18.基于毛细现象辅助光电制冷的一体化系统

1、基于毛细现象辅助光电制冷的一体化系统设计者：冯浩杨竞择龚佳康刘冠宇刘意琳鲁fT别李安指导老师：中利梅副教授（华中科技大学能源与动力工程学院武汉430074）摘要：本作品设计了一种基于毛细现象辅助光电制冷的一体化系统。半导体制冷 模块利用太阳能电池板供电对室内进行辐射供冷，半导体热端及太阳能电池板阴 面利用多孔汲液材料在一定风速下蒸发制冷，避免温度过高，影响制冷效果及发 电效率，辅助光电制冷。关键词！毛细现象光电制冷半导体辐射供冷蒸发作品内容简介在炎热的夏季，空调耗能明显增加，而太阳能十分充足。为减少空调的能耗 及房屋内的冷量损失，并且充分利用太阳能，本作品设计了一种基于毛细现象辅 助光电制冷的

2、一体化系统。在建筑外墙设计一套光电制冷装置，利用太阳能电池板给半导体制冷模块供 电，半导体冷端对室内进行辐射供冷，热端及太阳能电池板阴面附上薄层汲水海 绵，在一定流速的风外掠时，海绵内的水分蒸发制冷，达到降低半导体热端温度 及太阳能电池板阴面温度的U的。使用智能实时控制系统，及时补充丄作用水， 以及调节制冷模块工作状态。联系人：冯浩联系电话-mailE-mail； 一、设计背景2015年中国空调销量超过4000万套，普及率不断上升，空调能耗十分巨 大，减少空调的能耗成了节能的一个重要抓手。最常见的压缩武传统空调制冷效 率约为3.18 （以格力KFR-50LW型空调为例

3、）。辐射制冷的制冷效率可以在此 基础上提升28%40%,是高效、舒适空调的发展方向。半导体制冷作为一种新型制冷方式，结合辐射制冷大有可为。夏天投射于建 筑表面的太阳能可达72MJ/（rn2 -d）,足以驱动半导体制冷件。但是在大规模 制冷时其热端温度难以保持恒定，故制冷效果不佳。我们想通过较低的成本稳定 半导体热端温度从而达到理想的制冷效果。我们发现，在炎热的夏天，植物表面可以通过蒸腾作用保持温度相对稳定, 便想通过仿生来控制热端温度。夏天室外空气相对湿度较低，可以让多孔汲液材 料内的液体快速蒸发带走热量，使太阳能半导体辐射制冷装置的制冷效率大大提 高。同时，我们通过太阳能集热装置加快空气流速

4、，进一步做到节能减排。二、工作系统2.1系统装置图1为光电制冷装置结构图，由半导体制冷檢ZKZi. 绵，集热装置以及风扇组成。集热装置利用太阳能加热上方局部空气，使倚工 密度减小而上升，下面的空气向上流动，形成外掠海绵的风。控制系统实时监测, 当风速不够时，利用太阳能电池发电驱动风扇工作。2.1.1半导体制冷模块1-7半导体制冷模块及海绵结构图太阳泌池帳图I光电制冷装置结构图电裝邃；2 2控制蔡统 控制;語能供电控制系统2.2.2制冷装置控制系统控制框图:f故障检测并显 示系统状态读取传感器值刷新LCDLCD显示开水泵加湿4 4 -1 1图5制冷系统控制框图图5为制冷系统控制框图。控制系统包括

5、：控制芯片选型、冷却管流速测 量与风扇控制、蒸发海绵内的湿度测量与水泵控制、室内外温度测量传感器、 太阳能电池板输出电压预稳定电路、制冷输出控制电路。三、理论计算分析31夏季冷负荷的计算房间假设：房间总高度4米，净高度3米，窗面积lOm房间大小为25m2,室 内人数4人，室内安装明装日光灯，按每平方米6W配置，室内压力稍高于室外 大气压，房间总高度4米，净高度3米，窗高2米，其余未注明的条件，均按冷 负荷系数法中的基本条件计算。室内设计参数：房间tn=25rc,相对湿度=555%,且全年室内参数固定不变： 空调房间的洁净度和噪声要求一般，武汉市夏季室外气象条件：tg=35. 7 C 山于室内压

6、力稍高于室外大气压，故不需考虑由于外压渗透所引起的冷负荷。3. 1.1外墙和屋面瞬时传热引起的冷负荷在日射和室外气温综合作用下，外墙和屋面瞬变传热引起的逐时冷负荷可按下式Q= KF(tg -(3. 1)TIM1TIM1中断读取传感器值初始化加速风扇iKMiKMan判断冷却骨凤速*ilil 算最伐制冷 功率判辭绵沏變1111于中断返回运行数字PDPD稳 定制冷功率QT XgXdCnCJiF式中：(3.2)式中：Q外墙和屋面瞬变传热引起的逐时冷负荷，W；F外墙和屋面的面积，m2；K外墙和屋面的传热系数，W/（ m2 K）；t作用时刻下，围护结构的冷负荷计算温差。 取最大温差值来计算KFtgtnCL

7、Q屋顶0. 39925352599. 75外墙0. 508703525355.6玻璃窗2.673. 353.1. 2无外遮阳玻璃窗的日射得热引起的逐时冷负荷QTXg窗的有效面积系数:尢-地占修正系数一一 S内遮阳设的遮阳系数;C,一一窗玻璃的遮挡系数；F-窗户面积；Jr负荷强度,W/m2o计算结果列于下表XGXDCXCSJFCLQ0. 850. 970.50. 9312610483. 07463-1-3：照明得热量照明得热引起的逐时冷负荷白炽灯：Q=P（3. 3）荧光灯：Q = 711712 P（3.4）式中：m一一镇流器消耗功率系数，当明装荧光灯的镇流器装在房间内时

