱管具有啟動迅速、均溫性好、導(dǎo)熱快、熱阻小、傳熱能力強(qiáng)等特性，在聚光光伏系統(tǒng)散熱系統(tǒng)的應(yīng)用也有所發(fā)展。本文通過設(shè)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(shí)現(xiàn)在高輻射能流密度下，設(shè)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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