用于太阳能光伏散热器的热虹吸管的设计

崔 尧，王吉翔，张彦琦，汤 涛，胡远涛

(上海上电电力工程有限公司，上海 200090)



用于太阳能光伏散热器的热虹吸管的设计

崔 尧，王吉翔，张彦琦，汤 涛，胡远涛

(上海上电电力工程有限公司，上海 200090)

太阳能聚光光伏发电系统中电池温度过高会导致发电效率降低，对太阳能电池进行有效的冷却已经成为聚光光伏发电系统保证发电效率和安全运行的关键技术。介绍了采用两相闭式热虹吸管散热器(热管)的方式。根据已知参数设计一个热虹吸管，并做强度校核，保证在极限内热虹吸管可以正常的工作，并选取水作为工作介质。通过实验对热虹吸管的实际工作性能进行分析，得出提高热虹吸管工作效能的结论。

太阳能光伏系统；散热器；热虹吸管

太阳能光伏电池的光电转换效率较低，一般为6%～15%。太阳能电池开路电压随温度升高而减少，短路电流随温度升高而升高。太阳能电池工作温度升高1℃，效率下降0.35%～0.45%，在20℃工作的太阳能电池的输出功率要比在70℃工作时高20%，可见温度影响很大。

地面硅太阳电池一般安全工作在-40～+85℃，由于聚光光伏电池工作于高光强、大电流下，其工作温度的升高会使电池性能显著下降，甚至烧毁，因此太阳电池的温度特性和光电特性研究和控制非常重要。

常用的太阳能电池冷却方式包括传统的冷却方式如空冷、水冷；新型的冷却技术包括：热管冷却技术、微通道冷却技术、液体射流冲击冷却技术等。本文提出热管组合翅片冷凝方式结合以上冷凝方式的优点，经过特殊设计实现冷凝效果好、遮光率低、可靠性高的优点。深入研究高聚光光伏发电系统的热问题和光热电之间的耦合，改善太阳能电池的冷凝问题，对提高太阳能电池的效率和安全可靠非常关键。

1 热虹吸管的实例计算

根据散热器的工作功率和允许的最高工作温度等条件，确定热虹吸管的数目以及每根热管所要传输的最大功率，对热虹吸管进行设计和校核，相比于普通热管设计，由于热虹吸管无管芯，自然也就免去了管芯的设计，另外，由实验知，携带极限(液阻)是最大的性能限制，必须作核算而且一般只要求作携带极限核算[1]。

工作温度为70℃，管子外径要求为16 mm，竖直放置，蒸发段长度为30 mm，冷凝段长度为120 mm，传递的最大功率为320 W，平板的规格为80 mm×90 mm。周围环境温度设定为20℃，传热系数为15 W/(m2·k)。充液率为20%。冷凝段加肋片，肋片为方形，边长为90 mm×90 mm，厚度为0.1 mm，间距0.3 mm。

(1)壳体压力的校核

=5.21 Mpa>3.364×104pa (合格)

(2)端盖厚度计算

为满足易焊接及加工等要求，可取端盖厚度为0.40 cm较好。

(3)声速极限条件下的蒸汽腔直径dv

根据70℃水的物理参数可得：

即只要蒸汽腔的直径大于2.998 mm，就不会出现声速极限

(4)携带极限

式中Ck——常数。

代入数值得Bo=5.323Ck=1.146

Qmax=836 W>320 W(合格)

(5)沸腾极限(烧毁极限)[2]

代入数值得qmax=217.45 KJ/m2>44.4 KJ/m2(合格)

(6)冷凝段的热阻

冷凝段的换热系数(层流膜状凝结)

代入数值得hc=13 200.24 W/(m2·K)

(7)蒸发段的热阻

蒸发段的传热系数

由式(3-8)得，he=6 400.12 W/(m2·K)

(8)管壁的热阻

(9)冷凝段管外换热热阻

由图3查的矩形肋的肋效率为ηf=0.82

翅片间管的表面积A1=π·do(lc-nf·δ)=4.52×10-3m2

2 实验记录与分析

2.1 实验测试系统

本实验主要研究的是在高倍数聚光条件下，使用重力式热管散热器冷却砷化镓光伏电池时电池的具体性能特性。光伏电池的各种性能参数，主要包括短路电流Isc，开路电压Voc，峰值功率Pmp，电池效率η等。本实验内容主要研究的是在一定聚光倍数下，太阳直接辐射强度对光伏电池Voc，短路电流Isc，电池温度Tc，峰值功率Pmp，电池效率η的影响，以及在聚光倍数变化时，光伏电池性能参数的变化等。

实验使用T型热电偶测量光伏电池的温度，测量数据由Agilent 34970数据采集仪进行自动记录；光伏系统电参数包括开路电压Voc(V)、短路电流Isc(A)、峰值功率Pmp(W)、转换效率η，测量数据由电子负载进行记录；气象参数包括当地风速(m/s)、当地温度(℃)、太阳总辐射强度(W/m2)、太阳直射辐射强度(W/m2)，测量数据由一台气象参数记录仪进行自动记录。

