HCPV用平板式小型环路热管性能实验.doc

中国工程热物理学会 传热传质学
学术会议论文 编号：133015
HCPV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 230027
2 中电集团第三十八研究所工程技术部，合肥 230088
(Tel: [phone] *Email: mhliu@)
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，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（High Concentration Photovoltaic，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。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(Flat Miniature Loop Heat pipe，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，Nikitkin[9]提出环路热管在高热流密度时入会遇到Cold Shock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。Cold Shock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，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。

1 FLHP结构及实验系统

图1 FLHP结构示意图
Fig.1 Sketch of Flat Loop Heat Pipe
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；蒸发器和储液器间多孔部分用于阻碍蒸汽逆向流动。蒸发器内烧结多孔毛细芯作为环路热管的动量源，蒸发器内壁制作圆形沟槽作为蒸汽通道。蒸发器、储液器和连接管线的材料均为铜。蒸发器厚度为8mm，长度为55mm，宽度为20mm。混合吸液芯用不同目数的铜粉烧结而成。在蒸发端（箭头1所指位置）用120目左右的铜粉烧结，与储液器接触段（箭头2所指位置）用200目左右的铜粉烧结。这样的结构在蒸发段增大了孔隙率，使得蒸发更加容易；与储液器接触段减了小孔隙率，提高了从储液器到蒸发器毛细芯的毛细抽吸能力。蒸发芯表面平均分布了9根长40mm、直径1.2mm的圆形蒸汽槽道。管线总长度为420mm，内径外径比为2.4mm/3mm。热管内工质为水，充液率为55%左右。

图2 实验系统示意图
Fig.2 Schematic diagram of the experimental System
图2为实验系统示意图。采用水套式冷凝管线设计。水冷套长160mm，用转子流量计记录冷凝器内冷却水流量，用恒温水槽提供恒定温度的冷却水。采用电加热模块模拟HCPV热源，热面面积为20×40mm2，热面刻1mm细槽埋放热电偶，热面和热管接触处均匀涂抹导热胶以减少接触热阻。布置7个OMEGA公司丝径0.25mm的标准T型热电偶，其测量精度为±0.5℃，具体位置如图2所示。由于实际测量热管工质温度存在困难，热电偶均布置在热管部件的外壁上。热管包裹了厚度10mm、导热系数0.012-0.016W/m·K的二氧化硅气凝胶毡保温层来减少跟环境的换热。实验过程中的环境温度为23±1℃。
2 实验结果及分析
对于HCPV这样的高热流密度器件，FMLHP的运行特性、冷凝器与蒸发器相对位置，都会对HCPV性能有着重要的影响。下文将针对以上问题进行实验研究及理论分析。
2.1运行特性研究

环路热管在低功率启动会遇到启动极限，而本热管水平放置时要求的启动负荷很低，保持5W负荷3000s后即可稳定运行，表明其启动性能良好。本节考察其水平放置时的变负荷运行特性，冷凝器参数恒定，冷却水流量为40L/h，恒温水槽保持水温恒定在15℃。热面温度100℃内，负荷从 20W增加到280W，每次缓慢递增20W，最高热流密度为35W/cm2。降低热负荷时则每次减少40W，观察FMLHP负荷从低到高与从高到低温度变化的不对称性。其运行特性曲线如图3、图4所示。

图3不同负荷下FLHP的运行特性
Fig.3 Operating performance of FLHP for different heat loads

图4 不同负荷FLHP的运行温度
Fig.4 Operating temperature of FLHP for different heat loads
FLHP的运行温度随热负荷增大不断上升，功率改变后热管的响应时间平均约为3分钟。环路热管在280W（35W/cm2）时的稳定运行温度约为94℃，此时其发电效率约为18%，而常温25℃时效率为25%，发电效率的降幅低于30%，即高热流情况下可以保证HCPV工作性能的稳定且保持一定的效率。HCPV发电效率与表面温度关系可由式（1）来确定[11]。
（1）
其中a，b在100℃内可视为为常数，分别取0.276和0.0037，T1为表面平均温度。
加热功率超过160W时，功率变大和变小过程中的热管稳定运行温度几乎一致，而功率小于160W时，升负荷的运行温度略高于降负荷过程。冷凝器进口温度在低负荷运行时有少许波动，在大负荷运行时趋于平稳。冷凝器出口和储液器进口的温度波动最大。其原因可能是气液交界面随着热流和冷凝情况发生改变：热管低负荷运行时，气液交界面在冷凝器入口和蒸发器之间徘徊，冷凝器出口处为过冷液体；负荷增大后，气液交界面冲到冷凝器出口，引起冷凝器出口温度波动；待气液交界面完全冲出冷凝器出口后，储液器进口温度接近冷凝器出口温度，此时热管达到其冷凝极限，需提高冷凝器冷凝能力。
热阻是衡量热管等散热器件热输运能力的重要标志，其定义如下：R=(Te-Tc)/Q，其中Q为输入功率。而对于环路热管散热系统，分为系统热阻和热管热阻。对于系统热阻，Tc是冷凝器进出口冷却水温度平均值。由于系统热阻受冷凝器中换热方式及冷却水温度的影响巨大，所以在实验中不考察系统热阻而是关注热管热阻。对于热管热阻，Te为热面温度，Tc为热管在冷凝器进出口位置的平均温度，即Tc=(T4+T5)/2。

