太陽能集中空調系統的研究

王泳荃

（長沙市南雅中學，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展應用前景。目前，太陽能的利用主要以光熱轉換和光電轉換兩種方式為主，光熱轉換是通過太陽光與傳熱介質間的相互作用，將太陽輻射能直接轉換成介質熱能加以利用；光電轉換則是利用光電效應把太陽輻射能轉化成電能，然后再加以利用。本研究基于光電轉換方式，即將太陽能電池板形成的直流電能通過能量轉換、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。

1 太陽能集中空調系統的工作原理

1.1 夏季制冷工作原理

太陽以光輻射的方式向地球發射能量，晶體硅太陽能電池板可利用半導體材料的光電效應將太陽輻射能轉換成直流電能。目前，晶體硅太陽能電池板的生產在國內已實現產業化，國家亦對太陽能發電并網提供了相關的鼓勵和補貼政策。

太陽能集中空調系統的夏季制冷原理是利用太陽能電池板將太陽能轉化為直流電能，然后驅動半導體片制冷。半導體片基于帕爾帖效應，在直流電的作用下，可分別在其兩端產生冷量和熱量，冷量與平板式換熱器進行熱交換，產生冷凍水，可為建筑物集中空調系統提供冷源。與此同時，為實現能量平衡，熱量則需轉移，熱量轉移的多少及效率，是制冷系統高效、穩定運行的關鍵。為保證將冷凍水溫度控制在設定值，提高能源利用效率，本研究采用熱管換熱技術，即通過熱管蒸發器和冷凝器將熱量轉移至閉式冷卻塔，然后采用強制通風和水噴淋措施來實現與周圍環境的熱交換。將半導體片放熱端溫度控制在設定值，可實現半導體片制冷的連續和穩定運行，為用戶夏季空調提供冷負荷。

1.2 冬季供熱工作原理

冬季，太陽能電池板將太陽能轉化為直流電能，一部分直流電能直接加熱循環水箱內的熱水，為建筑物集中空調提供熱源，另一部分剩余直流電能則通過蓄電池組件將電能轉換成化學能儲存起來，用于熱負荷調峰。為彌補高峰期冬季直流電加熱器負荷能力的不足，在循環水箱內設有交流電加熱器，用做熱負荷的補充和備用。

冬季熱負荷和夏季冷負荷共用循環水泵及管路系統，通過閥門進行手動切換。

2 太陽能集中空調系統的結構研究

太陽能集中空調系統包括：太陽能發電系統、半導體降溫系統、熱管散熱系統、閉式冷卻塔系統、循環水換熱系統、電加熱系統和智能控制系統，其結構組成詳見圖1。

圖1

2.1 太陽能發電系統

太陽能發電系統包括太陽能電池板、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，通過光電效應將太陽輻射能轉換成直流電能；蓄電池組件則采用免維護鉛酸蓄電池，其可將剩余電能轉換成化學能儲存起來，用于冷熱負荷調峰，當太陽能電池板負載不夠時，由蓄電池組件供直流電補充。

2.2 半導體降溫系統

半導體降溫系統包括半導體片、導流板、固定板和板式換熱器等。半導體片分兩組，每組均按N型和P型半導體片通過導流板交替串接，并在其兩端分別設置絕緣的固定板，N型及P型半導體片的串接數量須根據冷負荷確定。兩組半導體片相向布置，板式換熱器設于其吸熱端，并采用隔冷箱保冷，其內溫度通過負荷調節控制在1～3℃。

2.3 熱管散熱系統

熱管散熱系統包括蒸發器、冷凝器、氣相環管和液相環管。蒸發器布置在半導體片的放熱端，冷凝器布置在閉式冷卻塔內，兩者通過氣相環管和液相環管相連，組成獨立的閉式循環，配合半導體降溫系統使用。系統通過調節冷凝器的冷凝溫度可對半導體片放熱端隔熱箱內的蒸發溫度進行智能控制。熱管散熱系統的循環動力來自蒸發器內的毛細結構產生的抽力及液態工質自身的重力。

2.4 閉式冷卻塔系統

閉式冷卻塔系統包括閉式冷卻塔，軸流風機，噴淋水泵及配套水管路系統。閉式冷卻塔系統可通過風機和水泵的運行對熱管冷凝器進行降溫和控溫。閉式冷卻塔的底部設有接水盤及補水管，冷卻用噴淋水循環使用，風機及水泵的用能均源自太陽能電池板所產直流電。

2.5 循環水換熱系統

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

2.6 電加熱系統

電加熱系統包括直流電加熱器、交流電加熱器以及防漏電保護裝置等。電加熱系統僅在冬季使用，交流電加熱器用于彌補直流電加熱器負荷能力的不足，以確保循環水箱內的熱水溫度控制在60～80℃。

2.7 智能控制系統

智能控制系統包括可編程處理器、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荷參數的調節、風機水泵的運行等子項進行智能控制，實現無人值守。

3 結語

本文提出的太陽能集中空調系統采用無運動件的半導體制冷方式，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，使系統具備了實際應用的可能，為建筑物尤其是陽光充足的邊遠地區的建筑物充分利用太陽能提供了一種新思路。

[1]徐德勝.半導體制冷與應用技術[M].上海:上海交通大學出版社,1992，7-12.

[2]徐德勝.半導體制冷與應用技術[M].上海:上海交通大學出版社,1992，40-42.

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