基于熱管散熱平臺的熱光伏系統(tǒng)實驗研究

陳雪，王文，盧軍，錢子勍

（1. 上?？臻g電源研究所，上海 200245；2. 上海交通大學，上海 200240）

基于熱管散熱平臺的熱光伏系統(tǒng)實驗研究

陳雪1，王文2，盧軍2，錢子勍1

（1. 上?？臻g電源研究所，上海 200245；2. 上海交通大學，上海 200240）

針對深空探測同位素電源的發(fā)展需求，設(shè)計了一套基于熱管散熱平臺的熱光伏系統(tǒng)，采用分離型熱管實現(xiàn)了熱光伏系統(tǒng)的熱控要求，并實驗驗證了熱光伏系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換性能。研究了加熱功率、充液量對熱管啟動特性、壁面溫度的影響，分析了輻射器溫度、電池溫度對系統(tǒng)電輸出特性的影響，并對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率進行了評估，結(jié)果表明：采用熱管散熱器可有效將半導(dǎo)體電池溫度控制于25 ℃以下，在輻射器溫度為1 173 ℃時，系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率達到12.1%。

分離型熱管；熱光伏；電池功率；效率

引用格式：陳雪，王文，盧軍，等. 基于熱管散熱平臺的熱光伏系統(tǒng)實驗研究［J］. 深空探測學報，2016，3（3）：288-292.

Reference format: Chen X，Wang W，Lu J，et al. Experimental investigation of the RTPV system with heat pipe［J］. Journal of Deep Space Exploration，2016，3（3）：288-292.

0　引　言

在深空探測領(lǐng)域，美國、前蘇聯(lián)等國家相繼發(fā)布過自己的星際飛行（深空探測）戰(zhàn)略，其中，美國把發(fā)展核電源系統(tǒng)作為星際飛行的重點方向［1］。中國在深空探測方面也有自己的發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計在不久將實現(xiàn)火星探測，并希望盡早實現(xiàn)木星、土星等太陽系其他行星的探測以及太陽系外的星際飛行。在深空探測任務(wù)中，隨著探測器距離太陽越來越遠，太陽能電池的輸出效率也會隨之下降，直至完全喪失作用，而核電源系統(tǒng)不受太陽光照的限制，可以更好地滿足探測器對能量的需求。

熱光伏是應(yīng)用于同位素電源的一種高效熱電轉(zhuǎn)換方式，通過窄禁帶的半導(dǎo)體電池的pn結(jié)效應(yīng)將高溫輻射體發(fā)出的紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能。熱光伏系統(tǒng)具有理論效率較高、噪音低、無移動部件、可便攜、可靠性高、高體積比功率等優(yōu)點［2］。因此，同位素熱光伏發(fā)電技術(shù)可成為滿足深空探測快速發(fā)展的又一種有效途徑。

目前熱光伏技術(shù)的研究已在全世界范圍成為熱點，美國、俄羅斯、德國、澳大利亞、英國、瑞士和日本等國家的光伏研究機構(gòu)和大學都在積極開展熱光伏系統(tǒng)的研究工作，力圖通過基礎(chǔ)研究使這項新技術(shù)實用化。美國Glenn實驗室用同位素燃料PuO2作為熱源設(shè)計了熱光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了禁帶寬度為0.6 eV的 InGaAs電池，轉(zhuǎn)換效率達到17%，輸出功率為100 W，重量比功率可以達到14 W/kg［3-4］。熱光伏系統(tǒng)中的電池冷卻主要采用風冷強迫對流的方式以及水冷的散熱方式。Qiu等（2009）使用天然氣燃料的熱光伏系統(tǒng)和小型熱電聯(lián)產(chǎn)光伏系統(tǒng)，分別采用配有風扇的風冷和冷卻肋片的水冷兩種冷卻方式，對系統(tǒng)的冷卻性能進行了對比分析［5］。

