太阳能集中空调系统的研究

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研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术

中国设备工程 2018.03 (下)

太阳能作为一种清洁可再生能源具有广阔的发展应用前景。目前，太阳能的利用主要以光热转换和光电转换两种方式为主，光热转换是通过太阳光与传热介质间的相互作用，将太阳辐射能直接转换成介质热能加以利用；光电转换则是利用光电效应把太阳辐射能转化成电能，然后再加以利用。本研究基于光电转换方式，即将太阳能电池板形成的直流电能通过能量转换、热交换和合理布局，使其夏季制冷，冬季供热，为建筑物提供集中空调。

1 太阳能集中空调系统的工作原理

1.1 夏季制冷工作原理

太阳以光辐射的方式向地球发射能量，晶体硅太阳能电池板可利用半导体材料的光电效应将太阳辐射能转换成直流电能。目前，晶体硅太阳能电池板的生产在国内已实现产业化，国家亦对太阳能发电并网提供了相

关的鼓励和补贴政策。

太阳能集中空调系统的夏季制冷原理是利用太阳能电池板将太阳能转化为直流电能，然后驱动半导体片制冷。半导体片基于帕尔帖效应，在直流电的作用下，可分别在其两端产生冷量和热量，冷量与平板式换热器进行热交换，产生冷冻水，可为建筑物集中空调系统提供冷源。与此同时，为实现能量平衡，热量则需转移，热量转移的多少及效率，是制冷系统高效、稳定运行的关键。为保证将冷冻水温度控制在设定值，提高能源利用效率，本研究采用热管换热技术，即通过热管蒸发器和冷凝器将热量转移至闭式冷却塔，然后采用强制通风和水喷淋措施来实现与周围环境的热交换。将半导体片放热端温度控制在设定值，可实现半导体片制冷的连续和稳定运行，为用户夏季空调提供冷负荷。1.2 冬季供热工作原理

冬季，太阳能电池板将太阳能转化为直流电能，

太阳能集中空调系统的研究

王泳荃

（长沙市南雅中学，湖南长沙 410129）

摘要：将半导体制冷技术和热管换热技术应用于太阳能集中空调，并对其原理和结构进行了分析和研究，以期探索太阳能用于建筑物集中空调系统的新途径。

关键词：太阳能；集中空调；半导体片；热管换热；制冷；供热

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2018）03（下）-0140-02

杆形成平行四边形，随着圆规开度发生变化，连杆带动上、下枝杆水平滑动，通过变换平行四边形内角角度使量角装置的顶针始终与纸面垂直，以便达到精确制图。2.2 量角装置功能分析

量角装置使用时，中心顶针置于圆心处，定向针沿半径固定，调整圆规画脚与中心顶针的间距至半径长度，移动圆规画脚开始画圆或圆弧。由于针齿通过固定筒体固定在纸面上，转动过程中，筒体不动但带动第一转轴转动，第一转轴带动齿轮转动，齿轮带动与其啮合的锥齿轮转动，锥齿轮上的角度指针开始旋转，此时可以通过圆心角刻度盘读取所画圆弧对应的圆心角数值。圆心角刻度盘采用透明材质制作，正反两侧均可以读取数据，操作方便。2.3 定位装置功能分析

在定位装置中，滑套可沿圆规支脚移动，定位杆将圆规两脚顶开，当到达预定位置时，旋紧定位螺母，圆规画脚和圆规支脚实现固定，防止在画圆过程中半径

改变。

2.4 其他装置部分功能

圆规画脚上还带有刻度尺，方便直接量取半径。

3 结语

本实用创新型圆规的优点在于：通过应用连杆机构和平行四边形定则，使顶针始终垂直于纸面，达到制图的精确性。通过齿轮组的应用，将所画圆弧所对应的圆心角的度数转化为竖直透明角度盘数值显示，且所画圆的半径可由固定在圆规左臂的刻度尺测量出。带有定位螺母的连杆机构可使圆规张角大小更加稳定精确。顶针采用密集环绕式设计，使转动时顶针可牢固固定在纸面，不易松脱。角度刻度盘为透明材质，方便全方位观测。