图5不同负荷FLHP的热阻
Fig.5 Thermal resistance of FLHP for different heat loads

实验结果表明，热管热阻（如图5）随负荷增大急剧下降。60W时热阻为0.35℃/W，180W时降到0.13℃/W，260W后热阻低至约0.1℃/W。另外，冷凝器冷却性能也将影响热管在冷凝器出口温度，进而影响Tc的大小，因此提升冷凝装置的性能将减小热管热阻，可以实现更好的热输运能力。
2.2 冷凝器水平位置的影响
冷凝器水平位置的改变将导致环路热管中汽液分布存在差异，通过研究冷凝器位置对提高热管性能的影响来指导HCPV环路热管散热系统的设计。

图6 冷凝器不同水平位置示意图
Fig.6 Sketch of Condenser in different horizontal positions
研究中冷凝器的水平摆放方式有两种。热管冷凝器长度为9cm，位置1（图6左）距离蒸发器18cm，位置2（图6右）冷凝器的长度不变，距离蒸发器的位置为27cm。其他实验条件保持不变：热管水平放置、环境温度为23±1℃、冷凝器内冷却水流量为40L/h，水温恒定15℃。分别考察了两种摆放位置在热负荷为20W、80W、100W时的启动和运行情况，如图7所示。

图7 LHP运行特性
Fig.7 Operating performance of LHP

可以看到，20W时，两种冷凝器的摆放位置对热面的温度并没有太大影响。但是在冷凝器距蒸发器27cm的情况下，冷凝器进口温度有所下降储液池温度也有所下降。因为冷凝器进口处远离加热面时，受到壁面导热的影响更小，因此温度更低。而储液池由于更接近冷凝器，所以温度更低。理论上，远离加热面更容易启动，因为会获得更大的启动压差。负荷在80W时，两种摆放方式的热面温度依旧近似。这是由于随着热流密度增加，导热的影响相对整个热管的传热过程相对更小。负荷在100W时，摆放靠前的整体温度波动较大。由于冷凝段的长度不足，造成了冷凝器出口温度波动幅度增大。而冷凝器靠后时，由于远离蒸发段，蒸汽到冷凝器的速度相对减小，因此温度波动没有放在前部那么剧烈。
本文研究中，由于冷凝器长度较大，热管冷凝段内部压损相对于汽线与液线中压损已不能忽略。尽管位置1相对于位置2工作模式时汽线压损减小液线增加，但冷凝器不同的摆放位置导致其内部汽液分布差异，其压损也是有差异的。实验表明，对于较长的冷凝段，其位置对热管运行热面温度的影响不大，仅对冷凝器出口温度和储液池进口温度的稳定性有一定影响，但并非影响热管性能的重要因素。

2.3 冷凝器垂直位置的影响
冷凝器垂直位置的改变将导致环路热管中汽液流动受到重力的影响，研究冷凝器垂直位置变化时热管的运行特性，可反映出热管的反重力性能，验证环路热管用于HCPV不同角度散热的可靠性。

图8 冷凝器垂直位置示意图
Fig.8 Sketch of Condenser in different upright position

如图8所示，保持热管中心线在水平状态，改变热管与冷凝器的相对高度，此时热管内蒸发器和储液器间的气液分布不发生改变，但当冷凝管线相对位置在储液池之下时，冷凝回流液需要克服液体管线的重力影响，反之则能得到重力的推动。而对于蒸汽管线，考虑到蒸汽高速流动，反重力流动并不会有太大的影响。
用热管平面与水平面夹角反映冷凝器垂直高度，且取冷凝器在蒸发器上为正，反之为负。分别测试热管在水平夹角-45°和45°时不同功率（20W、40W、60W）的启动和运行状况（图9）。测试过程中冷凝器内冷却水流量为40L/h，水温为15℃。