本文針對空間應(yīng)用需求，開展了基于分離式熱管散熱平臺的熱光伏系統(tǒng)研制，根據(jù)同位素熱光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、熱控需求，確定了熱管溫控系統(tǒng)蒸發(fā)段及冷凝段的形式與結(jié)構(gòu)設(shè)計，組建了熱控實驗平臺，并開展了熱管實驗性能的測試研究，包括啟動特性、熱均勻性等測試以及各工況下運行性能等，綜合分析了影響系統(tǒng)熱性能以及穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。同時將熱管散熱器件和熱電轉(zhuǎn)換裝置相連接，搭建了大功率熱光伏實驗系統(tǒng)，對熱光伏系統(tǒng)的電輸出性能進行了測試，為深空探測飛行器的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1　分離式熱管散熱平臺

1.1實驗裝置

熱管散熱系統(tǒng)由分離型重力平板熱管換熱器以及輻射冷板兩部分組成，如圖1所示。電池貼在蒸發(fā)段內(nèi)壁面上，電池吸收部分紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能，其余熱量由電池傳導(dǎo)給熱管平板蒸發(fā)段。蒸發(fā)段腔體內(nèi)的液相工質(zhì)發(fā)生沸騰相變變?yōu)闅庀啵瑲庀喙べ|(zhì)沿上升絕熱管向上流動至熱管輻射冷板入口，輻射冷板向外輻射散熱使氣相工質(zhì)被冷凝成液相，從輻射冷板出口流出后沿下降絕熱管流回蒸發(fā)器內(nèi)再次參與沸騰，這樣就完成了一次工質(zhì)流動循環(huán)。通過工質(zhì)在分離型重力平板熱管換熱器內(nèi)的循環(huán)，多余的熱量不斷被帶走，從而使得電池溫度處于正常工作溫區(qū)之內(nèi)［6］。

圖1　熱管散熱裝置Fig.1　Heap pipe cooling system

分離型重力平板結(jié)構(gòu)熱管蒸發(fā)段由上密封蓋、圓柱殼體及上下端蓋組成。圓柱殼體在8個面各有一個弧形腔體，在腔體內(nèi)靠近壁面處放入8層200目的不銹鋼絲網(wǎng)，以提高蒸發(fā)段溫度的均勻性。在蒸發(fā)段腔體內(nèi)增加14條突起的矩形肋用以固定絲網(wǎng)。在八邊形內(nèi)壁轉(zhuǎn)角處設(shè)計了突起的柱狀結(jié)構(gòu)，在柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)開有凹槽用以固定電池片及濾光片。熱管蒸發(fā)段的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　熱管蒸發(fā)段示意圖Fig.2　Diagram of the evaporation of the heat pipe

本實驗所使用測試系統(tǒng)由計算機、K型熱電偶、壓力變送器、電源以及數(shù)據(jù)采集器組成，其中數(shù)據(jù)采集器采用吉時利2 700型，以實現(xiàn)對壁面溫度與管內(nèi)工作壓力的實時監(jiān)測。采用K型熱電偶進行溫度的測量。在熱管蒸發(fā)段壁面、蒸發(fā)段進出管管壁面及分液器冷卻水進出口端均布置了熱電偶以進行溫度監(jiān)測。在進出口管道上設(shè)置了壓力變送器，冷卻液充注前采用旋片真空泵對熱管回路進行抽真空。

1.2熱管工作性能測試結(jié)果

在管壁上沿著工質(zhì)的流動方向從低到高每隔0.025 m布置6個熱電偶T1、T2、T3、T4、T5、T6。

在實驗過程中，首先充入工質(zhì)450 g，充液率為40.9%。設(shè)置冷源溫度為10 ℃，運行一段時間后，改變中心加熱棒加熱功率，從200 W開始，每次增加200 W，一直升至2 kW，每個工況大約持續(xù)運行15 min，記錄溫度和壓力信號，觀察熱管蒸發(fā)段變工況運行狀況。之后每次增加150 g充注量進行相同的變工況運行。不同充注量不同工況下熱管壁面溫度曲線如圖3～圖5所示。

圖3　450 g（40.9%充液率）充注量沿程壁溫變工況實驗曲線Fig.3　Temperature variation along the wall under the filling amount of 450 g

圖4　600 g（54.5%充液率）充注量沿程壁溫變工況實驗曲線Fig.4　Temperature variation along the wall under the filling amount of 600 g

