引信熱光伏電源系統中的一種兩段式風帽結構*

余春華，齊杏林，高 敏

(解放軍軍械工程學院，石家莊 050003)

0 引言

熱光伏(thermo photo voltaic，TPV)發電技術是將高溫物體的熱輻射能直接轉換成電能的技術。TPV技術在1956年被美國H.Kolm［1］首次提出。70、80年代美國軍方曾經針對將TPV技術用于野戰發電機［2］、海底無人車發電機［3］進行過論證研究，但限于當時光電轉換單元極其低下的發電效率，TPV技術并不實用。直到90年代中期，以銻化鎵(GaSb)為材料的光電轉換單元的批量生產，TPV技術才得到進一步研究和發展并逐漸走向實用。2008年，美國ARDEC首次提出將TPV技術應用到彈藥上，并進行了實驗，達到了 6級技術成熟度［4］。2009年，ARDEC的Pereira等人［5］提出將TPV技術應用于引信中，并作為引信混合電源的重要組成部分。Pereira等人提出的引信TPV電源的發電功率比較低，分析原因是作為TPV系統輻射體的風帽的溫度不高，對此，文中提出一種兩段式風帽結構，以提高風帽頭部的溫度，從而提高發電功率。

1 引信熱光伏電源系統基本構造與作用

引信熱光伏電源系統的基本結構可用圖1所示的半剖視圖表示。

圖1 引信熱光伏電源系統

彈丸在超聲速飛行時，由于氣動加熱效應［6］，處于其頭部的引信風帽不斷被加熱，溫度逐漸升高，最終形成穩態的溫度場。高溫風帽的內、外表面均向外輻射能量，即熱輻射。

光電轉換單元的實質是帶兩個電極的半導體PN結，它可以吸收一定能量的光子并在其兩端形成電動勢，這就是光生伏特效應。光電轉換單元可以吸收利用的最低能量光子的能量稱為其禁帶寬度［7］。

濾光片具有選擇性透過某些波段光譜的作用。在這里，濾光片可以阻止風帽輻射的光子中低于光電轉換單元禁帶寬度的光子到達光電轉換單元表面，因為這部分光子不僅不能激發光生伏特效應，還會加熱光電轉換單元，降低其發電效率。

由于濾光片的濾光作用不可能完全理想，再加上光電轉換單元發電的過程中也會產生一定的熱量，這會使光電轉換單元的溫度逐漸升高，不僅帶來發電效率的下降，甚至還有可能造成不可逆的損傷［7］。散熱裝置通過加速熱量的轉移，延緩光電轉換單元的升溫速度。

2 兩段式風帽結構及作用原理

根據斯忒藩-玻耳茲曼定律和維恩位移定律，隨著溫度的升高，風帽的熱輻射強度迅速增大，且輻射光譜中心向短波方向移動［8］，即風帽溫度越高，光電轉換單元可以利用的輻射強度越高，發電功率就越高。因此，提高風帽溫度，尤其是風帽頭部內表面溫度，成為提高引信熱光伏電源發電功率的主要手段。

圖2(a)是頭部球面半徑RN=10 mm，尾部錐面半錐角θc=10°，材料為碳化硅(SiC)，腔內為空氣，飛行馬赫數Ma=5的風帽頭部的穩態溫度場以等溫線表示的仿真結果。根據傅里葉導熱定律［9］，熱量總是沿溫度梯度的反方向傳遞，即傳熱方向垂直于等溫線。據此可判斷出，穩態時，從風帽頭部傳入的熱量，最終從風帽尾部傳出。圖2(b)為穩態時風帽外表面上的凈熱量密度分布曲線，其中橫坐標為風帽外表面上的點與駐點的水平距離，縱坐標為該點的凈熱量密度(氣動熱與輻射熱的代數和)。曲線很明顯地反映出，風帽頭部的凈熱量密度為正值，即為輸入熱流，風帽尾部的凈熱量密度為負值，即為輸出熱流。正負分界點剛好就是風帽球面和錐面的相切點。

現在假想在正負熱流分界點處存在一絕熱壁面將風帽分成前后兩端，那么由于風帽頭部向尾部的導熱途徑被阻斷，頭部的溫度將會進一步升高。從頭部傳入的熱量只能通過內部空氣向尾部傳遞，進而排出到風帽外面。空氣本來就是一種低導熱材料，若再將風帽尾部的材料換成一種低導熱材料，那么經此路徑傳遞的熱量也會被抑制，從而有利于頭部溫度的升高。

圖2 風帽穩態溫度場及凈熱流密度分布

基于上述分析，提出一種由風帽輻射體和風帽隔熱體通過高溫膠粘劑粘接而成的兩段式風帽結構，如圖3所示。風帽輻射體采用高導熱率的陶瓷結構材料SiC，導熱率高可以使其溫度分布更均勻，SiC的輻射率較高，以上兩因素結合可使頭部輻射出的能量盡可能高。風帽隔熱體采用低導熱率的陶瓷結構材料氧化鋯(ZrO2)，其低熱導率和低輻射率的特點既有利于提高風帽輻射體的溫度，又降低了向內部發電裝置的輻射，即減小了散熱壓力。高溫膠粘劑采用鈉水玻璃膠粘劑。

