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具有微流结构的多层散热器及应用研究

杨凯钧  
【摘要】:21世纪是一个电动汽车与汽油车相竞争的年代。关于电动车的发展技术之一就是太阳电动车。而制约着太阳电动车发展的首选原因是太阳电池的发电功率和体积。虽然聚光太阳电池具有发电功率大,但是在发电过程中却产生了多余的热负荷,这种热负荷必须在工作的过程中有效的散除,才能保证聚光太阳电池在较低的工作温度下运行。微流结构具有传热系数高、散热表面温度分布均匀等特点。因此,本文提出了具有微流结构的多层散热器来解决聚光太阳电池发电功率和有效的空间利用等问题。本文在阅读和分析大量国内外文献资料的基础上,对以下几个方面做了进一步深入的工作: (1)本文基于传统微流结构和多层散热器的技术特点,提出了一种具有微流结构的新型复杂多层散热器。进一步研究了聚光太阳电池的排列特点,并以获得聚光太阳电池表面温度分布的一致性和较高的传热系数为目的,在与聚光太阳电池背部接触的散热器下表面使用并排横向流过的短程微通道,这种短程微通道是通过多分支来实现,这种具有短程的微通道使得散热表面具有更一致的温度分布。一方面减小了流动阻力,即间接的减少了所耗费的泵功率;另一方面多分支进口和短程微通道的结构充分利用了工质在进口段具有较高散热特性的优势。此外,此种微流结构组成了具有微流结构的聚光太阳电池,具有这种结构的聚光太阳电池组件的平面面积与聚光太阳电池的表面积相比仅增加了11.7%,而与传统平板散热器相比,其表面尺寸减少65%。通过实验研究发现这种具有微流结构的多层散热器,其散热表面温度的均方差在0.76~1.88范围内,而散热器总的传热系数可以达到105数量级。可见这种新颖的散热结构不仅最大程度上减小了聚光太阳电池组件散热器的面积,而且也获得了更高的传热系数和更加一致的散热表面温度分布。 (2)根据增加表面粗糙度可以增强微流结构的换热效果,在确定合理的加工尺寸的同时,选择了数控电火花线切割加工了94 mm长、0.22 mm宽、深宽比为77:1的长直微通道。确定了微通道和多分支为一个加工单元,采用电火花线切割和数控加工中心实现了这个单元的加工,并在加工过程中考虑了毫米量级与微米量级的加工次序问题。以散热器的紧凑性为目的,将进、出口、增压室和导流孔设计在基底上,并通过数控加工中心、电火花成型机等设备实现了基底的加工。最后,采用钎焊的方法实现了盖板、微通道、多分支和基底等多个组件的封装,并在封装过程中,解决了填料易堵塞微通道的难题并制得了具有微流结构的散热器。通过上述研究,实现了新颖微流散热器的可行性工艺过程。 (3)本文采用了脉冲能量法,研究了具有微流结构的多层散热器在层流范围内的热力学和水力学特性。结果表明:热力学方面,在一定的热通量的前提下,流速与散热器的散热表面温度分布具有一定的关系,即:流速越大,散热表面的温度越低,而散热表面的温度分布也更加一致。同理,在固定热通量时,增大流速,散热表面的温度将更高,而流速对表面温度分布的影响甚微。在水力学方面,随着流速的增加,微通道的压降和总压降都趋于一致的增加,即:流速和压降成正比,而对于单个微通道来说,当流速在5.3~17.5 g/s时,压降主要集中在微通道内,微通道的压降基本保持线性的上升趋势,而多分支的压降则与微通道压降的增加趋势基本一致。当流速在17.5~35.6g/s范围内,压降主要集中在多分支内。可见,在低流速时,总压降主要由微通道的压降引起,而在高流速下,总压降主要由多分支的压降引起。 (4)本文将研究的多层散热器应用于聚光太阳电池中。针对此种聚光太阳电池,在一定辐射强度下,由于电压、电流特性引起电池功率的不同为出发点,分析了串联组件在不同条件下的光电特性以及聚光太阳电池的表面温度分布。在无聚光条件下,聚光太阳电池的开路电压为1.592 V,短路电流为16.78 A,发电功率为26.71 mW。 而在聚光条件下的开路电压为1.47 V,短路电流为1.62 A,发电功率为2.38 W。在聚光条件下,所激发的发电功率是无聚光条件下发电功率的89.1倍。而在聚光条件下,聚光电池的表面温度达到了100℃,超过了聚光太阳电池正常的工作温度范围。并且随着时间的增加,其光电特性呈现出明显的下降趋势,所以必须采用有效的冷却方式将多余的热量带走。基于此问题,采用热像仪、ADAM4019+数据采集器和组态王软件组成了动态监测系统,对具有微流结构的聚光太阳电池实现了开路电压、短路电流、发电功率以及散热器的总传热系数和总压降的动态分析。结果表明:在28X、37X和70X聚光条件下,聚光太阳电池的开路电压、短路电流和发电功率的值分别为1.57 V,1.844 A和2.91 W,而此时的聚光太阳电池的表面温度的平均值为41℃。进一步分析了,质量流速在23.55 g/s时,在不同聚光比下的聚光太阳电池的光电特性,随着聚光比的增加,聚光电池的短路电流增加的幅度较大,而开路电压则相应的降低,发电功率随着聚光比的增加有所降低。最后分析了质量流速为66.3 g/s和不同聚光比下的电池表面温度分布。在70X的聚光条件下,聚光太阳电池的表面温度的平均值将低于37℃。研究结果表明本文研究的具有微流结构的聚光太阳电池可以实现较好的光电特性和满意的工作温度。


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