小戶型太陽光熱轉換致冷系統的製作方法

2023-12-10 11:23:02 1

專利名稱：小戶型太陽光熱轉換致冷系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種能源技術領域的系統，具體是一種小戶型太陽光熱轉換致冷系統。
背景技術：
當前能源日益緊張和環保問題日益突出，太陽能作為可再生清潔能源的開發與利用已經被全球性地提上了工業化的議程。隨著材料科學與基礎工業的進步，如何有效利用太陽能的理論研究和實用技術開發均有了長足的發展，但是就當前的技術現狀來看，仍然存在著阻礙太陽能高效轉換與利用的技術瓶頸。
經對現有技術的檢索發現，「超小型熱水型溴化鋰製冷空調系統的研製」(李鵬榮、張明方、張忠燕.《製冷技術》2005年第4期)採用熱水加溶液泵循環系統建立一種吸收式製冷系統，系統是有效的，面向教學實驗能收到良好的教學效果。但是，該系統題目雖然稱之為「超小型」，實際上與現有同類技術並無區別，結構相當複雜而體積也較大，同時，該系統也根本沒有採用太陽能取熱的方式利用太陽能作為熱源，因此，該系統只能作為一種吸收式製冷(或稱致冷)的原理機演示給教學對象使用。
又發現，「一種全新型的太陽能供熱與製冷聯合循環複合系統」(李明.《能源工程》2000年第2期)利用太陽能供熱通過溶液泵外力做功的方法提升循環工質的熱值達到供熱與製冷製冰的效果，系統的功能與工作效率值得肯定。但是，系統結構十分龐大複雜，該應用技術適用於大規模太陽能集熱系統。
在進一步的檢索中，尚未發現與本發明主題相同或者類似的文獻報導。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種小戶型太陽光熱轉換致冷系統。使其直接針對小戶型，實現結構簡單、造價低的技術經濟指標。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括太陽光電熱能量轉換器陣列、上水管、進水管、出水管、熱交換/冷凝器、蒸發器、微型泵、止回閥、水鹽溶液循環管路。太陽光電熱能量轉換器陣列中的電極與發電系統連接；太陽光電熱能量轉換器陣列中的熱水進/出口依次與自來水給水管和上水管連接，上水管的另一端(即出口端)接至熱交換/冷凝器的儲熱容器入口，熱交換/冷凝器的熱容器的出口與下水管相接；熱交換/冷凝器中的冷凝器的出口經水鹽溶液循環管路通至蒸發器的入口，蒸發器的出口緊接至微型泵的入口，微型泵的出口經水鹽溶液循環管路接至止回閥的輸入端，止回閥的輸出端經水鹽溶液循環管路通至熱交換/冷凝器中的冷凝器管的入口，如此構成吸收式致冷的循環結構。
太陽光電熱能量轉換器陣列作為總能量轉換源器件將光量子能量轉換為電與熱兩種形式能量，其中，電能輸出至發電系統經DC-AC轉換為交流電，熱能則通過兩個循環子系統，即熱水供給子系統和吸收式致冷子系統，實現供熱與致冷兩大功能。供熱子系統由進水管、熱交換/冷凝器、上水管、出水管構成開放式熱水供給系統；致冷子系統由熱交換/冷凝器、蒸發器、微型泵、止回閥、水鹽溶液循環管路構成閉合式吸收式致冷系統。兩個熱能循環子系統各自具有獨立的循環工質，熱水供給子系統以水為工質，吸收式致冷子系統以水鹽溶液為工質，兩者不發生物質交換，僅僅通過熱交換/冷凝器的傳熱結構實現熱值交換。