圖3 兩段式風帽結構

3 仿真驗證

為了驗證兩段式風帽的效果，借助于流場仿真軟件Fluent，利用已開發的內表面溫度快速數值計算法，對單材料風帽和兩段式風帽的內表面的穩態溫度分別進行計算，通過對比得出結論。有關內表面溫度快速數值計算法及仿真參數的詳細設置參見在此之前發表的文章，這里只給出基本的仿真參數。

3.1 仿真參數設置

1)結構參數

風帽模型1為兩段式風帽，模型2為單材料風帽。兩個風帽模型結構尺寸相同，均由球面和錐面構成，其中球面半徑RN=10 mm，錐面半錐角θc=10°，風帽厚2 mm，長90 mm。

2)材料參數

風帽模型1中的風帽輻射體、高溫膠粘劑、風帽隔熱體的材料分別為SiC、鈉水玻璃、ZrO2;模型2的材料全為SiC。上述3種材料的熱物理性質見表1。

表1 材料熱物理性質［10］

3)飛行參數

飛行高度恒定為海拔500 m，取此高度的大氣參數作為飛行來流參數，忽略重力影響;飛行攻角為0;飛行速度為5 Ma。

3.2 仿真結果

圖4是仿真所得的兩種風帽模型的內表面溫度在時刻t=1s，10 s，100 s和穩態時的分布曲線。通過對比發現，兩段式風帽的頭部溫度要高于單材料風帽，且分布更加均勻，而其尾部溫度要低于單材料風帽，有利于減小散熱裝置的散熱壓力。上述結果均與上一節分析的結果相符。

假設風帽內表面的球面部分和錐面部分連接處的圓周線構成的平面記為A。為了量化兩段式風帽對頭部溫度帶來的影響，利用Fluent中的S2S輻射模型，計算由風帽內表面的球面部分發射的且最終到達平面A的輻射功率，所得結果如表2所示。

表2 入射到平面A的輻射功率 W

表2數據表明，風帽頭部溫度的升高，確定帶來了輻射功率的巨大提升，在氣動加熱初始階段，這種提升作用尤其明顯。輻射功率的提升，也就使引信熱光伏電源系統的發電功率得到提升。

圖4 兩種風帽模型內表面溫度在不同時刻的分布曲線

4 結論

文中提出了一種用于引信熱光伏電源系統的兩段式風帽結構。該結構由高導熱率的風帽輻射體和低導熱率的風帽隔熱體通過高溫膠粘劑粘接而成。理論及數值計算結果均表明，與采用單一材料的風帽相比，兩段式風帽不僅頭部溫度更高，分布更均勻，輻射功率大大提高，而且尾部溫度更低，有利于散熱。總而言之，兩段式風帽可以提高引信熱光伏電源系統的發電功率。但是，由于兩段式風帽結構中使用了高溫膠粘劑，目前，雖然有耐熱溫度高達1 500℃的硅酸鹽類膠粘劑，但普遍存在著粘接強度不高，耐水性及高低溫循環性差等缺點［11］，因此，在高溫膠粘劑方面，還需要開展更深入的研究。

［1］Kolm H H.Solar-battery power source quarterly progress report:Solid state research［R］.Massachusetts，USA，1956.

［2］Guazzoni G，Kittl E.Cylindrical Erbium Oxide Radiator Structures for Thermophotovoltaic Generators，ECOM R ＆ D Tech.Rep.4249［R］.1974.

［3］Holmquist G，Wong E，Waldman C.Laboratory Development TPV Generator［C］∥ Proc.Second NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity，1995.

［4］Pereira C M，Janow C，Mcmullan C W.Munitions energy system:USP，7506586［P］.2009-03-24.

［5］Amabile K，Dratler R，McMullen C，et al.An overview of novel power sources for advanced munitions，ADA 519962［R］.Picatinny Arseanl，NJ:US Army Armament Research，Development and Engineering Center，2009.

［6］張志成，潘梅林，劉初評.高超聲速氣動熱和熱防護［M］.北京:國防工業出版社，2003.

［7］盧克，哈格達斯.光伏技術與工程手冊［M］.北京:機械工業出版社，2011.

［8］斯帕羅 E M，塞斯 R D.輻射傳熱［M］.北京:高等教育出版社，1982.

［9］許國良，王曉墨，鄔田華.工程傳熱學［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［10］馬慶芳，方榮生.實用熱物理性質手冊［M］.北京:中國農業機械出版社，1986.

［11］董柳杉，羅瑞盈.耐高溫膠黏劑的研究進展［J］.炭素技術，2013，32(3):4-8.