用于太陽能光伏散熱器的熱虹吸管的設(shè)計

崔 堯，王吉翔，張彥琦，湯 濤，胡遠濤

(上海上電電力工程有限公司，上海 200090)

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用于太陽能光伏散熱器的熱虹吸管的設(shè)計

崔 堯，王吉翔，張彥琦，湯 濤，胡遠濤

(上海上電電力工程有限公司，上海 200090)

太陽能聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)中電池溫度過高會導致發(fā)電效率降低，對太陽能電池進行有效的冷卻已經(jīng)成為聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)保證發(fā)電效率和安全運行的關(guān)鍵技術(shù)。介紹了采用兩相閉式熱虹吸管散熱器(熱管)的方式。根據(jù)已知參數(shù)設(shè)計一個熱虹吸管，并做強度校核，保證在極限內(nèi)熱虹吸管可以正常的工作，并選取水作為工作介質(zhì)。通過實驗對熱虹吸管的實際工作性能進行分析，得出提高熱虹吸管工作效能的結(jié)論。

太陽能光伏系統(tǒng)；散熱器；熱虹吸管

太陽能光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低，一般為6%～15%。太陽能電池開路電壓隨溫度升高而減少，短路電流隨溫度升高而升高。太陽能電池工作溫度升高1℃，效率下降0.35%～0.45%，在20℃工作的太陽能電池的輸出功率要比在70℃工作時高20%，可見溫度影響很大。

地面硅太陽電池一般安全工作在-40～+85℃，由于聚光光伏電池工作于高光強、大電流下，其工作溫度的升高會使電池性能顯著下降，甚至燒毀，因此太陽電池的溫度特性和光電特性研究和控制非常重要。

常用的太陽能電池冷卻方式包括傳統(tǒng)的冷卻方式如空冷、水冷；新型的冷卻技術(shù)包括：熱管冷卻技術(shù)、微通道冷卻技術(shù)、液體射流沖擊冷卻技術(shù)等。本文提出熱管組合翅片冷凝方式結(jié)合以上冷凝方式的優(yōu)點，經(jīng)過特殊設(shè)計實現(xiàn)冷凝效果好、遮光率低、可靠性高的優(yōu)點。深入研究高聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的熱問題和光熱電之間的耦合，改善太陽能電池的冷凝問題，對提高太陽能電池的效率和安全可靠非常關(guān)鍵。

1 熱虹吸管的實例計算

根據(jù)散熱器的工作功率和允許的最高工作溫度等條件，確定熱虹吸管的數(shù)目以及每根熱管所要傳輸?shù)淖畲蠊β剩瑢岷缥苓M行設(shè)計和校核，相比于普通熱管設(shè)計，由于熱虹吸管無管芯，自然也就免去了管芯的設(shè)計，另外，由實驗知，攜帶極限(液阻)是最大的性能限制，必須作核算而且一般只要求作攜帶極限核算[1]。

工作溫度為70℃，管子外徑要求為16 mm，豎直放置，蒸發(fā)段長度為30 mm，冷凝段長度為120 mm，傳遞的最大功率為320 W，平板的規(guī)格為80 mm×90 mm。周圍環(huán)境溫度設(shè)定為20℃，傳熱系數(shù)為15 W/(m2·k)。充液率為20%。冷凝段加肋片，肋片為方形，邊長為90 mm×90 mm，厚度為0.1 mm，間距0.3 mm。

(1)殼體壓力的校核

=5.21 Mpa>3.364×104pa (合格)

(2)端蓋厚度計算

為滿足易焊接及加工等要求，可取端蓋厚度為0.40 cm較好。

(3)聲速極限條件下的蒸汽腔直徑dv

根據(jù)70℃水的物理參數(shù)可得：

即只要蒸汽腔的直徑大于2.998 mm，就不會出現(xiàn)聲速極限

(4)攜帶極限

式中Ck——常數(shù)。

代入數(shù)值得Bo=5.323Ck=1.146

Qmax=836 W>320 W(合格)

(5)沸騰極限(燒毀極限)[2]

代入數(shù)值得qmax=217.45 KJ/m2>44.4 KJ/m2(合格)

(6)冷凝段的熱阻

冷凝段的換熱系數(shù)(層流膜狀凝結(jié))

代入數(shù)值得hc=13 200.24 W/(m2·K)

(7)蒸發(fā)段的熱阻

蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)