8、，取nl = 1.2； 当暗装荧光灯镇流器装设在顶棚内时，可取nl = L0n2一一灯罩隔热系数，当荧光灯上部穿有小孔（下部为玻璃板），可利用自然通 风散热与顶搠内时，取n2 = 0.50.8；而荧光灯罩无通风孔时，取n2 = 0.6 0.8；本设计照明设备为明装荧光灯，镇流器设置在房间内，故镇流器消耗功率系数nl 取1.2,灯罩隔热系数n2取0.6。计算结果如下：nln2PQ1.20.61501083. L3：人体散热量从别来看人体M热与性别、年龄、衣着、劳动强度以及环境条件（温、湿度） 等多种因素有关。，可认为成年女子总散热量约为男子的85%、儿童则约为75%。 在人体散热中，辐射部分占4

9、0%,对流散热占20%,潜热占40%。潜热和对流散热Th * maxk=（几-叽）5”“可视为瞬时冷负荷，辐射散热与日射等辐射传热悄况类似QA = n辺2呛（3. 4）式中：QA :人体散热量H:室内全部人数血:集群系数，取0.9% :不同室温和劳动性质是的成年男子散热量，肌 本设讣中取40 计算结果如下nln2qaQA40.9401443.L4：房屋总负荷汇总总负荷 Ql=673 35+483+108+144=140& 35W3. 2水蒸发吸热量：根据文献3,水的表面蒸发速率由下式可得：W=abp 吹 Re式中：ff为水表面蒸发速率，gh*r-i*cm-2；t为温度，C；P为压力，Pa；V为

10、空气流速，m/s；H为湿度，%；a b、c、d、e 为回归系数，分别是 0. 009424, 1. 619322, -0. 502198. 0. 639748,-1.032682：假设条件为 2609, P=1.01*105Pa, v=5 m/s, H=80%求得 W=0. Q739g/cmh3CrC的水汽化潜热入为2429. 82kJ/kg蒸发制冷量 Q3=W*A*A=2243. 78W 3. 3半导体制冷系数设定U标半导体冷端温度为19C,环境温度为35C,使用1.5*1的半导体制冷 片Qc = alTc - 0.5/2/? 一 Wh - Tc）Qh = alTn + 0.5/2/? 一

11、込h -兀） P = Qh-Qc = /（几一功 七厂 = alTh + 0.5/2R - k（7 Tc） 采用型号为12706的制冷片，其技术指标为，Th二298. 15k,最大温差Tmax=68K, 最大电压Umax=15. 2V,最大电流Inidx=6A,半导体对数n二127,根换热情况 Rh=0. 1, Qc二180/16曽则其余参数可山以下公式求出R _ （几 一 dTma*） * Umax127：(Th-dTmax) *Umax/ (Th*Imax);(Th-dTmax) *Umax*Imax/ (2*Th*dTmax); Umax/Th;0.5(2 * Qc + R + 2kTa

12、 + 2kQcRh 一 广RRM - 2lQcRha + 2PkRRh) Tc =-273.15F 0.5(7? * R沁户 + 2RhRkl2 + 2IT,a + 2kT, + 2kQM./A = 2/0.15九一Rha2 +/a +kcop根据以下mat lab程序求得% syms a K R Tc Th Ta Rh C dT%Tc, Th=solveC a*C*Tc-O. 5*C2*R-K*(Th-Tc)=Qc*, (Th-Ta)/Rh=a*C*Th+O. 5*C2*R-K*(Th-Tc), Tc, Th) clear clcTh=278. 15： dTmax=68:Umax=15. 2

13、：Imax=6;n R KaRh=O. 1;Ta=35+273. 12：Qc=180/16：C=0:0. 01:6：Tc=(O. 5* (2. O*Qc + C. *2*R + 2. 0*K*Ta + 2. O*K*Qc*Rh - 1. 0*C. 3*R*Rh*a - 2. O*C*Qc*Rh*a + 2. 0*C *2*K*R*Rh). /(- 1. O*Rh*C *2*a*2 + C*a + K)- 273. 15：Tcmin=min(Tc)Cmin=C(find(Tc=Tcmin)Th=(O. 5* (R*Rh*a*C. 3 + 2. O*K*R*Rh*C2 + 2. 0*Ta*a*C

14、+ 2. O*K*Ta +2. O*K*Qc*Rh)./(- 1. O*Rh*C. 2忸2 + C*a + K)-273. 15： plot (C, Tc)hold onplot (C, Th)C1=C(find(Tc19&Tc19&Tc19&Tc85 r：每平方米太阳能电池板的功率 = QaT = 623.196 * 0.1831 = 114.10W则实际所需的辐射面积S =磐=6.722%考虑到辐射损失以及功率损失，采用太阳辐射面积为8尬2 3. 5总结按照以上汁算结果，房间采用8块半导体辐射制冷片，每片制冷量为180W, 面均匀分布16个制冷片，室外采用8块太阳能光伏电池板，提供电能，同时屋 顶覆盖有电池板作为辅助供电设备，防止应为墙体呦向问题导致的太阳辐射量不 足的问题，整个设备附有电池组，将太阳能发电多余的量储存起来以供光照条件 不足的情况下使用四、创新点及应用4.1创新点 4丄1毛细现象蒸发制冷模仿植物蒸腾作用，釆用多孔汲液材料，利用毛细现象自动补水，蒸发制冷 量可观，从而达到降低半导体热端及太阳能电池板阴面温度的U的。4.1.2清洁能源利用太阳能发电，能源清洁，可降低能耗。4.1.3半导体辐射供冷无制冷剂，无泄漏无污染。半导体辐射制冷只针对局部供冷9有效减少冷量 需求，并