引信热光伏电源系统中的一种两段式风帽结构*

余春华，齐杏林，高 敏

(解放军军械工程学院，石家庄 050003)

0 引言

热光伏(thermo photo voltaic，TPV)发电技术是将高温物体的热辐射能直接转换成电能的技术。TPV技术在1956年被美国H.Kolm［1］首次提出。70、80年代美国军方曾经针对将TPV技术用于野战发电机［2］、海底无人车发电机［3］进行过论证研究，但限于当时光电转换单元极其低下的发电效率，TPV技术并不实用。直到90年代中期，以锑化镓(GaSb)为材料的光电转换单元的批量生产，TPV技术才得到进一步研究和发展并逐渐走向实用。2008年，美国ARDEC首次提出将TPV技术应用到弹药上，并进行了实验，达到了 6级技术成熟度［4］。2009年，ARDEC的Pereira等人［5］提出将TPV技术应用于引信中，并作为引信混合电源的重要组成部分。Pereira等人提出的引信TPV电源的发电功率比较低，分析原因是作为TPV系统辐射体的风帽的温度不高，对此，文中提出一种两段式风帽结构，以提高风帽头部的温度，从而提高发电功率。

1 引信热光伏电源系统基本构造与作用

引信热光伏电源系统的基本结构可用图1所示的半剖视图表示。

图1 引信热光伏电源系统

弹丸在超声速飞行时，由于气动加热效应［6］，处于其头部的引信风帽不断被加热，温度逐渐升高，最终形成稳态的温度场。高温风帽的内、外表面均向外辐射能量，即热辐射。

光电转换单元的实质是带两个电极的半导体PN结，它可以吸收一定能量的光子并在其两端形成电动势，这就是光生伏特效应。光电转换单元可以吸收利用的最低能量光子的能量称为其禁带宽度［7］。

滤光片具有选择性透过某些波段光谱的作用。在这里，滤光片可以阻止风帽辐射的光子中低于光电转换单元禁带宽度的光子到达光电转换单元表面，因为这部分光子不仅不能激发光生伏特效应，还会加热光电转换单元，降低其发电效率。

由于滤光片的滤光作用不可能完全理想，再加上光电转换单元发电的过程中也会产生一定的热量，这会使光电转换单元的温度逐渐升高，不仅带来发电效率的下降，甚至还有可能造成不可逆的损伤［7］。散热装置通过加速热量的转移，延缓光电转换单元的升温速度。

2 两段式风帽结构及作用原理

根据斯忒藩-玻耳兹曼定律和维恩位移定律，随着温度的升高，风帽的热辐射强度迅速增大，且辐射光谱中心向短波方向移动［8］，即风帽温度越高，光电转换单元可以利用的辐射强度越高，发电功率就越高。因此，提高风帽温度，尤其是风帽头部内表面温度，成为提高引信热光伏电源发电功率的主要手段。

图2(a)是头部球面半径RN=10 mm，尾部锥面半锥角θc=10°，材料为碳化硅(SiC)，腔内为空气，飞行马赫数Ma=5的风帽头部的稳态温度场以等温线表示的仿真结果。根据傅里叶导热定律［9］，热量总是沿温度梯度的反方向传递，即传热方向垂直于等温线。据此可判断出，稳态时，从风帽头部传入的热量，最终从风帽尾部传出。图2(b)为稳态时风帽外表面上的净热量密度分布曲线，其中横坐标为风帽外表面上的点与驻点的水平距离，纵坐标为该点的净热量密度(气动热与辐射热的代数和)。曲线很明显地反映出，风帽头部的净热量密度为正值，即为输入热流，风帽尾部的净热量密度为负值，即为输出热流。正负分界点刚好就是风帽球面和锥面的相切点。

现在假想在正负热流分界点处存在一绝热壁面将风帽分成前后两端，那么由于风帽头部向尾部的导热途径被阻断，头部的温度将会进一步升高。从头部传入的热量只能通过内部空气向尾部传递，进而排出到风帽外面。空气本来就是一种低导热材料，若再将风帽尾部的材料换成一种低导热材料，那么经此路径传递的热量也会被抑制，从而有利于头部温度的升高。