本实用创新型圆规综合了圆规、量角器、刻度尺三种仪器的功能，操作简便，人性化，可大大提高作图效率。目前本实用创新型圆规已申请国家专利。

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中国设备

工程

Engineer ing hina C P l ant

中国设备工程 2018.03 （下）一部分直流电能直接加热循环水箱内的热水，为建筑物集中空调提供热

源，另一部分剩余直流电能则通过蓄电池组件将电能转换成化学能储存起来，用于热负荷调峰。为弥补高峰期冬季直流电加热器负荷能力的不足，在循环水箱内设有交流电加热器，用做热负荷的

补充和备用。

冬季热负荷和夏季冷负荷共用循环水泵及管路系统，通过阀门进行手动切换。

2 太阳能集中空调系统的结构研究

太阳能集中空调系统包括：太阳能发电系统、半导体降温系统、热管散热系统、闭式冷却塔系统、循

环水换热系统、电加热系统和智能控制系统，其结构组成详见图1。

1.太阳能电池板 2。智能控制器 3.蓄电池组件

4.半导体片

5.热管蒸发器

6.热管冷凝器

7.闭式冷却塔

8.板式换热器 9.循环水箱 10.直流电加热器

11.交流电加热器 12.用户热交换器

图1

2.1 太阳能发电系统

太阳能发电系统包括太阳能电池板、智能控制器和蓄电池组件。太阳能电池板采用晶体硅光伏材料，

通过光电效应将太阳辐射能转换成直流电能；蓄电池组件则采用免维护铅酸蓄电池，其可将剩余电能转换成化学能储存起来，用于冷热负荷调峰，当太阳能电池板负载不够时，由蓄电池组件供直流电补充。2.2 半导体降温系统

半导体降温系统包括半导体片、导流板、固定板和板式换热器等。半导体片分两组，每组均按N 型和P 型半导体片通过导流板交替串接，并在其两端分别设置绝缘的固定板，N 型及P 型半导体片的串接数量须根据冷负荷确定。两组半导体片相向布置，板式换热器设于其吸热端，并采用隔冷箱保冷，其内温度通过负荷调节控制在1~3℃。2.3 热管散热系统

热管散热系统包括蒸发器、冷凝器、气相环管和

液相环管。蒸发器布置在半导体片的放热端，冷凝器布置在闭式冷却塔内，两者通过气相环管和液相环管相连，组成独立的闭式循环，配合半导体降温系统使用。系统通过调节冷凝器的冷凝温度可对半导体片放热端隔热箱内的蒸发温度进行智能控制。热管散热系统的循环动力来自蒸发器内的毛细结构产生的抽力及液态工质自身的重力。

2.4 闭式冷却塔系统

闭式冷却塔系统包括闭式冷却塔，轴流风机，喷淋水泵及配套水管路系统。闭式冷却塔系统可通过风

机和水泵的运行对热管冷凝器进行降温和控温。闭式冷却塔的底部设有接水盘及补水管，冷却用喷淋水循环使用，风机及水泵的用能均源自太阳能电池板所产直流电。

2.5 循环水换热系统

循环水换热系统包括循环水泵、循环水箱、用户热交换器和配套循环水管路系统。循环水箱的顶部设有自动排气阀，底部设有补水管，采用聚氨酯发泡成型材料保温，夏季冷冻水供、回水温度由智能控制器根据负荷变化情况自动控制，供水温度设定在5~7℃，回水温度设定在7~12℃。2.6 电加热系统

电加热系统包括直流电加热器、交流电加热器以及防漏电保护装置等。电加热系统仅在冬季使用，交流电加热器用于弥补直流电加热器负荷能力的不足，以确保循环水箱内的热水温度控制在60~80℃。

2.7 智能控制系统

智能控制系统包括可编程处理器、各种电子元器件以及一次测量仪表等，系统通过智能控制器可对电压、电流、蓄电池的充放电以及冷热负荷参数的调节、风机水泵的运行等子项进行智能控制，实现无人值守。

3 结语

本文提出的太阳能集中空调系统采用无运动件的半导体制冷方式，并辅以热管换热、直流供电以及闭式冷却塔高效降温等措施，极大地提高了能源的利用效率，使系统具备了实际应用的可能，为建筑物尤其是阳光充足的边远地区的建筑物充分利用太阳能提供了一种新思路。