CN102519156B

CN102519156B - 一种热管式真空管半导体热电热水系统

Info

Publication number: CN102519156B
Application number: CN2011104134567A
Authority: CN
Inventors: 何伟; 侯景鑫; 周锦志; 崔久春; 季杰
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2011-12-10
Filing date: 2011-12-10
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-12-10
Also published as: CN102519156A

Abstract

本发明提供一种热管式真空管半导体热电热水系统，包括：真空管集热系统、半导体双层换热联箱、水箱和水路系统。半导体双层换热联箱分为两层：直接换热层和半导体冷却层。天气晴好时，循环水仅从半导体冷却层通过，直接换热层充满常压高温过热水蒸气，半导体热电片工作生产电力和热水；当天气阴沉或热水量需要较大时，循环水从直接换热层和半导体冷却层通过生产热水。本发明可在热电热水模式和单一热水模式之间切换，热电热水模式下保证半导体热电片热端常压下保持高温，发电效率高；单一热水模式下可以得到较高温度的热水。本发明可根据季节和需要调节电力和热水生产关系，提高各季节太阳能利用的品质和效率。

Description

一种热管式真空管半导体热电热水系统

技术领域

本发明属于太阳能光热利用装置的技术领域，特别涉及一种热管式真空管半导体热电热水系统。

背景技术

太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，所以各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。太阳能利用方式中光热转换的技术最成熟，产品也最多，成本相对较低。在光热转换中，当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用，且以真空管式太阳能热水器为主，占据国内95％的市场份额。它结构简单易于制作、价格相对较低、环境温度低时效率仍然比较高。而热管式真空管可使热量集中获得更高的温度和更好的稳定性。与此同时，以锑化铋为主要材料的温差发电模块产业在我国已经有相当的规模，成本也已经由原来普通的几百元降至目前的几十元，发电效率也有所提高。将真空管与半导体热电片结合可以获得结构简单，适合小型化的热电发电装置，因此不断有类似的专利和应用涌现。

太阳能热水器温差发电装置(申请号200920111462)、太阳能热管温差发电装置(申请号200520118366)、一种太阳能真空管热发电装置(申请号201020048950)、一种自发电太阳能热水器(申请号200920172230)等都提出将太阳能集热装置与半导体热电片联合应用的构想，但普遍存在的问题是，系统无论任何天气均工作于预设的发电模式，当阴雨天太阳辐照不理想时，真空管无法达到较高的温度，此时发电效率非常低而且也得不到足够温度的热水；用水作半导体制冷片热源的系统，因水比热容较大且常压下无法运行于超过100摄氏度的高温，因此半导体热端工作温度低，系统发电效率较低。目前尚未有人提出即可提高半导体热电片热端温度以提高发电效率，又可在阴雨天气时发挥真空管较高的热水温度的装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种热管式真空管半导体热电热水系统，该系统在阳光充足时，可获得较高的热电转化效率，提高夏季时太阳能利用的品质和效率，避免夏季时热水产量过盛造成的能源浪费；阴雨天气时低环境温度下获得较高的热水温度；提高了高温运行条件下系统的安全性。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种热管式真空管半导体热电热水系统，其包括：真空管集热系统、半导体双层换热联箱以及水箱和水路系统，其中，

所述的半导体双层换热联箱为可切换水流通路径的双层结构，中间隔热层开有与半导体热电片尺寸相当的孔，半导体热电片置于孔中，其上方依次安置导热块A和散热片A，下方依次安置导热块B和散热片B，相邻组件紧密接触；导热块A与散热片A在接触面处对应位置各开有与热管冷凝段能紧密接触的凹槽，与热管一起装配好以后可以保证三者之间两两紧密接触；通过控制联箱两侧水路管道的截止阀使系统实现热电热水模式和单一热水模式之间的切换；天气晴好时热量主要通过导热块A供应于半导体热电片，可使后者热端获得更高的温度，提高发电效率；天气阴沉时热量通过散热片A和散热片B传递给水，增大了传热面积，使系统充分发挥真空管在环境温度较低时的较高的集热效率的优势；从而使系统可根据天气状况及需要工作于热电热水模式或单一热水模式；天气晴好时，系统工作于热电热水模式，热管向半导体热电片热端传热，循环水仅从半导体冷却层流过，半导体热电片两侧产生温差使其生产电力，同时循环水的温度升高供生活使用；天气阴沉或热水需要量较大时，系统工作于单一热水模式，循环水从直接换热层和半导体冷却层通过，增大了换热面积，使系统生产足够温度和用量的热水。