由式(3-8)得，he=6 400.12 W/(m2·K)

(8)管壁的熱阻

(9)冷凝段管外換熱熱阻

由圖3查的矩形肋的肋效率為ηf=0.82

翅片間管的表面積A1=π·do(lc-nf·δ)=4.52×10-3m2

2 實驗記錄與分析

2.1 實驗測試系統(tǒng)

本實驗主要研究的是在高倍數(shù)聚光條件下，使用重力式熱管散熱器冷卻砷化鎵光伏電池時電池的具體性能特性。光伏電池的各種性能參數(shù)，主要包括短路電流Isc，開路電壓Voc，峰值功率Pmp，電池效率η等。本實驗內(nèi)容主要研究的是在一定聚光倍數(shù)下，太陽直接輻射強度對光伏電池Voc，短路電流Isc，電池溫度Tc，峰值功率Pmp，電池效率η的影響，以及在聚光倍數(shù)變化時，光伏電池性能參數(shù)的變化等。

實驗使用T型熱電偶測量光伏電池的溫度，測量數(shù)據(jù)由Agilent 34970數(shù)據(jù)采集儀進行自動記錄；光伏系統(tǒng)電參數(shù)包括開路電壓Voc(V)、短路電流Isc(A)、峰值功率Pmp(W)、轉(zhuǎn)換效率η，測量數(shù)據(jù)由電子負載進行記錄；氣象參數(shù)包括當?shù)仫L速(m/s)、當?shù)販囟?℃)、太陽總輻射強度(W/m2)、太陽直射輻射強度(W/m2)，測量數(shù)據(jù)由一臺氣象參數(shù)記錄儀進行自動記錄。

圖1為系統(tǒng)連接示意圖。

圖1 碟式聚光光伏實驗性能測試系統(tǒng)示意圖

實驗中每隔10分鐘系統(tǒng)自動采集一次數(shù)據(jù)，包括開路電壓Voc，短路電流Isc，相應時間點的I-V曲線，當?shù)仫L速，環(huán)境溫度，太陽總輻射強度和直射輻射強度。

由于本實驗臺只有一片聚光電池，并且聚焦后的光斑面積要大于三結(jié)砷化鎵電池的面積，故本文對于效率的計算采用單位面積功率，即：

(1)

式中A——電池面積；ηr——反射式旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡的聚光效率，取80%；Ed——太陽直接輻射強度。

2.2 固定聚光倍數(shù)下電池性能的變化

圖2是2014年5月18日從早上9:00到下午17:30左右的太陽直接輻射強度紀錄值，聚光倍數(shù)為150倍。

圖2 2014年5月18日的太陽直接輻射強度

所有數(shù)據(jù)均在室外測量。5月18日當天天氣狀況為晴，微風，偶爾有云遮擋太陽。直接輻射強度最大值出現(xiàn)在11:40左右，為615 W/m2。

2.2.1 開路電壓和短路電流的變化

在這種條件下測得的開路電壓和短路電流與直接輻射強度的關(guān)系如圖3、4所示。

圖3 電池開路電壓與直接輻射強度的關(guān)系

圖4 電池短路電流與直接輻射強度的關(guān)系

2.2.2 電池功率的變化

從9:00～17:30三結(jié)砷化鎵光伏電池的功率隨太陽直接輻射強度的變化如圖5所示。太陽直接輻射強度從早晨到中午逐漸增強，在11:40點左右達到峰值615 W/m2，隨后又逐漸減弱。可見，太陽直接輻射強度對聚光砷化鎵聚光型光伏電池發(fā)電功率的影響是很大的。

圖5 電池功率Pmp和直接輻射強度的關(guān)系

3.2.3 電池溫度的變化

在平均環(huán)境溫度為27.88℃時，三結(jié)砷化鎵聚光型光伏電池的溫度隨太陽直接輻射強度的變化如圖6所示。與電池的功率相似，三結(jié)砷化鎵光伏電池的轉(zhuǎn)換效率隨著太陽直接輻射強度的變化基本保持一致，在10：50時電池的溫度達到最大值59.19℃，之后隨著太陽直接輻射強度的減弱而降低。造成電池溫度突然上升的原因主要跟天氣因素有關(guān)，因為本文所搭建的聚光系統(tǒng)是在戶外，且所采用的是翅片式熱管散熱器，主要依靠對流的方式與環(huán)境進行換熱，因此，一些環(huán)境因素諸如風速、環(huán)境溫度的變化會對其性能會產(chǎn)生一定的影響，從而造成電池溫度的波動。

