18.基于毛細(xì)現(xiàn)象輔助光電制冷的一體化系統(tǒng)

1、基于毛細(xì)現(xiàn)象輔助光電制冷的一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)者：馮浩楊競(jìng)擇龔佳康劉冠宇劉意琳魯fT別李安指導(dǎo)老師：中利梅副教授（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院武漢430074）摘要：本作品設(shè)計(jì)了一種基于毛細(xì)現(xiàn)象輔助光電制冷的一體化系統(tǒng)。半導(dǎo)體制冷 模塊利用太陽能電池板供電對(duì)室內(nèi)進(jìn)行輻射供冷，半導(dǎo)體熱端及太陽能電池板陰 面利用多孔汲液材料在一定風(fēng)速下蒸發(fā)制冷，避免溫度過高，影響制冷效果及發(fā) 電效率，輔助光電制冷。關(guān)鍵詞！毛細(xì)現(xiàn)象光電制冷半導(dǎo)體輻射供冷蒸發(fā)作品內(nèi)容簡(jiǎn)介在炎熱的夏季，空調(diào)耗能明顯增加，而太陽能十分充足。為減少空調(diào)的能耗 及房屋內(nèi)的冷量損失，并且充分利用太陽能，本作品設(shè)計(jì)了一種基于毛細(xì)現(xiàn)象輔 助光電制冷的

2、一體化系統(tǒng)。在建筑外墻設(shè)計(jì)一套光電制冷裝置，利用太陽能電池板給半導(dǎo)體制冷模塊供 電，半導(dǎo)體冷端對(duì)室內(nèi)進(jìn)行輻射供冷，熱端及太陽能電池板陰面附上薄層汲水海 綿，在一定流速的風(fēng)外掠時(shí)，海綿內(nèi)的水分蒸發(fā)制冷，達(dá)到降低半導(dǎo)體熱端溫度 及太陽能電池板陰面溫度的U的。使用智能實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，及時(shí)補(bǔ)充丄作用水， 以及調(diào)節(jié)制冷模塊工作狀態(tài)。聯(lián)系人：馮浩聯(lián)系電話-mailE-mail； 一、設(shè)計(jì)背景2015年中國空調(diào)銷量超過4000萬套，普及率不斷上升，空調(diào)能耗十分巨 大，減少空調(diào)的能耗成了節(jié)能的一個(gè)重要抓手。最常見的壓縮武傳統(tǒng)空調(diào)制冷效 率約為3.18 （以格力KFR-50LW型空調(diào)為例

3、）。輻射制冷的制冷效率可以在此 基礎(chǔ)上提升28%40%,是高效、舒適空調(diào)的發(fā)展方向。半導(dǎo)體制冷作為一種新型制冷方式，結(jié)合輻射制冷大有可為。夏天投射于建 筑表面的太陽能可達(dá)72MJ/（rn2 -d）,足以驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷件。但是在大規(guī)模 制冷時(shí)其熱端溫度難以保持恒定，故制冷效果不佳。我們想通過較低的成本穩(wěn)定 半導(dǎo)體熱端溫度從而達(dá)到理想的制冷效果。我們發(fā)現(xiàn)，在炎熱的夏天，植物表面可以通過蒸騰作用保持溫度相對(duì)穩(wěn)定, 便想通過仿生來控制熱端溫度。夏天室外空氣相對(duì)濕度較低，可以讓多孔汲液材 料內(nèi)的液體快速蒸發(fā)帶走熱量，使太陽能半導(dǎo)體輻射制冷裝置的制冷效率大大提 高。同時(shí)，我們通過太陽能集熱裝置加快空氣流速

4、，進(jìn)一步做到節(jié)能減排。二、工作系統(tǒng)2.1系統(tǒng)裝置圖1為光電制冷裝置結(jié)構(gòu)圖，由半導(dǎo)體制冷檢ZKZi. 綿，集熱裝置以及風(fēng)扇組成。集熱裝置利用太陽能加熱上方局部空氣，使倚工 密度減小而上升，下面的空氣向上流動(dòng)，形成外掠海綿的風(fēng)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 當(dāng)風(fēng)速不夠時(shí)，利用太陽能電池發(fā)電驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇工作。2.1.1半導(dǎo)體制冷模塊1-7半導(dǎo)體制冷模塊及海綿結(jié)構(gòu)圖太陽泌池帳圖I光電制冷裝置結(jié)構(gòu)圖電裝邃；2 2控制蔡統(tǒng) 控制;語能供電控制系統(tǒng)2.2.2制冷裝置控制系統(tǒng)控制框圖:f故障檢測(cè)并顯 示系統(tǒng)狀態(tài)讀取傳感器值刷新LCDLCD顯示開水泵加濕4 4 -1 1圖5制冷系統(tǒng)控制框圖圖5為制冷系統(tǒng)控制框圖?？刂葡到y(tǒng)包括