其中，所述的半导体双层换热联箱中间隔热层靠近一个截止阀的一端水平面较低处安装一个泄压阀或浮球阀，当系统处于热电热水模式时，截止阀关闭，直接换热层内温度升高并使部分液态水汽化导致腔内压力升高，其余液态水和部分蒸汽在压力作用下通过泄压阀或浮球阀被排到下层半导体冷却层，直到直接换热层内温度趋于稳定不再上升且压力和半导体冷却层趋于平衡时泄压阀或浮球阀自动关闭，此时直接换热层内充满高温低密度低热容的过热水蒸汽，有利于减少系统向外界的热流失，提高半导体热电片热端温度以提高其发电效率，同时确保系统运行的稳定与安全，减小系统设计和安装的难度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用了散热片与导热块包围热管冷凝段的结构，热管的热量即可以直接向半导体发电片传递又可以直接向散热片传递，避免了以往太阳能和半导体热电片简单联合应用引起的功能单一，天气不好时电力产量和热水温度都很低的问题；

(2)本发明采用带泄压阀的半导体双层换热联箱结构，与传统太阳能和半导体热电片简单联合应用相比，热电热水模式下半导体热电片温度可达150℃以上，发电效率明显提高，同时不用担心水汽化引起的压力过高问题和由于水的热容大引起的半导体热电片热端温度上升缓慢和温升范围小的问题；同时单一热水模式下可直接发挥真空管在较低环境温度下可以得到较高的集热效率的优势；

(3)本发明采用带泄压阀的双层换热联箱结构，通过泄压阀或浮球阀可将直接换热层的水排到半导体冷却层参与再循环，既可提高半导体热电片热端温度又可降低直接冷却层内压力，自动运行，结构简单可靠；

(4)系统工作模式切换灵活，可根据天气及生活需要，随时通过截止阀的开闭来切换系统的单一热水模式和热电热水模式，使系统在各个季节和各种天气下都可以更高效地利用太阳能，避免传统热水器夏季时热水产量过盛导致的太阳能被浪费的问题；

(5)系统结构简单安装灵活，几乎不受使用规模限制，可在现有的真空管热水器基础上升级改造，节约企业和用户投资。

附图说明

图1为本发明的整体外观示意图；

图2为本发明中半导体双层换热联箱纵切剖面示意图；

图3为本发明中半导体双层换热联箱横切剖面示意图；

图4为本发明中半导体双层换热联箱内部组件结构和装配示意图；

图5为本发明中泄压阀开启和浮球阀关闭及开启情况时工作示意图；

图中，1为真空管集热系统；11为真空管；12为热管；13为CPC反光板；2为半导体双层换热联箱；20为外壳及保温层；21为直接换热层；22为散热片A；23为导热块A；24为中间隔热层；25为半导体热电片；26为导热块B；27为散热片B；28为半导体冷却层；29为泄压阀；29-2为浮球阀；3为水箱和水路系统；31为截止阀；32为三通；33为水泵；34为水箱。

具体实施方式

下面结合附图具体介绍本发明的具体实施方式。

本发明所采用主要部件为真空管、热管和半导体热电片。真空管是太阳能热水器的核心部件，他的结构如同一个拉长的暖瓶胆，内外层之间为真空，在内玻璃管的表面上利用特种工艺涂有光谱选择性吸收涂层，用来最大限度的吸收太阳辐射能，经阳光照射，光子撞击涂层，太阳能转化成热能。热管是一种在封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件，管壳内抽成负压后充以适量的工作液体，管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，当热管的一端受热液体蒸发汽化，蒸汽流向另一端放出热量凝结成液体再流回蒸发段，如此循环不己，热量由热管的一端传至另一端。半导体热电片是利用塞贝克效应，将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，这就是半导体热电片。

如图1所示，本发明的一种热管式真空管半导体热电热水系统包括：真空管集热系统1、半导体双层换热联箱2以及水箱和水路系统3。

所述的真空管集热系统1由真空管11、热管12、CPC反光板13和金属框架及支架组成。真空管11吸收太阳辐射并将其转化为热能，热管12将热能带入半导体双层换热联箱2。CPC反光板13的作用为将从真空管11之间的间隙透过的太阳能辐射反射到真空管11上，提高系统的集热温度和集热效率。

