新型窗式冬夏两用太阳能设备的设计.doc

新型窗式冬夏两用太阳能设备的设计摘要：本设计考虑在单元楼窗下安装双面太阳能集热设备，在冬夏两季分别以不同方式利用太阳能。正面放置以气体二氧化碳为介质的集热器，热的二氧化碳导入室内，用以冬季取暖；反面放置太阳能电池板，用以夏季家庭用电的补充。室内散热片采用全墙壁覆盖方式。太阳能面板角度可调，以获取最大采光效率。关键词：二氧化碳气体集热器，双面太阳能，窗式，塑料膜散热片，全墙壁覆盖，面板朝向自动调节正文：一、 整体结构概述1. 以长、宽、高分别为8m、5m、3m的起居室为例，向阳窗户一面即居室宽度为5m。如图中1所示，集热板放置于两层楼上下两个窗子之间的空间，不影响通过窗户的采光。集热板长宽各为3m，面积9m2,居室面积40m2，采光面积与居室面积之比约为1/4。查阅相关资料知该比例在1/5至1/3之间即可使冬季室内温度达到适宜的15到25度。所以从这一点上，该取暖设计是可行的。2. 室内A、B两面墙覆盖薄散热片（或称暖气片），如图中2所示，总面积约为8*3*2=48m2，为保证室内美观及散热均匀，考虑采用塑料薄膜结构的散热片。可行性论证见下文。3. 集热板的太阳角度随动系统如图2所示，该结构目的是使集热板平面尽量保持与太阳光线的垂直，采用平面双摇杆机构调节集热板朝向，双摇杆机构刚度可靠，所需动力小，建造容易。4. 自动控制系统，目的是为了保证回路中气体的有效循环，调节室温，控制集热板随太阳转向，气体泄漏报警等。包括一个小的风机，一个小电机，及温度传感器，压力传感器，和流量传感器。二、 工作过程概述冬日，集热管一面朝向太阳，在阳光照射下，集热管内二氧化碳气体很快被加热，加热后的的气体密度变小，具有一定上升的动力，在风机的带动下，回路中的气体开始有效循环。热的二氧化碳从散热片顶部被导入室内。气体在散热片内缓慢冷却，沿散热片内气体导路下降，由风机带动循环气体重新回到集热板内加热。集热板在控制电路及伺服电机控制和带动下在7:00-16:00间，每小时转动一次，以使集热板与太阳光线尽量垂直夏天，温度高时，电池板一侧朝向太阳，由于该过程一年只需改变两次，所以由人手动完成。由于冬夏两季太阳高度不同，该面板需安装角度不足180度。电池板发的电可储存在蓄电池中补充家庭用电。集热板在6:00-18:00间每小时改变一次角度，以使其与太阳光线尽量垂直。三、 集热板1. 基本结构：正面为真空管，蛇形布置在3*3m2面板上，为方便制造,蛇形管可分段制造。如图所示，蛇形管内外壁之间抽真空，内部空腔内填充二氧化碳。二氧化碳为温室气体，比空气更能有效吸收热量。蛇形集热管出入口，位于面板旋转轴线上，以便在冬夏两季将此面板翻转。反面放置普通太阳能电池板，用于在夏季不需要取暖时最大限度的利用太阳能。2. 材料：面板骨架采用钢材，真空蛇形管内外壁都采用玻璃。内层玻璃外侧涂抹氧化铜等对太阳高温辐射吸收率很大，对低温辐射发射率很小的材料四、 散热片1. 原理：有关资料显示，在冬夏两季室内空气在不采用制冷制热措施的情况下温度差异在10度左右。若稍采用调节措施，冬夏室内空气温度查则更小。此例意在说明冬季引起人体感觉冷的原因主要是人体向冰冷的墙壁辐射热量所致。所以本设计在整个墙面上都覆盖散热片，这样便可以使人体与所处的辐射面（墙面）间的传热量减小，从而使人感到温暖舒适。2. 结构：散热片结构如图所示，面板内空气膜厚度约5mm。散热片使用塑料制作，塑料膜做的很薄，虽然塑料导热系数小，但由于厚度很小，所以热阻仍不大，加之气体流速较小，可以有效散热。散热片采用塑料的另一个有点是，比起金属散热片，温度在整个面积上分布较均匀，可以更加有效的减少人体对墙壁的辐射传热量。五、 循环回路和循环风机循环回路由蛇形集热管管内腔、散热片内气体道路以及连接集热管和散热片的保温管路。在散热片下部出口至集热管间的保温管路上串联循环风机。循环动力来自膨胀气体的自然升力和循环风机。由于自然升力原因，风机功率不需要很大。但循环风机在调节气体流量，进而调节室内温度方面还发挥着重要作用。六、 集热板的太阳光随动系统1 一日之内的角度调节系统原理与结构2 冬夏换季时集热板翻转结构七、 自动控制和报警系统1. 温度调节系统温度调节过程由分布在循环回路各处的温度传感器、循环风机和控制电路完成。调节过程的方框图如下；设定温度气体温度或室温流量风机控制器2. 集热板方向调节系统集热板方向调节由时间控制，电动机及其四连杆机构是执行部件。控制过程方框图如下：集热板朝向时间四杆机构电机3. 报警系统阀门报警器控制器多个气