王泳荃

（長沙市南雅中學(xué)，湖南 長沙 410129）

太陽能作為一種清潔可再生能源具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。目前，太陽能的利用主要以光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式為主，光熱轉(zhuǎn)換是通過太陽光與傳熱介質(zhì)間的相互作用，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成介質(zhì)熱能加以利用；光電轉(zhuǎn)換則是利用光電效應(yīng)把太陽輻射能轉(zhuǎn)化成電能，然后再加以利用。本研究基于光電轉(zhuǎn)換方式，即將太陽能電池板形成的直流電能通過能量轉(zhuǎn)換、熱交換和合理布局，使其夏季制冷，冬季供熱，為建筑物提供集中空調(diào)。

1 太陽能集中空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

1.1 夏季制冷工作原理

太陽以光輻射的方式向地球發(fā)射能量，晶體硅太陽能電池板可利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成直流電能。目前，晶體硅太陽能電池板的生產(chǎn)在國內(nèi)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，國家亦對太陽能發(fā)電并網(wǎng)提供了相關(guān)的鼓勵和補(bǔ)貼政策。

太陽能集中空調(diào)系統(tǒng)的夏季制冷原理是利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，然后驅(qū)動半導(dǎo)體片制冷。半導(dǎo)體片基于帕爾帖效應(yīng)，在直流電的作用下，可分別在其兩端產(chǎn)生冷量和熱量，冷量與平板式換熱器進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生冷凍水，可為建筑物集中空調(diào)系統(tǒng)提供冷源。與此同時，為實現(xiàn)能量平衡，熱量則需轉(zhuǎn)移，熱量轉(zhuǎn)移的多少及效率，是制冷系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。為保證將冷凍水溫度控制在設(shè)定值，提高能源利用效率，本研究采用熱管換熱技術(shù)，即通過熱管蒸發(fā)器和冷凝器將熱量轉(zhuǎn)移至閉式冷卻塔，然后采用強(qiáng)制通風(fēng)和水噴淋措施來實現(xiàn)與周圍環(huán)境的熱交換。將半導(dǎo)體片放熱端溫度控制在設(shè)定值，可實現(xiàn)半導(dǎo)體片制冷的連續(xù)和穩(wěn)定運(yùn)行，為用戶夏季空調(diào)提供冷負(fù)荷。

1.2 冬季供熱工作原理

冬季，太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，一部分直流電能直接加熱循環(huán)水箱內(nèi)的熱水，為建筑物集中空調(diào)提供熱源，另一部分剩余直流電能則通過蓄電池組件將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存起來，用于熱負(fù)荷調(diào)峰。為彌補(bǔ)高峰期冬季直流電加熱器負(fù)荷能力的不足，在循環(huán)水箱內(nèi)設(shè)有交流電加熱器，用做熱負(fù)荷的補(bǔ)充和備用。

冬季熱負(fù)荷和夏季冷負(fù)荷共用循環(huán)水泵及管路系統(tǒng)，通過閥門進(jìn)行手動切換。

2 太陽能集中空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究

太陽能集中空調(diào)系統(tǒng)包括：太陽能發(fā)電系統(tǒng)、半導(dǎo)體降溫系統(tǒng)、熱管散熱系統(tǒng)、閉式冷卻塔系統(tǒng)、循環(huán)水換熱系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成詳見圖1。

圖1

2.1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能電池板、智能控制器和蓄電池組件。太陽能電池板采用晶體硅光伏材料，通過光電效應(yīng)將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成直流電能；蓄電池組件則采用免維護(hù)鉛酸蓄電池，其可將剩余電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存起來，用于冷熱負(fù)荷調(diào)峰，當(dāng)太陽能電池板負(fù)載不夠時，由蓄電池組件供直流電補(bǔ)充。

2.2 半導(dǎo)體降溫系統(tǒng)