图1为系统连接示意图。

图1 碟式聚光光伏实验性能测试系统示意图

实验中每隔10分钟系统自动采集一次数据，包括开路电压Voc，短路电流Isc，相应时间点的I-V曲线，当地风速，环境温度，太阳总辐射强度和直射辐射强度。

由于本实验台只有一片聚光电池，并且聚焦后的光斑面积要大于三结砷化镓电池的面积，故本文对于效率的计算采用单位面积功率，即：

(1)

式中A——电池面积；ηr——反射式旋转抛物面聚光镜的聚光效率，取80%；Ed——太阳直接辐射强度。

2.2 固定聚光倍数下电池性能的变化

图2是2014年5月18日从早上9:00到下午17:30左右的太阳直接辐射强度纪录值，聚光倍数为150倍。

图2 2014年5月18日的太阳直接辐射强度

所有数据均在室外测量。5月18日当天天气状况为晴，微风，偶尔有云遮挡太阳。直接辐射强度最大值出现在11:40左右，为615 W/m2。

2.2.1 开路电压和短路电流的变化

在这种条件下测得的开路电压和短路电流与直接辐射强度的关系如图3、4所示。

图3 电池开路电压与直接辐射强度的关系

图4 电池短路电流与直接辐射强度的关系

2.2.2 电池功率的变化

从9:00～17:30三结砷化镓光伏电池的功率随太阳直接辐射强度的变化如图5所示。太阳直接辐射强度从早晨到中午逐渐增强，在11:40点左右达到峰值615 W/m2，随后又逐渐减弱。可见，太阳直接辐射强度对聚光砷化镓聚光型光伏电池发电功率的影响是很大的。

图5 电池功率Pmp和直接辐射强度的关系

3.2.3 电池温度的变化

在平均环境温度为27.88℃时，三结砷化镓聚光型光伏电池的温度随太阳直接辐射强度的变化如图6所示。与电池的功率相似，三结砷化镓光伏电池的转换效率随着太阳直接辐射强度的变化基本保持一致，在10：50时电池的温度达到最大值59.19℃，之后随着太阳直接辐射强度的减弱而降低。造成电池温度突然上升的原因主要跟天气因素有关，因为本文所搭建的聚光系统是在户外，且所采用的是翅片式热管散热器，主要依靠对流的方式与环境进行换热，因此，一些环境因素诸如风速、环境温度的变化会对其性能会产生一定的影响，从而造成电池温度的波动。

图6 电池温度和直接辐射强度的关系

3.2.4 电池效率的变化

图7和图8显示的直接辐射强度和电池温度对砷化镓电池效率的影响。在图7中，跟电池功率的变化趋势相反，随着直接辐射强度的增加，电池转化效率是逐渐下降的。之所以这样，主要是因为，从电池转化效率的式(1)可以看出，当直接辐射强度逐渐减少时，虽然电池功率也在减少，但是电池功率的变化幅度比直接辐射强度的变化幅度大，造成分母比分子变化的快，所以电池的转化效率会有升高的趋势。此外电池的温度也对转化效率有很大的影响。从图8中可以看出，在14：00之后时段，由于电池温度的下降，电池转化效率均有一定程度的上升。

图7 电池效率和直接辐射强度的关系

图8 转化效率和电池温度的关系

从这两幅图中可以看出，影响电池转化效率的因素主要有：(1)是照射到电池上的直接辐射强度；(2)电池的温度。对于第一点，主要依赖电池的材料构成。对于第二点，可以采用高效率的散热器，尽量降低电池的工作温度。廉价并高效率的散热器在聚光型光伏发电系统中一直是研究者们的热点问题。

3 改善热管蒸发端换热特性的措施

(1)设计热管蒸发端的时候，要保持流体在蒸发器内的均匀流动，流体进口位置要适中避免偏向蒸发端的一侧，还要避免产生回流，以减小对换热性能的影响。

(2)对蒸发器部分各个热阻进行了计算，根据对各个热阻大小的针对性地比较提出了强化措施，以达到更理想的散热效果：1)保持发热元件和蒸发器底部的接触良好，可以在接触面涂上导热胶或者导热油脂等可以减小接触热阻的物质；2)蒸发段内表面采用烧结金属粉末、金属泡沫、加工槽道等措施，以提供汽化核心和增加蒸发段的实际蒸发面积；槽道的形式又是多种多样，可以是变槽宽也可以是复合槽型的，还可以采用高复合因子网芯结构。

[1]陈 岗,辛明道,陈远国.两相闭式热虹吸管内的流动和传热[J].工程热物理学报, 1987(82)：78-81.

[2]施明恒,甘永平,马重芳.沸腾和凝结[M]. 北京：高等教育出版社,1995.

(本文编辑：杨林青)

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 尧(1986)，女，硕士，从事热、电领域节能环保技术的研发与实施推广工作。

TM615

A

2095-1256(2015)06-0845-04

2015-10-22