第四届特等奖-光电冷热一体化的太阳能利用技术研究

1、光电冷热一体化的太阳能利用技术研究参赛高校：哈尔滨工业大学团队名称：能源之光参赛选手：韩 瑞、魏思雨指导教师：高继慧一、项目概述自20世纪80年代世界性的石油危机爆发以来，能源危机给人们敲响了警钟，在能源和环境危机的双重压力下, 太阳能作为一种取之不尽且无污染的可再生能源, 已经成为当前国际能源开发利用中的新热点。建筑作为人类的日常生活必需的物质载体,人们开始关注占国家全部能源消耗的30%40%的建筑能耗问题。随着生活水平的提高，人们对空调的需求量日益增大，然而由于氟利昂等制冷剂对环境造成的巨大危害以及空调的高耗电量给电力供应造成的严重压力，传统空调的问题正日益凸显。因此，本课题提出了一种光电

2、冷热一体化太阳能综合利用技术。该技术将光伏发电、半导体制冷、太阳能集热基于建筑进行了有机整合，在实现太阳能综合利用的同时，降低建筑成本，具有显著的环境和经济效益。该技术以水作为载热体，在实现降低半导体制冷件冷热端温差，提高制冷效率（COP）和降低光伏电池组件工作温度，提高电池性能两大技术目标的同时，利用“冷却水梯级升温技术”为人们提供高品质生活用水，并通过地下蓄热与冷却相结合的方案，实现了热能的地下储存。二、问题描述（一）系统的工作原理1.太阳能发电光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池是对光有响应并能将光能转换成电力

3、的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。当光线照射太阳电池表面时，一部分被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质：光子能量转换成电能的过程。 图1 光伏电池原理及光伏电池列阵2.太阳能热利用系统太阳能集热是太阳能热利用系统的核心部件，太阳能集热器吸收太阳辐射的光，产生很大的热能，提供源源不断的动力。集

4、热器的外型有天平板的，有真空管的，它们都有专门的吸热装置，吸收太阳能辐射，转化成热能，再将热能传递给水(水只是传热工质的一种，其他还有蒸馏水和气体等)从而使水温度不断升高，得到所需的热水。在我们的生活中，最常见的太阳能集热器，就是平板太阳能集热器与真空管太阳能集热器两种。总之，太阳能集热器就是吸收太阳能辐射能并向工质传递热量的装置。图2 太阳能集热器原理图及太阳能热水器3.压缩空调家用空调器一般都是采用机械压缩式的制冷装置，其基本的元件共有四件：压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置，四者是相通的，其中充灌着制冷剂（又称制冷工质）。压缩机像一颗奔腾的心脏使得制冷剂如血液一样在空调器中连续不断的流动，

5、实现对房间温度进行调节。制冷剂一般为氟利昂。首先，低压的气态制冷剂被吸入压缩机，被压缩成高温高压的气体；而后，气态制冷剂流到室外的冷凝器，在向室外散热过程中，逐渐冷凝成高压液体；接着，通过节流装置降压（同时也降温）又变成低温低压的气液混合物。此时，气液混合的制冷剂就可以发挥空调制冷的作用了：它进入室内的蒸发器，通过吸收室内空气中的热量而不断汽化，这样，房间的温度降低了，它也变成低压气体，重新进入压缩机。如此循环往复，空调就可以连续不断地进行运转。图3 空调制冷原理图及示意图（二）主要问题1.太阳能发电以目前的科学技术来讲，利用太阳能来发电，设备成本高，太阳能利用率较低，不能广泛应用。2.太阳能

6、集热系统受天气、环境、温度、安装地点影响非常大，加热缓慢，水停留水管内时间长，时间长了结成水垢，难以清理，造成加热效果的下降，带来寿命的下降。3.压缩空调绝大多数空调采用氟利昂一类的制冷剂，其广泛使用对生态环境造成严重的负面影响。传统空调通常需要泵、压缩机等部件，在消耗大量电能和原材料的同时,还会产生恼人的噪声污染。（三）限制条件1.太阳能发电照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关；在发电过程中会产生热量，会造成产发电效率下降，太阳能电池板温度每升高1,开路电压减小0.4%,短路电流基本不变,则输出功率减小0.4%。2.太阳能热水系统太阳能热水器是感

