聚光光伏高能流密度不均匀传热的热管散热器设计与计算

李琦芬，李 涛，周致田，叶张波，潘翠翠，潘卫国，朱群志

(上海电力学院 能源与环境工程学院，上海 200090)

0 引言

聚光太阳能系统，通过增加光伏电池组单位面积上辐射的能流密度，从而可以提高单位面积太阳电池的输出功率。然而在聚光后，太阳能电池的温度却会急剧上升，同时产生温度分布不均匀性，导致光伏发电效率下降[1～3]，可见温度分布对于电池效率的影响颇大。另一方面，局部的光学聚焦会引起局部的温度变化剧烈，对于电池安全使用、以及寿命造成影响，表现为受热不均匀而引起的热应力破坏[4～6]，以及不均匀温差引起的结构变形。因此研究在高辐射能流密度下太阳能电池板高效的、消融不均匀性的散热方式、传热特性很有意义[7]。

本文通过理论数值计算的方法对聚光散热系统传热特性进行研究，由于聚光电池热沉温度分布的不均匀性，考虑到传统热管散热的局限性，设计了一种特殊结构形式的热管组以用于聚光电池散热。通过对其进行数值计算，并将该型热管与普通热管的计算结果相比较，发现该设计热管组在高辐射能流密度的条件下，消融温度的不均匀性将起到很好的效果。

1 研究采用的聚光光伏系统

本文采用EMCORE生产的聚光电池开展研究，其结构如图1所示。并对采用该电池的聚光系统 (如图2所示)开展适用聚光光伏高能流密度不均匀传热的热管散热器设计与计算。

图1 聚光电池结构示意图Fig.1 Concentrator cell schematic diagram

图2 单个聚光系统模型图Fig.2 Single concentrator system model diagram

2 热管散热器的设计

如图2所示，聚光系统中，电池中心处温度比周围要高些，导致热沉温度分布也是中心处较高。因此，要求在设计热管散热器时，在主要的散热区域应集中在中心处。为了消融温度分布不均匀性的影响，设计中采用均温性较好的重力式热管。设计的特殊热管组设计尺寸如下图3所示。

图3 热管组散热器设计尺寸图Fig.3 Heat pipe group radiator design size chart

为保证热管与热沉的接触面积，因此在热管蒸发段增加了导热基板，以保证热管与热沉充分接触。为减小接触热阻，可以将热管上部分压扁，增加热管与基板的接触面积，其结构如图4所示。

图4 基板与热沉布置截面图Fig.4 Substrate and heat sink arrangement of cross-section diagram

由于重力式热管没有吸液芯的作用，与传统带吸液芯的热管相比就更容易出现工作极限，因此，本文对传统的重力式热管进行特殊设计。

(1)在设计的热管底部，各个热管间通过管子连通起来，主要是考虑到在电池中心处温度较高，热流密度较大，导致中间的那根热管的工作的热流密度要比两边的热管要大，在充液量相同的情况下，在相对恶劣的工况下，中间热管更容易达到干涸极限，通过连通以后，两边的热管的工质可以多中间热管进行补充，保证热管的正常工作。

(2)在顶部将热管进行连接，主要是由于液池底部，两边热管的工质对中心处进行补充后，中间热管的工质较多，在蒸发后到达冷凝段，在压力作用下，通过连接管将部分冷凝液回流到两边的热管，以保证能够连续补充。

(3)两边的热管通过两根回流管与热管底部连接，主要作用预防携带极限的出现，当热管出现携带极限时，由于蒸汽的剪切力作用，使得冷凝液不能通过热管的壁面回流到蒸发段，导致传热的恶化，增加两个回流管，可以使冷凝液通过回流管回流到热管底部的液池，使液池能够连续蒸发，保证热管正常运行。

3 热管散热器的数值模拟

设计的热管散热器由于不同的部位做不同的处理后，其内部的流动与传热效果也发生相应的转变，用数值模拟来研究热管内部的流动和传热的情况，将为热管的运行工况提供直观的认识，从而为实际应用的热管散热器的设计方案和布置形式等提供有效的分析依据。

3.1 特殊设计热管组数值模拟

设计的热管组将应用于聚光光伏系统，为了比较在不同的倾角布置形式的条件下，设计方案的热管组的传热特性，本文将通过两种不同工况下的开展数值模拟。

工况一:热管竖直布置

工况二:热管按30°倾角布置，与某地区太阳能装置安装最佳倾角大致一致。

为保证对比性，壁面处的边界条件统一采用定壁温，中心处蒸发段的温度为388 K(蒸发段温度的选取参照作者计算出的热沉的背面温度)，两边管子蒸发段的温度为383 K，冷凝段处的温度为313 K，运行压力采用蒸汽在60℃下的饱和压力，考虑蒸汽密度随温度的变化以及重力的作用，采用 FLLUENT中 mixture模型进行数值计算，并添加相应的质量和能量源项。通过FLUENT中的 UDF自定义:当液相温度大于333 K时，开始蒸发;当气相温度小于333 K时，开始冷凝。

数值计算分析结果如下:

(1)压力场分布

图5和图6是分别在工况一、工况二下的压力分布情况，热管整体处于负压运行的状态，系统的内部的压力主要处决于饱和蒸汽的压力，工况一下的压降 Δp=151.1 Pa，工况二下的压降Δp=30.4 Pa，即当倾角为30°时系统内部的压降较小，工质的流动相对阻力要小，有利于液相的回流。在冷凝段的区域内，取y=0.18 m，在这条直线上，回流管处的压力要比中心管处的压力要小，可以保证工质从热管向回流管流动，实现回流管的回流作用。