5、：控制芯片選型、冷卻管流速測(cè) 量與風(fēng)扇控制、蒸發(fā)海綿內(nèi)的濕度測(cè)量與水泵控制、室內(nèi)外溫度測(cè)量傳感器、 太陽能電池板輸出電壓預(yù)穩(wěn)定電路、制冷輸出控制電路。三、理論計(jì)算分析31夏季冷負(fù)荷的計(jì)算房間假設(shè)：房間總高度4米，凈高度3米，窗面積lOm房間大小為25m2,室 內(nèi)人數(shù)4人，室內(nèi)安裝明裝日光燈，按每平方米6W配置，室內(nèi)壓力稍高于室外 大氣壓，房間總高度4米，凈高度3米，窗高2米，其余未注明的條件，均按冷 負(fù)荷系數(shù)法中的基本條件計(jì)算。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：房間tn=25rc,相對(duì)濕度=555%,且全年室內(nèi)參數(shù)固定不變： 空調(diào)房間的潔凈度和噪聲要求一般，武漢市夏季室外氣象條件：tg=35. 7 C 山于室內(nèi)壓

6、力稍高于室外大氣壓，故不需考慮由于外壓滲透所引起的冷負(fù)荷。3. 1.1外墻和屋面瞬時(shí)傳熱引起的冷負(fù)荷在日射和室外氣溫綜合作用下，外墻和屋面瞬變傳熱引起的逐時(shí)冷負(fù)荷可按下式Q= KF(tg -(3. 1)TIM1TIM1中斷讀取傳感器值初始化加速風(fēng)扇iKMiKMan判斷冷卻骨鳳速*ilil 算最伐制冷 功率判辭綿沏變1111于中斷返回運(yùn)行數(shù)字PDPD穩(wěn) 定制冷功率QT XgXdCnCJiF式中：(3.2)式中：Q外墻和屋面瞬變傳熱引起的逐時(shí)冷負(fù)荷，W；F外墻和屋面的面積，m2；K外墻和屋面的傳熱系數(shù)，W/（ m2 K）；t作用時(shí)刻下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷計(jì)算溫差。 取最大溫差值來計(jì)算KFtgtnCL

7、Q屋頂0. 39925352599. 75外墻0. 508703525355.6玻璃窗2.673. 353.1. 2無外遮陽玻璃窗的日射得熱引起的逐時(shí)冷負(fù)荷QTXg窗的有效面積系數(shù):尢-地占修正系數(shù)一一 S內(nèi)遮陽設(shè)的遮陽系數(shù);C,一一窗玻璃的遮擋系數(shù)；F-窗戶面積；Jr負(fù)荷強(qiáng)度,W/m2o計(jì)算結(jié)果列于下表XGXDCXCSJFCLQ0. 850. 970.50. 9312610483. 07463-1-3：照明得熱量照明得熱引起的逐時(shí)冷負(fù)荷白熾燈：Q=P（3. 3）熒光燈：Q = 711712 P（3.4）式中：m一一鎮(zhèn)流器消耗功率系數(shù)，當(dāng)明裝熒光燈的鎮(zhèn)流器裝在房間內(nèi)時(shí)

8、，取nl = 1.2； 當(dāng)暗裝熒光燈鎮(zhèn)流器裝設(shè)在頂棚內(nèi)時(shí)，可取nl = L0n2一一燈罩隔熱系數(shù)，當(dāng)熒光燈上部穿有小孔（下部為玻璃板），可利用自然通 風(fēng)散熱與頂搠內(nèi)時(shí)，取n2 = 0.50.8；而熒光燈罩無通風(fēng)孔時(shí)，取n2 = 0.6 0.8；本設(shè)計(jì)照明設(shè)備為明裝熒光燈，鎮(zhèn)流器設(shè)置在房間內(nèi)，故鎮(zhèn)流器消耗功率系數(shù)nl 取1.2,燈罩隔熱系數(shù)n2取0.6。計(jì)算結(jié)果如下：nln2PQ1.20.61501083. L3：人體散熱量從別來看人體M熱與性別、年齡、衣著、勞動(dòng)強(qiáng)度以及環(huán)境條件（溫、濕度） 等多種因素有關(guān)。，可認(rèn)為成年女子總散熱量約為男子的85%、兒童則約為75%。 在人體散熱中，輻射部分占4