由太陽光電熱能量轉換器陣列產生的熱能通過供熱系統的管路將熱能傳遞到熱交換/冷凝器中的儲熱容器，儲熱容器中的熱水通過熱傳導將熱值傳遞給熱交換/冷凝器中冷凝器管內的水鹽溶液，水鹽溶液中的熱值再通過循環管路進行吸收式致冷循環；在冷凝器中獲得內能的水鹽溶液在蒸發器中，隨著微型泵的抽吸促使水鹽溶液快速蒸發，吸收周邊環境的熱量使其溫度下降，微型泵的出流經止回閥又對水鹽溶液壓縮使得熱交換/冷凝器中冷凝器管內的水鹽溶液熱值在吸收儲熱容器熱量的同時再次得到提升，如此周而復始，實現吸收式致冷的良好效果。
所述太陽光電熱能量轉換器是一種一體化的組件，包括光伏電池板、輔助薄型水箱體。光伏電池板是由光生伏特傳感小晶片組合於導熱薄膜上構成具有設定幾何形狀、面積與電氣輸出參數的板狀體，光伏電池板的電功率由光伏電池板電極輸出，通過光電轉換系統將電能輸出至電網；所述輔助薄型水箱體，是一長方體水箱，該水箱的上表面是鋁板材做成，與光伏電池板的導熱薄膜緊密結合，底面與四個側面為不鏽鋼箱體，在不鏽鋼箱體的兩個對稱側面的對角位置上設有進/出水接口，光伏電池板通過導熱薄膜與輔助薄型水箱體的上表面鋁材板緊密結合將所生成的熱量傳遞給輔助薄型水箱體中的水，水的熱能再通過水循環系統，即光熱轉換系統將光伏電池板的寄生熱能直接被終端用戶所利用，或進行熱能的二次轉換，因此一體化的太陽光電熱能量轉換器是構建光電轉換系統與光熱轉換系統的共同能量發生源——太陽能，經太陽光電熱能量轉換器轉換後即生成兩種形式——電與熱的能量源。多個太陽光電熱能量轉換器經過幾何排列並將電氣及機械接口相互連接即構成太陽光電熱能量轉換器陣列。
所述熱交換/冷凝器由儲熱容器與冷凝器兩大部分組成，冷凝器被儲熱容器中的熱水所包圍，儲熱容器以水為工質，冷凝器以水鹽溶液為工質，兩者不發生物質交換，僅僅通過熱交換/冷凝器的傳熱結構實現熱值交換。該環節既實現水的熱值與致冷系統水鹽溶液熱值的交換，又實現吸收式致冷系統中由微型泵出口壓力所做的機械功轉換成水鹽溶液內能的冷凝過程，故將該環節部件稱之為熱交換/冷凝器。
所述蒸發器，在微型泵的抽吸作用下，在其出口產生水力學負壓，而且該負壓低於標準大氣壓數倍，使得蒸發器中的低沸點溴化鋰溶液在蒸發器內迅速蒸發，蒸發過程對周圍環境的吸熱因此而引起周圍環境溫度的下降。
本發明中，熱能直接被終端用戶所利用，由熱水循環子系統實現在自來水給水壓力的推動下，進入進水管，經過太陽光電熱能量轉換器將光伏電池板所吸收到的太陽能輻射熱量傳遞給水，至熱交換/冷凝器，與致冷系統的水鹽溶液進行熱交換，再經出水管流出，因此是一種開放式熱水供給系統。
本發明中熱能的二次轉換，由吸收式致冷子系統實現熱交換/冷凝器、蒸發器、微型泵、止回閥、水鹽溶液循環管路構成閉合循環系統，當水鹽溶液從熱交換/冷凝器獲得熱能後，傳遞至蒸發器，隨著蒸發器出口處微型泵的高速運行，產生水力學負壓，衍生水鹽溶液的迅速蒸發，因此吸附了周邊的熱量而使其溫度下降；微型泵的出流在止回閥的定向流動作用下，又通過出流管路在對熱交換/冷凝器中水鹽溶液進行壓縮，將外力對水鹽溶液所做的機械功再轉化為水鹽溶液的內能，進而將水鹽溶液的熱值進一步得到提升；也就是說，致冷系統不斷地將太陽能輻射熱量通過熱交換/冷凝器帶走，經蒸發器與微型泵的作用實現吸收式致冷而降低房間溫度，起到空調的效果，同時，微型泵的出流又起到對熱交換/冷凝器入流水鹽溶液壓縮做功，提高熱值，再將光伏電池板被輻射所生成的熱量帶走，如此周而復始，以致無窮。
