hcpv用平板式小型环路热管性能实验

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：133015HCPV用平板式小型环路热管性能实验刘泉1，张先锋2，朱会元1，刘明侯1,*1中国科学技术大学热科学和能源工程系，合肥2300272中电集团第三十八研究所工程技术部，合肥230088(Tel:0551-63603127*Email:mhliu@ustc.edu.cn)摘要：设计了一种可用于高倍聚光光伏太阳能电池散热的混合烧结芯平板式环路热管，并实验研究负荷、冷凝器位置等对热管启动和运行性能的影响。实验表明，该热管基本可满足HCPV负荷及安装要求

2、，负荷从20W到280W（35W/cm2）环路热管均正常启动运行，最高热面温度约94℃，发电效率降幅低于30%。冷凝器在蒸发器上方时启动时间更短，启动和运行温度更低，而蒸发器和冷凝器的水平方向相对位置对热管总体散热性能影响不大。关键词：HCPV；FLHP；运行特性；冷凝器位置0前言高倍聚光光伏太阳能电池（HighConcentrationPhotovoltaic，HCPV）是目前一种新兴的太阳能发电装置，其表面的热流密度可达35W/cm2，若散热不足将很容易导致电池表面温度过高，He[1]指出光伏电池

3、表面温度每升高1℃输出电量将减小0.2%-0.5%，并且由于菲涅尔透镜或抛物面反射镜的聚光作用，将引起HCPV表面温度不均匀而减短使用寿命。因此，为HCPV配置性能良好的散热均温装置，对提高光伏效率、延长寿命有非常重要的作用。与微槽道等传统散热装置相比，热管具有重量轻、均温性能突出等优点，并且热管没有任何运动部件，大大提高了系统运行的可靠性。A.Akbarzadeh[2]、W.G.Anderson[3]等人均尝试将普通重力热管用于HCPV换热，但受到换热能力、空间、角度的多重制约，难以发挥其独特优势。

4、Maydanik[4]提出一种新型高效的两相传热装置—环路热管，它基于分体式热管发展而来，具有传统热管最主要的传热优势如热阻低、传热效率高、均温性好等，并且能在小温差、长距离条件下传输大量热量。特别是平板式小型环路热管(FlatMiniatureLoopHeatpipe，FMLHP)其平直的蒸发器表面能够与发热芯片良好接触，接触热阻很小，而且相比起传统的圆柱型环路热管，其蒸发器厚度大大缩小，一般小于10mm，更有利于应用在散热面积小空间角度多变的HCPV上。另外，与传统圆柱型LHP相比，平板型蒸发器内

5、温度梯度和工质流动的速度矢量夹角较小，从场协同强化传热角度看，平板型LHP比传统圆柱型LHP更有优势[5]。因此选用FMLHP作为HCPV的冷却系统，可以灵活的布置冷凝段，强化HCPV散热，能够有效解决上述传统热管遇到的问题。近年来，国内外均开展了大量的LHP实验与理论研究。张先锋[6]制作蒸发器为100×36.5mm2的FLHP，最小启动功率20W，且各种摆放方式下均能启动，其最大散热能力为130W（3.56W/cm2），实验显示FLHP运行性能良好但最大负荷不能满足HCPV要求。HCPV的运行条件

6、复杂多变并且所处角度及冷凝段参数都会对热管运行产生重要影响。莫东传[7]将平板型环路热管应用于大功率LED的散热，通过实验研究了加热位置、放置方式和热负荷对启动特性的影响，指出蒸发器内的汽液分布影响着从蒸发器到补偿器的热泄漏，进而导致了热管运行过程中的震荡性。盖东兴[8]指出蒸发器的背向导热和回流的冷凝液体共同作用造成了气液两相的不稳定性，从而导致整个系统的温度波动，并从热容的角度出发，说明了从低负荷到高负荷和从高负荷到低负荷的变化过程在温度波动情况上是不对称的。对于负荷增大后的储液池温度波动，Nik

7、itkin[9]提出环路热管在高热流密度时入会遇到ColdShock现象，即从冷凝器出来的冷流体快速的流向高温的储液池，导致了LHP中流体的正常工作过程的中断。ColdShock现象会产生蒸发器和储液池之间无规律性的温度震荡。Wan[10]设计的小型LHP，着重考虑了冷凝器对LHP散热性能的影响，并用有限元法分析对其冷凝器中的肋片进行了全面的最优化设计，该LHP能在较低功率下启动，但对储液器和蒸发器相对位置的影响也考虑不足。为满足高倍聚光光伏太阳能电池散热要求，本文制作的FLHP，采用不均匀铜粉烧结芯

8、，通过强化蒸发与毛细抽吸能力，以提高FLHP散热能力和低负荷启动特性，并系统研究负荷、倾角、冷凝器参数及位置对该热管启动和运行特性的影响，全面分析了该FLHP用于高倍聚光光伏太阳能电池均温散热的可行性。1FLHP结构及实验系统图1FLHP结构示意图Fig.1SketchofFlatLoopHeatPipe图1为FLHP的结构示意图。该系统包括储液器、蒸发器、蒸汽管线、冷凝管线及液体管线等组成。蒸发器与储液器一体化设计，便于从储液器补充工质；蒸发器和储液器