图9热管的启动运行状况
Fig.9 Start-up and operating performance

从图9中可以发现，20W时两个位置都能顺利启动，区别是稳定运行温度和冷凝器进口温度。45°的运行温度是38℃左右；-45°的运行温度超过了50℃左右，且有2℃左右的波动。45°的冷凝器进口温度相对平稳，因为此时的冷凝管线相对位置在储液池的上方，重力对回流起着推动作用。-45°时，冷凝器出口有超过10℃波动，此时的冷凝光线在储液池的下方，回流需要克服重力，由于回流不及时，造成储液池进口的温度有大幅的波动。40W启动时，-45°的运行温度在46℃左右，达到稳定运行消耗时间480秒；45°的运行温度在40℃左右，达到稳定运行的时间为350秒。此时两者储液池进口的温度波动振幅和频率都相近，因为由于功率变大，蒸发器中毛细驱动力增大，工质流速增快，重力对其液体回流的影响变小。60W启动，两者的运行温差减小到5℃内，启动时间也非常相近，储液池的温度波动情况也类似。此时蒸发器中的毛细驱动力力较大，其重力作用相对较小。
综上，冷凝器位于蒸发器水平高度上方比位于其下方时的启动时间更短，启动和运行温度更低，原因是忽略重力对蒸汽管线高速蒸汽的影响，冷凝器在上方时冷凝液在重力作用下更容易回流。由图9发现，功率增大时导致毛细驱动力的增大，这种冷凝器和蒸发器相对位置带来的启动和运行差别减小。另外，随着功率、工质流速的增加，储液池进口温度波动减弱，且位置对热管性能的影响变小。

3 结论
为满足HCPV的散热需求，本文设计了混合烧结芯平板式小型环路热管，并系统研究负荷、冷凝器位置对该热管启动运行的影响。研究结果表明：
（1）热管水平放置时、功率从10W到280W之间能稳定运行，负荷调整后从响应到稳定的时间不超过3分钟。负荷280W、热流密度35W/cm2时的热阻约0.1℃/W，热面最高温度94℃，热输运性能良好，能满足一定热流密度的HCPV稳定工作。
（2）对于较长的冷凝器，其水平方向相对位置对环路热管总体散热性能影响不大，热面温度几乎不随位置改变而变化。冷凝器垂直方向相对位置对环路热管散热性能有一定影响，当冷凝器在蒸发器上方时，环路热管具有更低的启动和运行温度，但随着负荷增大，冷凝器相对位置对热管运行的影响逐渐减小。本文设计环路热管可以满足HCPV灵活多变的运行方位。
（3）冷凝段热管管线中存在复杂的气液两相流，需对其进行更深入的理论与数值分析，并进一步实验研究其对环路热管的影响，这对于冷凝器设计与布置，提高热管散热性能有着重要意义。

参考文献（References）

[1] He Wei, Chow Tin-Tai, Ji Jie, 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 Advanced Cooling Technologies, Inc., Lancaster, PA 17601.
[4] Maydanik Y F . Loop heat pipes. Applied Thermal Engineering, 2005,25(5-6): p. 635-657.
[5] Liu Z C , Liu W, Nakayama, A Flow and heat transfer analysis in porous wick of CPL evaporator based on field synergy principle[J]. Heat and Mass Transfer, 2007,43:1273-1281.
[6] 张先锋. 平板式环路热管性能的实验[J]. 化工进展, 2012, 31(6):1200-1205
Zhang Xianfeng. Experimental investigation on the performance of loop heat pipe with flat evaporator[J]. Chemical industry and engineering progress, 2012, 31(6):1200-1205
[7] 莫冬传, 陈粤, 吕树申. 高效平板式两相回路热管的实验研究[J].工程热物理学报，2007，28（s1）：229-232.
Mo Dongchuan , Chen Yue, Lv Shushen . Experimental study on high efficient flatten loop heat pipe. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28（s1）：229-232.
[8] 盖东兴, 刘志春, 刘 伟, 等. 平板型小型环路热管的温度波动特性[J]. 化工学报, 2009, l60 (l6): 1390-1397
Gai Dongxing, Liu Zhichun, Liu Wei, et al. Characteristics of temperature oscillation in miniature loop heat pipe with flat evaporator[J]. CIESC Journal, 2009, l60 (l6): 1390-1397.
[9] Nikitkin M N . High power cold shock phenomena in Loop Heat Pipes. AIP Conference Proceedings, 2001, 552: 283-291.
[10] Wan Z P, Wang X W, Tang Y. Condenser design optimization and operation characteristics of a novel miniature loop heat pipe. Energy Conversion and Management, 2012, 64: 35-42.
[11] Anja Royne_, Christopher J. Dey, David R. Mills. Cooling of photovoltaic cells under concentrated illumination: a critical review. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2005, 86: 451-483.