图2 风帽稳态温度场及净热流密度分布

基于上述分析，提出一种由风帽辐射体和风帽隔热体通过高温胶粘剂粘接而成的两段式风帽结构，如图3所示。风帽辐射体采用高导热率的陶瓷结构材料SiC，导热率高可以使其温度分布更均匀，SiC的辐射率较高，以上两因素结合可使头部辐射出的能量尽可能高。风帽隔热体采用低导热率的陶瓷结构材料氧化锆(ZrO2)，其低热导率和低辐射率的特点既有利于提高风帽辐射体的温度，又降低了向内部发电装置的辐射，即减小了散热压力。高温胶粘剂采用钠水玻璃胶粘剂。

图3 两段式风帽结构

3 仿真验证

为了验证两段式风帽的效果，借助于流场仿真软件Fluent，利用已开发的内表面温度快速数值计算法，对单材料风帽和两段式风帽的内表面的稳态温度分别进行计算，通过对比得出结论。有关内表面温度快速数值计算法及仿真参数的详细设置参见在此之前发表的文章，这里只给出基本的仿真参数。

3.1 仿真参数设置

1)结构参数

风帽模型1为两段式风帽，模型2为单材料风帽。两个风帽模型结构尺寸相同，均由球面和锥面构成，其中球面半径RN=10 mm，锥面半锥角θc=10°，风帽厚2 mm，长90 mm。

2)材料参数

风帽模型1中的风帽辐射体、高温胶粘剂、风帽隔热体的材料分别为SiC、钠水玻璃、ZrO2;模型2的材料全为SiC。上述3种材料的热物理性质见表1。

表1 材料热物理性质［10］

3)飞行参数

飞行高度恒定为海拔500 m，取此高度的大气参数作为飞行来流参数，忽略重力影响;飞行攻角为0;飞行速度为5 Ma。

3.2 仿真结果

图4是仿真所得的两种风帽模型的内表面温度在时刻t=1s，10 s，100 s和稳态时的分布曲线。通过对比发现，两段式风帽的头部温度要高于单材料风帽，且分布更加均匀，而其尾部温度要低于单材料风帽，有利于减小散热装置的散热压力。上述结果均与上一节分析的结果相符。

假设风帽内表面的球面部分和锥面部分连接处的圆周线构成的平面记为A。为了量化两段式风帽对头部温度带来的影响，利用Fluent中的S2S辐射模型，计算由风帽内表面的球面部分发射的且最终到达平面A的辐射功率，所得结果如表2所示。

表2 入射到平面A的辐射功率 W

表2数据表明，风帽头部温度的升高，确定带来了辐射功率的巨大提升，在气动加热初始阶段，这种提升作用尤其明显。辐射功率的提升，也就使引信热光伏电源系统的发电功率得到提升。

图4 两种风帽模型内表面温度在不同时刻的分布曲线

4 结论

文中提出了一种用于引信热光伏电源系统的两段式风帽结构。该结构由高导热率的风帽辐射体和低导热率的风帽隔热体通过高温胶粘剂粘接而成。理论及数值计算结果均表明，与采用单一材料的风帽相比，两段式风帽不仅头部温度更高，分布更均匀，辐射功率大大提高，而且尾部温度更低，有利于散热。总而言之，两段式风帽可以提高引信热光伏电源系统的发电功率。但是，由于两段式风帽结构中使用了高温胶粘剂，目前，虽然有耐热温度高达1 500℃的硅酸盐类胶粘剂，但普遍存在着粘接强度不高，耐水性及高低温循环性差等缺点［11］，因此，在高温胶粘剂方面，还需要开展更深入的研究。

［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］张志成，潘梅林，刘初评.高超声速气动热和热防护［M］.北京:国防工业出版社，2003.

［7］卢克，哈格达斯.光伏技术与工程手册［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［8］斯帕罗 E M，塞斯 R D.辐射传热［M］.北京:高等教育出版社，1982.

［9］许国良，王晓墨，邬田华.工程传热学［M］.北京:中国电力出版社，2011.

［10］马庆芳，方荣生.实用热物理性质手册［M］.北京:中国农业机械出版社，1986.

［11］董柳杉，罗瑞盈.耐高温胶黏剂的研究进展［J］.炭素技术，2013，32(3):4-8.