所述微型泵，揚程在75cm以上、流量在290L/h以上，而用電功率僅為3.5W以下，運行參數可控。
所述水鹽溶液循環管路，其中的水鹽溶液採用溴化鋰溶液，這是一種低沸點溶液，實踐已經證實，這是一種適合用作吸收式致冷系統的致冷劑。
本發明的有益的效果如下(1)利用光伏電池板陣列的附加產熱，可以向終端用戶直接提供熱水供應，因此可以將現有的家用太陽能熱水器取而代之，節省用戶的家庭投資；(2)利用光伏電池板陣列的附加產熱，通過以溴化鋰溶液作為致冷劑的吸收式致冷系統實現終端用戶的空調效果，結構極為簡單、價格低廉，大大減輕用戶的經濟負擔；(3)環保節能；(4)循環水成為光伏電池板的冷卻系統，使得光伏電池板處於相對較低的溫度環境，促使半導體禁帶寬度始終處於較小的範圍，維持了光伏電池的恆流源特性，同時延長了光伏電池正常使用壽命；(5)提高了太陽能轉化與利用的整體效率，並提高了整個設備投入的性價比，直接降低了投資成本與運行費用。


圖1本發明系統結構中，太陽光電熱能量轉換器陣列1，上水管2，進水管3，出水管4與熱交換/冷凝器5中的儲熱容器12，構成熱水供給子系統；由熱交換/冷凝器5中的冷凝器13，蒸發器6，微型泵7，止回閥8與三個水鹽溶液循環管路9～11，構成吸收式致冷子系統。
具體實施例方式
如圖1所示，本實施例包括太陽光電熱能量轉換器陣列1、上水管2、進水管3、出水管4、熱交換/冷凝器5、蒸發器6、微型泵7、止回閥8、三個水鹽溶液循環管路9～11。
太陽光電熱能量轉換器陣列1中的電極與發電系統連接；太陽光電熱能量轉換器陣列1中的熱水進/出口依次與進水管3和上水管2連接，進水管3流入的水將太陽光電熱能量轉換器陣列1所產生的熱量送至上水管2，上水管2的另一端(即出口端)接至熱交換/冷凝器5的儲熱容器12入口，熱交換/冷凝器5的儲熱容器12的出口與出水管4相接；熱交換/冷凝器5中的冷凝器13的出口通過第一水鹽溶液循環管路9至蒸發器6的入口，蒸發器6的出口緊接至微型泵7的入口，微型泵7的出口經第二水鹽溶液循環管路10接至止回閥8的輸入端，止回閥8的輸出端經第三水鹽溶液循環管路11通至熱交換/冷凝器5中的冷凝器管13的入口，如此構成吸收式致冷的循環結構。太陽光電熱能量轉換器陣列1作為總能量轉換源器件將光量子能量轉換為電與熱兩種形式能量，其中，電能輸出至發電系統經DC-AC轉換為交流電，熱能則通過兩個循環子系統，即熱水供給子系統和吸收式致冷子系統，實現供熱與致冷兩大功能。供熱子系統由進水管3、熱交換/冷凝器5、上水管2、出水管4構成開放式熱水供給系統；致冷子系統由熱交換/冷凝器5、蒸發器6、微型泵7、止回閥8、三個水鹽溶液循環管路9～11構成閉合式吸收式致冷系統。兩個熱能循環子系統各自具有獨立的循環工質，熱水供給子系統以水為工質，吸收式致冷子系統以水鹽溶液為工質，兩者不發生物質交換，僅僅通過熱交換/冷凝器5的傳熱結構實現熱值交換。