9、0%,對(duì)流散熱占20%,潛熱占40%。潛熱和對(duì)流散熱Th * maxk=（幾-嘰）5”“可視為瞬時(shí)冷負(fù)荷，輻射散熱與日射等輻射傳熱悄況類似QA = n辺2嗆（3. 4）式中：QA :人體散熱量H:室內(nèi)全部人數(shù)血:集群系數(shù)，取0.9% :不同室溫和勞動(dòng)性質(zhì)是的成年男子散熱量，肌 本設(shè)訃中取40 計(jì)算結(jié)果如下nln2qaQA40.9401443.L4：房屋總負(fù)荷匯總總負(fù)荷 Ql=673 35+483+108+144=140& 35W3. 2水蒸發(fā)吸熱量：根據(jù)文獻(xiàn)3,水的表面蒸發(fā)速率由下式可得：W=abp 吹 Re式中：ff為水表面蒸發(fā)速率，gh*r-i*cm-2；t為溫度，C；P為壓力，Pa；V為

10、空氣流速，m/s；H為濕度，%；a b、c、d、e 為回歸系數(shù)，分別是 0. 009424, 1. 619322, -0. 502198. 0. 639748,-1.032682：假設(shè)條件為 2609, P=1.01*105Pa, v=5 m/s, H=80%求得 W=0. Q739g/cmh3CrC的水汽化潛熱入為2429. 82kJ/kg蒸發(fā)制冷量 Q3=W*A*A=2243. 78W 3. 3半導(dǎo)體制冷系數(shù)設(shè)定U標(biāo)半導(dǎo)體冷端溫度為19C,環(huán)境溫度為35C,使用1.5*1的半導(dǎo)體制冷 片Qc = alTc - 0.5/2/? 一 Wh - Tc）Qh = alTn + 0.5/2/? 一

11、込h -兀） P = Qh-Qc = /（幾一功 七廠 = alTh + 0.5/2R - k（7 Tc） 采用型號(hào)為12706的制冷片，其技術(shù)指標(biāo)為，Th二298. 15k,最大溫差Tmax=68K, 最大電壓Umax=15. 2V,最大電流Inidx=6A,半導(dǎo)體對(duì)數(shù)n二127,根換熱情況 Rh=0. 1, Qc二180/16曽則其余參數(shù)可山以下公式求出R _ （幾 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 廣RRM - 2lQcRha + 2PkRRh) Tc =-273.15F 0.5(7? * R沁戶 + 2RhRkl2 + 2IT,a + 2kT, + 2kQM./A = 2/0.15九一Rha2 +/a +kcop根據(jù)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：每平方米太陽能電池板的功率 = QaT = 623.196 * 0.1831 = 114.10W則實(shí)際所需的輻射面積S =磐=6.722%考慮到輻射損失以及功率損失，采用太陽輻射面積為8尬2 3. 5總結(jié)按照以上汁算結(jié)果，房間采用8塊半導(dǎo)體輻射制冷片，每片制冷量為180W, 面均勻分布16個(gè)制冷片，室外采用8塊太陽能光伏電池板，提供電能，同時(shí)屋 頂覆蓋有電池板作為輔助供電設(shè)備，防止應(yīng)為墻體呦向問題導(dǎo)致的太陽輻射量不 足的問題，整個(gè)設(shè)備附有電池組，將太陽能發(fā)電多余的量?jī)?chǔ)存起來以供光照條件 不足的情況下使用四、創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用4.1創(chuàng)新點(diǎn) 4丄1毛細(xì)現(xiàn)象蒸發(fā)制冷模仿植物蒸騰作用，釆用多孔汲液材料，利用毛細(xì)現(xiàn)象自動(dòng)補(bǔ)水，蒸發(fā)制冷 量可觀，從而達(dá)到降低半導(dǎo)體熱端及太陽能電池板陰面溫度的U的。4.1.2清潔能源利用太陽能發(fā)電，能源清潔，可降低能耗。4.1.3半導(dǎo)體輻射供冷無制冷劑，無泄漏無污染。半導(dǎo)體輻射制冷只針對(duì)局部供冷9有效減少冷量 需求，并