7、应装置，只能在阳光达到某一程度后才能进行工作，因此对天气，温度有很严格的要求；占地面积比较大，阳光的能量分布密度小；在水循环过程中会有热量损失，加热效率低。3.压缩空调制冷剂原料缺乏，只能采用氟利昂类物质；液体循环是被动过程，需要外加的能量即电能。压缩机装置部件复杂，不可避免的有零件摩擦等造成噪音。（四）类似产品的解决方法1.太阳能的利用由于光伏电池在工作时表面会产生大量热量，这些热量会影响光伏电池的发电效率，目前解决的方法主要是在光伏电池下部增设空气流道，利用自然对流或强制对流来为光伏电池散热，但是由于空气的传热系数较低，因此往往达不到理想的效果，并且大量的热量散失到空气中会造成了能量的浪费

8、。2.制冷由于压缩空调的种种弊端，人们开始致力于寻找新型的制冷方式，半导体制冷就是这些新型制冷方式中的一颗璀璨新星。热电制冷又称半导体制冷、温差电制冷。1834年J.A.C帕尔帖首先发现帕尔帖效应，即用两块不同导体联接成电偶，并接上直流电源，当电偶上流过电流时，会发生能量转移现象，一个接头处放出热量变热，另一个接头处吸收热量变冷，这种现象称为帕尔贴效应，并且这种现象是可逆的。半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。N型材料有多余的电子，有负温差电势。P型材料电子不足，有正温差电势；当电子从P型穿过结点至N型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反，当电子

9、从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。图4 半导体制冷片原理图及示意图三、TRIZ解题流程（一）系统完备性法则1. 光电转化系统（2）光热太阳能利用系统（3）半导体制冷系统二） 系统分析（三）功能分析1.热水器2.半导体制冷堆3.太阳能发电系统（四）资源分析（五）最终理想解全面实现太阳能与建筑一体化及太阳能光热光电综合应用一体化，建成最理想的零能耗房。四、运用TRIZ工具（一）发明问题标准解法冷却水梯级升温技术热水器一般由太阳能集热器、保温水箱和控制器组成。然而众所周知，普通热水器的加热性能并不好。在超系统中，半导体制冷堆有热量的产生，太阳能电池板也会散发出热量。物-场模型分析：系统改进：

10、由于存在热品质不高的问题，经分析得出该模型为效应不足的完整模型。应用标准解法第2级中的强化物场模型的解法和标准解法第3级中的1、2个标准解法。S2.2.5构造场通过使用异质场或持久场，或可调节立体结构代替同质场或无组织的场，来加强物场模型。S3.1.1系统转化1a：创建双、多系统处于任意进化阶段的系统性能可通过系统转化，系统与另外一个系统组合，从而建立一个更复杂的双、多系统来得到加强。考虑到太阳能发电装置和半导体制冷装置中均有热量的产生，是可利用的资源。可以将热水器、太阳能发电、半导体制冷系统连接起来。让水依次流过，充分吸收热量。（二）物-场分析半导体制冷堆1.问题描述半导体制冷片利用的是帕尔

11、贴效应，图12、13反映了制冷量及制冷系数随冷热端热导的变化：冷热端温差越小，制冷量和制冷系数越大；热端温度越低，冷端温度越高，制冷量和制冷系数越大。所以为了提高制冷效率，需要降低冷热端的温差；并且应当有效利用上热端产生的热量。图12热端热导对制冷量和制冷系数影响 图13冷端热导对制冷量和制冷系数影响2.系统物场分析3.构建物场模型选择解法：不完整模型有2个一般解法，本题采用第一个解法，补齐所缺失的元素，增加工具S2。发展概念：由于系统中的资源有空气（风）、水等，可以考虑用流动水带走热量和用风带走热量。（三）技术矛盾储能系统众所周知建筑物供暖负荷远大于其生活热水负荷，所以在非采暖季节会产生热水

12、过剩的现象，为解决这一问题我们采取季节性蓄水的办法将多余热量储存起来。系统组成：容器、水、热量主要功能：储存热水系统要素：热水、能量技术矛盾：减小热水体积同时又减小能量损失改善参数为（22）能量损失为了减少能量损失，需要不同的技术来改善能量的利用，恶化参数为（8）静止物体的体积静止物体所占的空间体积。查询矛盾矩阵后得到的创新原理7，嵌套原则。一个物体位于另一个物体之内，而后者又位于第三个物体之内等。所以我们将热水储存到地下。既节约了空间又有效防止了热量损失。物理矛盾光热系统；物理矛盾：太阳能热水器的面积要大，以便接收更多的热量；但是由于受到屋顶面积的限制，太阳能电池板的面积将减小，会造成发电量