由太陽光電熱能量轉換器陣列1產生的熱能通過供熱系統的上水管2將熱能傳遞到熱交換/冷凝器5中的儲熱容器12，儲熱容器12中的熱水通過熱傳導將熱值傳遞給熱交換/冷凝器5中冷凝器13管內的水鹽溶液，水鹽溶液中的熱值再通過吸收式致冷子系統三個水鹽溶液循環管路9～11進行吸收式致冷循環；在冷凝器13中獲得內能的水鹽溶液在蒸發器6中，隨著微型泵7的抽吸促使水鹽溶液快速蒸發，吸收周邊環境的熱量使其溫度下降，微型泵7的出流經止回閥8又對水鹽溶液壓縮使得熱交換/冷凝器5中冷凝器13管內的水鹽溶液熱值在吸收儲熱容器12熱量的同時再次得到提升，如此周而復始，實現吸收式致冷的良好效果。
所述太陽光電熱能量轉換器是一種一體化的組件，包括光伏電池板、輔助薄型水箱體。光伏電池板是由光生伏特傳感小晶片組合於導熱薄膜上構成具有設定幾何形狀、面積與電氣輸出參數的板狀體，光伏電池板的電功率由光伏電池板電極輸出，通過光電轉換系統將電能輸出至電網；所述輔助薄型水箱體，是一長方體水箱，該水箱的上表面是鋁板材做成，與光伏電池板的導熱薄膜緊密結合，底面與四個側面為不鏽鋼箱體，在不鏽鋼箱體的兩個對稱側面的對角位置上設有進/出水接口，光伏電池板通過導熱薄膜與輔助薄型水箱體的上表面鋁材板緊密結合將所生成的熱量傳遞給輔助薄型水箱體中的水，水的熱能再通過水循環系統，即光熱轉換系統將光伏電池板的寄生熱能直接被終端用戶所利用，或進行熱能的二次轉換，因此一體化的太陽光電熱能量轉換器是構建光電轉換系統與光熱轉換系統的共同能量發生源——太陽能，經太陽光電熱能量轉換器轉換後即生成兩種形式——電與熱的能量源。多個太陽光電熱能量轉換器經過幾何排列並將電氣及機械接口相互連接即構成太陽光電熱能量轉換器陣列1。
所述熱交換/冷凝器5由儲熱容器12與冷凝器13兩大部分組成，冷凝器13被儲熱容器12中的熱水所包圍，儲熱容器12以水為工質，冷凝器13以水鹽溶液為工質，兩者不發生物質交換，僅僅通過熱交換/冷凝器5的傳熱結構實現熱值交換。該環節既實現水的熱值與致冷系統水鹽溶液熱值的交換，又實現吸收式致冷系統中由微型泵7出口壓力所做的機械功轉換成水鹽溶液內能的冷凝過程，故將該環節部件稱之為熱交換/冷凝器5。
所述微型泵7，揚程在75cm以上、流量在290L/h以上，而用電功率僅為3.5W以下，運行參數可控。
當實施例為光伏電池板有效面積25m2，實驗房間面積20m2。
具體實施結果如下(1)當環境溫度為35℃、太陽輻照度為1000W/m2時，光伏電池板陣列背面的平均溫度升至75℃以上，經過8個小時連續實驗，由於溴化鋰溶液被壓縮後的熱值提升，在熱交換/冷凝器5中熱水與溴化鋰溶液的平均溫度達到85℃左右；(2)經吸收式致冷系統調節後的室內溫度比室外溫度降低超過10℃；(3)直接耗電僅有蒸發器中風扇與致冷系統中的微型泵，兩者8個小時總耗電＜0.3kWh(即，0.3度電)；(4)太陽光電轉換系統的發電通過併網可以向電網饋電；當自備大容量蓄電池時，可以將電能儲存，晚上通過逆變電路供夜間用電，平均發電功率達1kW。
權利要求