圖6 電池溫度和直接輻射強度的關(guān)系

3.2.4 電池效率的變化

圖7和圖8顯示的直接輻射強度和電池溫度對砷化鎵電池效率的影響。在圖7中，跟電池功率的變化趨勢相反，隨著直接輻射強度的增加，電池轉(zhuǎn)化效率是逐漸下降的。之所以這樣，主要是因為，從電池轉(zhuǎn)化效率的式(1)可以看出，當直接輻射強度逐漸減少時，雖然電池功率也在減少，但是電池功率的變化幅度比直接輻射強度的變化幅度大，造成分母比分子變化的快，所以電池的轉(zhuǎn)化效率會有升高的趨勢。此外電池的溫度也對轉(zhuǎn)化效率有很大的影響。從圖8中可以看出，在14：00之后時段，由于電池溫度的下降，電池轉(zhuǎn)化效率均有一定程度的上升。

圖7 電池效率和直接輻射強度的關(guān)系

圖8 轉(zhuǎn)化效率和電池溫度的關(guān)系

從這兩幅圖中可以看出，影響電池轉(zhuǎn)化效率的因素主要有：(1)是照射到電池上的直接輻射強度；(2)電池的溫度。對于第一點，主要依賴電池的材料構(gòu)成。對于第二點，可以采用高效率的散熱器，盡量降低電池的工作溫度。廉價并高效率的散熱器在聚光型光伏發(fā)電系統(tǒng)中一直是研究者們的熱點問題。

3 改善熱管蒸發(fā)端換熱特性的措施

(1)設(shè)計熱管蒸發(fā)端的時候，要保持流體在蒸發(fā)器內(nèi)的均勻流動，流體進口位置要適中避免偏向蒸發(fā)端的一側(cè)，還要避免產(chǎn)生回流，以減小對換熱性能的影響。

(2)對蒸發(fā)器部分各個熱阻進行了計算，根據(jù)對各個熱阻大小的針對性地比較提出了強化措施，以達到更理想的散熱效果：1)保持發(fā)熱元件和蒸發(fā)器底部的接觸良好，可以在接觸面涂上導熱膠或者導熱油脂等可以減小接觸熱阻的物質(zhì)；2)蒸發(fā)段內(nèi)表面采用燒結(jié)金屬粉末、金屬泡沫、加工槽道等措施，以提供汽化核心和增加蒸發(fā)段的實際蒸發(fā)面積；槽道的形式又是多種多樣，可以是變槽寬也可以是復合槽型的，還可以采用高復合因子網(wǎng)芯結(jié)構(gòu)。

[1]陳 崗,辛明道,陳遠國.兩相閉式熱虹吸管內(nèi)的流動和傳熱[J].工程熱物理學報, 1987(82)：78-81.

[2]施明恒,甘永平,馬重芳.沸騰和凝結(jié)[M]. 北京：高等教育出版社,1995.

(本文編輯：楊林青)

Design of Thermosiphon for Solar PV System Radiator

CUI Yao, WANG Ji-xiang, ZHANG Yan-qi, TANG Tao, HU Yuan-tao

(Shanghai Shangdian Electric Power Engineering Co., Ltd.，Shanghai 200090，China)

The high temperature of the battery will reduce the power generation efficiency. So the effective cooling of solar cells has become a key technology to ensure efficient and safe operation. This paper describes the heat pipe using two-phase closed thermosyphon. The heat radiator is a heat transfer device with high thermal conductivity, has excellent properties and has been widely used in many areas. As an important parameter of measuring performance of heat pipe, thermal resistance is playing a significant role in the actual work of the heat pipe. This paper first designs a heat pipe and checks the strength to ensure that the heat pipe can work properly in the heat exchange limit，then selects water as the working medium, conducts an experiment on the heat exchanger performance of the actual work, and finally draws some conclusions about improving the performance of thermosyphon.

solar PV system; heat radiator; thermosiphon

10.11973/dlyny201506023

崔 堯(1986)，女，碩士，從事熱、電領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保技術(shù)的研發(fā)與實施推廣工作。

TM615

A

2095-1256(2015)06-0845-04

2015-10-22