由圖3～圖5可見，當加熱功率升至200 W時，溫度不斷上升，當加熱功率從200 W升至400 W后，溫度先隨之升高而后出現(xiàn)大幅下降。在熱源溫度較低時，蒸發(fā)段未進入充分的兩相沸騰換熱區(qū)域，此時熱量主要由其顯熱帶走，熱管內(nèi)工質(zhì)溫度不斷上升。當熱源溫度不斷升高，蒸發(fā)段工質(zhì)沸騰量增多，進入兩相沸騰換熱區(qū)域，換熱系數(shù)溫差減小，溫度下降。充注量較小且加熱功率較高時，熱管蒸發(fā)段上部出現(xiàn)明顯的過熱現(xiàn)象，工質(zhì)進入蒸發(fā)器后很快就被蒸干，兩相區(qū)較短，上部基本處于過熱狀態(tài)，工質(zhì)過熱比較嚴重；隨著加熱功率增大，熱管過熱度也不斷增大。充注量增大后熱管內(nèi)工質(zhì)進入充分發(fā)展的兩相沸騰狀態(tài)，兩相區(qū)變長，整體溫度比較均勻，溫差較小，即使在較高的功率下也未出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。充注量在熱源溫度達1 500 K（1.8 kW）時壁溫穩(wěn)定在22 ℃附近，沿程溫差很小，在0.5 ℃以內(nèi)。

圖5　750 g（68.2%充液率）充注量沿程壁溫變工況實驗曲線Fig.5　Temperature variation along the wall under the filling amount of 750 g

使用紅外熱像儀拍攝熱管外壁溫度云圖，如圖6所示，熱管壁面除入口底部外溫度基本都處在19～22 ℃的區(qū)間范圍之內(nèi)，具有良好的溫度均勻性。

圖6　熱管紅外熱像圖Fig.6　Thermography of the heat pipe

2　基于熱管散熱平臺的熱光伏系統(tǒng)

2.1熱光伏實驗裝置

基于電加熱熱光伏系統(tǒng)實驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括供電系統(tǒng)、電加熱模塊、熱電轉(zhuǎn)換模塊、冷卻系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等。通過調(diào)壓器控制輸入電壓，以控制輸入功率，加熱管由于使用電流很大，因此采用繼電器控制接觸器進行開合控制。

圖7（b）為出熱電轉(zhuǎn)換模塊示意圖，熱電轉(zhuǎn)換器件都是通過冷卻系統(tǒng)支撐的。電池采用基于Zn擴散工藝的GaSb電池，GaSb電池直接貼于氧化鋁陶瓷片上，并固定于散熱器內(nèi)壁面。在靠近電池表面處布置光子晶體結(jié)構(gòu)濾波器，SiC輻射器置于整個裝置中央，在高溫條件下對外發(fā)出紅外輻射能，經(jīng)濾波器光譜調(diào)控，部分紅外光子通過GaSb電池轉(zhuǎn)換為電能對外輸出，其余輻射能量返回輻射器重新利用。

光伏電池組件的輸出短路電流、開路電壓和最大輸出功率采用Keithley2400進行測量，輻射器壁面溫度采用K型熱電偶連接數(shù)據(jù)采集儀進行記錄，輻射器輻射熱流密度用TRHFS-10C型輻射熱流計來測量，信號通過HP數(shù)據(jù)采集儀和電腦來顯示及記錄。

圖7　熱光伏系統(tǒng)實驗裝置圖Fig.7　Schematic diagram of the thermophotovoltaic system

2.2實驗結(jié)果分析

實驗采用了2個組件，每個組件布置8片電池，通過調(diào)整輸入電功率，控制輻射器溫度，測試電池輸出電性能。實驗測試結(jié)果如圖8～11所示，圖8為不同溫度條件下的I-V曲線，圖9～11所示開路電壓、短路電流、輸出功率隨輻射器溫度的變化。其中Te為輻射器表面3個測試點的平均值。由圖9～圖11可見，隨著輻射器溫度的上升，到達電池的輻射熱流密度不斷增加，電池短路電流和輻射器溫度的四次方成正比，短路電流隨著輻射器溫度的升高而上升；而開路電壓卻隨輻射器溫度變化很小甚至略有下降，這是由于當輻射器輻射功率達到一定程度時，電池開路電壓隨輻射功率的增加變化很小，主要取決于電池自身溫度，因此隨著電池溫度的升高，其開路電壓反而有所下降。電池輸出功率隨著溫度的升高逐漸增大，當輻射器溫度達到1 173 ℃時，16片串聯(lián)電池組件輸出功率達到16.76 W。