图5 垂直布置热管组压力分布情况Fig.5 Vertically arranged heat pipe group pressure distribution

图6 倾角30°热管组压力分布Fig.6 Pressure distribution of the angle of 30°heat pipe group

(2)温度场分布

工况一、工况二的温度分布分别如图7和图8所示，由图中可以看出，在工况二的情况下，冷凝段壁面处的温度要稍低，在蒸发段，蒸汽的温度要稍高。可见，当充液量相同，倾角不同时，30°倾角布置方式的传热效果要好，即热管带有一定的倾角会具有更好的传热效果。在回流管处，30°倾角布置的回流液体温度比工况一要低，可以保证冷凝液的回流。温度分布显示，设计的热管组可以实现内部的工质进行蒸发冷凝的条件。

图7 垂直布置热管组温度分布Fig.7 Temperature distribution of the vertically arranged heat pipe group

图8 倾角30°热管组温度分布Fig.8 Temperature distribution of the angle of 30°heat pipe group

(3)速度矢量分布

热管竖直布置情况下速度矢量分布如图9所示，蒸汽受浮升力的作用往上运动，在绝热段与冷凝段处蒸汽的流速达到最大值，最大流速为0.31 m/s，冷凝液沿着壁面向下流动，一直回流到热管底部的液池区域。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的量级。

图9 速度矢量分布图Fig.9 Distribution of velocity vector

在压力作用下，冷凝段顶部的部分冷凝液通过回流管向下流动，以补充液池，在热管的底部，由于中心热管的温度较高，两边热管的底部工质对中心进行补充。热管在倾角30°情况下速度矢量分布与竖直布置情况下相似。

(4)相分布情况

在重力式热管内部，由于没有吸液芯的阻隔，蒸汽相和液相是混合在一起的，如图10所示蒸汽相几乎充满了整个热管的内部。热管在竖直布置和30°倾角布置情况下，其主要的分布情况相似，在蒸发段 (0～0.08 m)内，水受温度的作用发生相变，大部分都转换为蒸汽，水的体积分数含量较低，在蒸发段的上侧部分0．075≤y≤0．08时，水体积分数变化较大，这是由于冷凝液受重力作用回流到蒸发段继续蒸发，保证热管的连续运行;在冷凝段 (0.1～0.2 m)，是冷凝液形成的主要阶段，冷凝液体积分数的最大值不是出现在冷凝段，而是出现在绝热段 (0.08～0.1 m)，因此热管绝热段的一个作用可以保证冷凝液的大量形成，回流到蒸发段，保证工质的循环流动。

图11为液相在壁面处的液相分布情况，图中center指的是中心处的热管，side指的是边上的热管，在y＞0.025 m时，图中热管壁面处液相的分布趋势大致相同，中心处由于工作温度要高，液相蒸发转化为蒸汽，其液相分布相对要少些，在y＜0.025 m时，中心热管底部液池处受到两边热管的液池的补充，其液相体积分数要较多。

图10 热管内部液相体积分数分布Fig.10 Heat pipe internal liquid volume fraction distribution

图11 壁面处的液相分布Fig.11 Distribution of the liquid phase at the wall

在热管底部，液相体积分数在0.5左右，说明还有一部分液态工质没有转化为蒸汽，即表明热管此种情况下能够稳定运行，不会出现干涸极限，若适当提高壁面温度时，热管还能够正常运行。

3.2 特殊设计热管与普通热管的比较

针对传统热管存在着的携带极限和干涸极限，本文在热管组的设计中，对传统热管的结构进行改变，从而避免携带极限和干涸极限的发生，或减少促使其发生的因素。下面主要通过对普通与新型热管的数值模拟的结果进行比较，说明新型热管的设计可以对于热管的一些极限具有改善的效果。

(1)携带极限

本文设计的热管来与普通热管进行对比说明，从模拟的设计热管组的速度矢量图9中看到，在设计热管组中增加的回流管，能够起到回流的作用，对液池起到补充的作用，对于防止携带极限的产生有很好的作用。

(2)干涸极限

干涸极限的发生主要和热管内部的充液量有关。作者对于普通热管的不同的充液量做过计算比较，在充液量占热管体积20%时，在液池底部的蒸发液已经很少，当充液量降到15%时，底部的液体几乎不存在，因此，可以认为该类尺寸的热管的干涸极限为当充液量占热管体积的15%左右。

图12 15%充液量时液相分布Fig.12 Liquid distribution when liquid-filled amout is 15%

图13 30%充液量时液相分布Fig.13 Liquid distribution when liquid-filled amout is 30%

在本文设计热管组的数值模拟发现，当热管的充液量同样为占热管体积的20%时，在热管的底部液池还存在着部分的液体没有蒸发，如前面的图10所示。通过减少该热管组的充液量，数值计算来预测其干涸极限。图12与图13分别为设计热管组在不同充液量情况下热管底部的液相分布情况。当充液量减少时，热管底部液池中液相的分布有明显的减少，但总体来说还有很大一部分液体没有蒸发，可以有效地防止干涸的发生，本文设计热管组的干涸极限 (充液量可以减少)为充液量占热管体积的10%以下。

通过将设计热管与普通热管的比较，发现设计热管在携带极限和干涸极限方面的却优于普通的热管，具有很好的预防作用。

4 结论

热管具有启动迅速、均温性好、导热快、热阻小、传热能力强等特性，在聚光光伏系统散热系统的应用也有所发展。本文通过设计的新型的热管来提高传热效果，避免工作极限对热管传热的影响，寻找合适的布置方式，以满足聚光电池散热的需要;实现在高辐射能流密度下，设计的热管散热器能够消融温度的不均匀性，提高聚光光伏系统的整体效率。

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