13、不够。解决方法：运用物理矛盾的11种分离方法之中的3将系统换为反系统，或将系统与反系统相结合。用适当大的电池板产生足够的电能，用水收集在发电过程中产生的废热，以减少太阳能产热的压力。五、解决方案（一）热端散热方案的选择1.热端散热方案利用空气作为介质来为半导体制冷片热端及光伏电池散热并吸收多余的热量，再利用热交换器将热量传递给水，从而得到高品质热水。利用水作为介质为半导体制冷片热端及光伏电池散热并吸收多余的热量，然后通过太阳能集热器进一步升温，从而得到高品质热水。2.热端散热方案的评价图14 实验系统图由于不同的散热方式下半导体制冷片的制冷性能不同，因此本文选用了两种散热方式进行了实验研究。试

14、验系统主要由半导体制冷片，散热装置，蓄冷装置，循环泵，供变电设备，恒温水浴以及温度、电压、电流数据采集系统组成，实验系统如图14所示。实验所用半导体制冷片，最大温差电流为6.0A，最大温差电压为14.7 V，最大制冷功率为53.3W，最大温差为67。半导体热端散热采用水冷和风冷两种方式，其中风冷采用风扇直吹，水冷采用循环泵将恒温水通入制冷片热端水冷片中，水冷所需恒温由数码恒温水浴产生。冷端制冷量由循环水带走，在保温量热瓶中储存。实验过程中所需直流电由直流电源交变产生，通过调节直流电源的电流和电压控制半导体制冷片输入功率以达到控制其制冷量的目的。实验过程中的温度值由数字万用表采集，采集频率为每分

15、钟2次。实验采用K型热电偶测量温度。系统共布置温度测点5个，分别测量保温容器内的水温，冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷端温度、热端温度。图15 风冷与水冷散热方式的比较 图16 水冷散热对制冷效果的影响本文首先进行了空白实验，即关闭制冷片、开启散热风扇观察被冷却水循环过程中温度的变化情况。图15中给出了两种散热方式的比较，图中可以看出水冷效果好于风冷。由此可见降低热端的温度可以提高制冷片的制冷量。图16中给出了不同冷却水温度下水冷散热对制冷片制冷效果的影响，由图可知随着冷却水温度的降低，制冷效果逐渐提高。这说明采用水冷方式可以有效提高制冷片的制冷量，因此本项目提出采用地下水（温度15度）冷却

16、半导体制冷片的方式是可行的。六、确定最终方案（一）系统简介图17 系统示意图图18 系统效果图本系统结构如图17所示，由太阳能电池模块、半导体模块、热水器模块以及季节性蓄热模块组成。夏季时，太阳能电池产生的电流通过半导体制冷片，使半导体制冷片工作，冷端以冷媒风交换器，通过将室内空气吹掠过半导体冷端散冷器并吹出冷风,达到制冷目的。实验证明，太阳能电池和半导体热端的高温会制约太阳能电池的发电效率以及半导体制冷片的制冷量，因此我们采用水这一良好的载热体为其降温，完成降温后具有一定温升的冷却水通过太阳能集热器再次升温，形成高品质热水，一部分供人们日常生活使用，另一部分输送到地下被储存起来，图19为夏季

17、时系统运行的水循环路线图。冬季时，通以反向电流，半导体冷热端互换，达到制热的效果，但冬季普遍存在太阳能电池板和太阳能集热器表面温度较低，所得热水温度达不到生活需求和半导体热端制热量不足，难以使室温达到理想温度等问题，此时可以将地下储存的热水取出，一部分热水与冷却水换热，使冷却水有一定温升后，再使冷水通过太阳能电池和太阳能集热器形成高品质热水，另一部分热水通过冷端的吸热作用将热量传递到热端从而提高室内温度，图20为冬季时系统运行的水循环路线图。本系统可以满足夏季制冷、冬季取暖的需求，同时一年四季供给生活热水。图19 夏季水循环路线图图20 冬季水循环路线图（二）实验研究为了寻找最佳的工作参数，作者利用上文所示的实验系统进行了实验研究，实验结果如下文所示。图21中给出制冷片输入电流对其制冷效果的影响。由图7可知随着输入电流的增加，输入功率呈递增趋势，当输入电流大于2.4A时，输入功率与输入电流呈线性关系，输入电压基本保持稳定。而