圖8　熱光伏電池陣列輸出I-V曲線Fig.8　I-V curve of the cell array

圖9　短路電流隨輻射器溫度的變化Fig.9　Variation of the short-circuit current with the emitter temperature

圖10　開路電壓隨輻射器溫度的變化Fig.10　Variation of the open-circuit voltage with the emitter temperature

圖11　電池輸出功率隨輻射器溫度的變化Fig.11　Variation of the output power with the emitter temperature

2.3系統(tǒng)性能評估

水冷散熱器內(nèi)壁面共8個面，每個面可布置2個組件，則熱光伏系統(tǒng)單機輸出功率可達到130 W。TPV系統(tǒng)熱電效率定義為系統(tǒng)凈輸出電功率和輻射器發(fā)出的有效輻射能的比值

其中：Pelectricity為電池組產(chǎn)生的電功率；N為系統(tǒng)采用的電池組件數(shù)；Fc為輻射器和電池組件的輻射傳遞系數(shù)。

根據(jù)前面測得電池輸出性能，代入式（1）計算得到熱光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率隨輻射器溫度變化，如圖12所示，系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率最高達到12.1%。按照理論計算，轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該隨著輻射器溫度的升高而增大，而在實驗過程中，由于電池溫度的升高，引起電池短路電流增長趨勢減緩，隨著輻射器溫度的升高，電池輸出功率的增長梯度可能小于輸入能量的增幅，因此效率呈現(xiàn)減小的變化情況。

圖12　系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率隨輻射器溫度的變化Fig.12　Variation of the thermo-electric conversion efficiency with the emitter temperature

3　總　結(jié)

本文設(shè)計了一臺基于熱管散熱平臺的熱光伏系統(tǒng)，采用分離型熱管作為熱光伏系統(tǒng)的熱控方式，實現(xiàn)熱光伏系統(tǒng)半導(dǎo)體材料溫度的控制，并搭建了熱光伏轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，研究了不同輸入條件下的系統(tǒng)輸出功率。實驗中，研究了加熱功率、充液量對啟動特性、熱均勻性、壁面溫度的影響，分析了不同熱輻射器溫度條件下的電池溫度及輸出特性，對熱光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率進行了評估，主要結(jié)論如下：

1）隨著加熱功率增大，需增加充液量，75%充注量在熱源溫度達1 500 K（1.8 kW）時壁溫穩(wěn)定在22 ℃附近，沿程溫差很小，在0.5 ℃以內(nèi)。

2）采用熱管散熱器有效實現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的溫度控制，使得電池輸出性能有了較大的提高。電池輸出功率隨著輻射器溫度的升高逐漸增大，當輻射器溫度達到1 173 ℃時，電池組件輸出功率達到16.76 W，系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率最高達到12.1%。

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Experimental Investigation of the RTPV System with Heat Pipe

CHEN Xue1，WANG Wen2，LU Jun2，QIAN Ziqing1
（1. Shanghai Institute Of Space Power，Shanghai 200245，China；2. Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Aiming at the power requirements of the deep-space exploration，a set of the thermo-photovoltaic system with heat pipe is designed in this article. The separate gravity heat pipe is employed to realize the thermal control requirement，and the thermo-electric conversion capability of the TPV system is confirmed. The effect of the thermal power，amount of the working fluid on the startup performance，wall temperature is investigated. Also the influence of the temperature of the emitter and the cell on the system electrical output performance is analyzed. The results indicate that the heat pipe can control the cell temperature below 25℃.While the emitter temperature reaches 1 173 ℃，the thermal-electric conversion efficiency reaches 12.1%.

separate heat pipe；thermo-photovoltaic；electric power；efficiency

TM914

A

2095-7777（2016）03-0288-5

10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.014

陳雪（1983- ），女，高級工程師，主要研究方向：新型熱光伏發(fā)電技術(shù)、空間核電源技術(shù)。

［責任編輯：高莎］

2015-10-30；

2015-11-20