半導(dǎo)體降溫系統(tǒng)包括半導(dǎo)體片、導(dǎo)流板、固定板和板式換熱器等。半導(dǎo)體片分兩組，每組均按N型和P型半導(dǎo)體片通過導(dǎo)流板交替串接，并在其兩端分別設(shè)置絕緣的固定板，N型及P型半導(dǎo)體片的串接數(shù)量須根據(jù)冷負(fù)荷確定。兩組半導(dǎo)體片相向布置，板式換熱器設(shè)于其吸熱端，并采用隔冷箱保冷，其內(nèi)溫度通過負(fù)荷調(diào)節(jié)控制在1～3℃。

2.3 熱管散熱系統(tǒng)

熱管散熱系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、冷凝器、氣相環(huán)管和液相環(huán)管。蒸發(fā)器布置在半導(dǎo)體片的放熱端，冷凝器布置在閉式冷卻塔內(nèi)，兩者通過氣相環(huán)管和液相環(huán)管相連，組成獨立的閉式循環(huán)，配合半導(dǎo)體降溫系統(tǒng)使用。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)冷凝器的冷凝溫度可對半導(dǎo)體片放熱端隔熱箱內(nèi)的蒸發(fā)溫度進(jìn)行智能控制。熱管散熱系統(tǒng)的循環(huán)動力來自蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的抽力及液態(tài)工質(zhì)自身的重力。

2.4 閉式冷卻塔系統(tǒng)

閉式冷卻塔系統(tǒng)包括閉式冷卻塔，軸流風(fēng)機(jī)，噴淋水泵及配套水管路系統(tǒng)。閉式冷卻塔系統(tǒng)可通過風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行對熱管冷凝器進(jìn)行降溫和控溫。閉式冷卻塔的底部設(shè)有接水盤及補(bǔ)水管，冷卻用噴淋水循環(huán)使用，風(fēng)機(jī)及水泵的用能均源自太陽能電池板所產(chǎn)直流電。

2.5 循環(huán)水換熱系統(tǒng)

循環(huán)水換熱系統(tǒng)包括循環(huán)水泵、循環(huán)水箱、用戶熱交換器和配套循環(huán)水管路系統(tǒng)。循環(huán)水箱的頂部設(shè)有自動排氣閥，底部設(shè)有補(bǔ)水管，采用聚氨酯發(fā)泡成型材料保溫，夏季冷凍水供、回水溫度由智能控制器根據(jù)負(fù)荷變化情況自動控制，供水溫度設(shè)定在5～7℃，回水溫度設(shè)定在7～12℃。

2.6 電加熱系統(tǒng)

電加熱系統(tǒng)包括直流電加熱器、交流電加熱器以及防漏電保護(hù)裝置等。電加熱系統(tǒng)僅在冬季使用，交流電加熱器用于彌補(bǔ)直流電加熱器負(fù)荷能力的不足，以確保循環(huán)水箱內(nèi)的熱水溫度控制在60～80℃。

2.7 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)包括可編程處理器、各種電子元器件以及一次測量儀表等，系統(tǒng)通過智能控制器可對電壓、電流、蓄電池的充放電以及冷熱負(fù)荷參數(shù)的調(diào)節(jié)、風(fēng)機(jī)水泵的運(yùn)行等子項進(jìn)行智能控制，實現(xiàn)無人值守。

3 結(jié)語

本文提出的太陽能集中空調(diào)系統(tǒng)采用無運(yùn)動件的半導(dǎo)體制冷方式，并輔以熱管換熱、直流供電以及閉式冷卻塔高效降溫等措施，極大地提高了能源的利用效率，使系統(tǒng)具備了實際應(yīng)用的可能，為建筑物尤其是陽光充足的邊遠(yuǎn)地區(qū)的建筑物充分利用太陽能提供了一種新思路。

[1]徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1992，7-12.

[2]徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1992，40-42.

[3]周海迎.平板式環(huán)路熱管研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2006，06（01）：2-3.