1.一種小戶型太陽光熱轉換致冷系統，包括太陽光電熱能量轉換器陣列(1)、上水管(2)、進水管(3)、出水管(4)、熱交換/冷凝器(5)、蒸發器(6)、微型泵(7)、止回閥(8)、三個水鹽溶液循環管路(9、10、11)，其特徵在於太陽光電熱能量轉換器陣列(1)中的熱水進/出口依次與進水管(3)和上水管(2)連接，進水管(3)流入的水將太陽光電熱能量轉換器陣列(1)所產生的熱量送至上水管(2)，上水管(2)的出口端接至熱交換/冷凝器(5)的儲熱容器(12)入口，熱交換/冷凝器(5)的儲熱容器(12)的出口與出水管(4)相接；熱交換/冷凝器(5)中的冷凝器(13)的出口通過第一水鹽溶液循環管路(9)至蒸發器(6)的入口，蒸發器(6)的出口緊接至微型泵(7)的入口，微型泵(7)的出口經第二水鹽溶液循環管路(10)接至止回閥(8)的輸入端，止回閥(8)的輸出端經第三水鹽溶液循環管路(11)通至熱交換/冷凝器(5)中的冷凝器管(13)的入口，如此構成吸收式致冷的循環結構。
2.根據權利要求1所述的小戶型太陽光熱轉換致冷系統，其特徵是所述熱交換/冷凝器(5)由儲熱容器(12)與冷凝器(13)兩大部分組成，冷凝器(13)被儲熱容器(12)中的熱水所包圍，儲熱容器(12)以水為工質，冷凝器(13)以水鹽溶液為工質，兩者不發生物質交換，僅僅通過熱交換/冷凝器(5)的傳熱結構實現熱值交換。
3.根據權利要求1所述的小戶型太陽光熱轉換致冷系統，其特徵是所述太陽光電熱能量轉換器，包括光伏電池板、輔助薄型水箱體，光伏電池板是由光生伏特傳感小晶片組合於導熱薄膜上構成具有設定幾何形狀、面積與電氣輸出參數的板狀體，光伏電池板的電功率由光伏電池板電極輸出，通過光電轉換系統將電能輸出至電網；所述輔助薄型水箱體，是一長方體水箱，該水箱的上表面是鋁板材做成，與光伏電池板的導熱薄膜緊密結合，底面與四個側面為不鏽鋼箱體，在不鏽鋼箱體的兩個對稱側面的對角位置上設有進/出水接口。
4.根據權利要求1所述的小戶型太陽光熱轉換致冷系統，其特徵是所述微型泵(7)，揚程在75cm以上、流量在290L/h以上，用電功率為3.5W以下，運行參數可控。
5.根據權利要求1所述的小戶型太陽光熱轉換致冷系統，其特徵是所述的三個水鹽溶液循環管路(9、10、11)，其中的水鹽溶液採用溴化鋰溶液。
全文摘要
一種小戶型太陽光熱轉換致冷系統，包括太陽光電熱能量轉換器陣列、上水管、進水管、出水管、熱交換/冷凝器、蒸發器、微型泵、止回閥、水鹽溶液循環管路。太陽光電熱能量轉換器陣列作為總能量轉換源器件將光量子能量轉換為電與熱兩種形式能量，其中，電能輸出至發電系統經DC－AC轉換為交流電，熱能則通過兩個循環子系統，即熱水供給子系統和吸收式致冷子系統，實現供熱與致冷兩大功能。供熱子系統由進水管、熱交換/冷凝器中的儲熱容器、上水管與出水管構成開放式熱水供給系統；致冷子系統由熱交換/冷凝器中的冷凝器、蒸發器、微型泵、止回閥與水鹽溶液循環管路構成閉合吸收式致冷系統。整個系統結構極為簡單、環保節能、性價比高。
文檔編號F25B15/06GK1912501SQ20061003060
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月31日 優先權日2006年8月31日
發明者曾國輝, 張秀彬, 陳惕存, 朱曉乾 申請人:上海交通大學