如图2、3、4所示，所述的半导体双层换热联箱2包括外壳及保温层20、直接换热层21、散热片A 22、导热块A 23、中间隔热层24、半导体热电片25、导热块B 26、散热片B 27、半导体冷却层28和泄压阀29，其中，泄压阀29也可以采用浮球阀29-2。中间隔热层24开有与半导体热电片25尺寸相当的孔，半导体热电片25置于孔中，其上方依次安置导热块A 23和散热片A 22，下方依次安置导热块B 26和散热片B 27，相邻组件紧密接触，热管12的冷凝段安装于导热块A 23与散热片A 22中间。导热块A 23部分深入中间隔热层24的孔中固定自身，依靠上部的凹槽固定热管12。半导体热电片25被导热块A 23和导热块B 26固定在中间隔热层24的孔中，使热流集中于上下两个表面。散热片A 22和散热片B 27带有与水流方向一致的翅片。中间隔热层24靠近一个截止阀31的一端水平面较低处安装一个泄压阀29，或者安装一个浮球阀29-2，当直接换热层21压力超过半导体冷却层28时，泄压阀29或者浮球阀29-2自动开启，当直接换热层21压力等于或小于半导体冷却层28时，泄压阀29或者浮球阀29-2保持关闭。

所述的水箱和水路系统3由截止阀31、三通32、水泵33、水箱34和管路组成。半导体双层换热联箱2的直接换热层21两端出口处各安装一个截止阀31，与半导体冷却层28出口处的管路用三通32和管路连接在一起。管路中水箱34出口处安装水泵33。

系统通过控制联箱两侧水路管道的截止阀31使系统实现热电热水模式和单一热水模式之间的切换。夏季天气晴好时系统工作于热电热水模式时，截止阀31关闭，直接换热层21变为密闭状态，内部温度升高，一小部分液态水汽化导致腔内压力升高，当压力超过半导体冷却层28后，泄压阀自动开启，液态的循环水在压力作用下通过泄压阀被排到下层半导体冷却层28，腔内充满蒸汽和水的混合物。液态水被全部排出后，直接换热层21内充满干饱和水蒸汽，腔内温度和压力继续上升，部分蒸汽被排到下层半导体冷却层28放热液化，上层直接换热层21内蒸汽变为过热蒸汽。过程持续进行直到直接换热层21内温度趋于稳定不再上升且压力和半导体冷却层28趋于平衡时泄压阀29自动关闭，此时直接换热层21内充满低密度低热容的过热水蒸汽，与散热片A 22间的换热系数很低，热管带入的热量基本通过导热块A 23传递给了半导体热电片25的热端，使其热端温度可达150℃以上，这有利于提高半导体热电片25热端温度以提高其发电效率。泄压阀的使用同时确保系统运行的稳定与安全，减小系统设计和安装的难度。循环水从半导体冷却层28反复流过被不断加热成供生活使用的热水。阴雨天气或者冬季时系统工作于单一热水模式，截止阀31开启，循环水从直接换热层21和半导体冷却层28流过，热管带入半导体双层换热联箱2的热量同时通过散热片A 22和散热片B 27向循环水传递，增大了换热面积，使真空管吸收的热量全部用于生产热水，完整保留真空管在环境温度较低时的较高的集热效率的优势。

系统在夏季太阳辐射强烈且温度较高时，可实现同时生产电力和热水，相比于传统真空管热水器，可将多多余的热量转化为电能，避免夏季热水器热水产量过剩的问题，提高太阳能利用的品质和利用率；在天气阴沉或冬季时可切换为单一热水模式，与简单太阳能温差发电系统相比，获得足够温度和产量的热水，避免前者出现的电力和热水产量都很小无法满足应用的不足。

上述详细阐述了本发明的实现过程。对于未详细阐述的部分应属于本领域公知技术，本领域技术人员可以很容易实现。

Claims

1.一种热管式真空管半导体热电热水系统，其包括：真空管集热系统（1）、半导体双层换热联箱（2）以及水路系统（3），其中水路系统（3）包括水箱，其特征在于：

所述的半导体双层换热联箱（2）为可切换水流通路径的双层结构，中间隔热层（24）上方为直接换热层（21），下方为半导体冷却层（28），中间隔热层（24）开有与半导体热电片（25）尺寸相当的孔，半导体热电片（25）置于孔中，半导体热电片（25）上方依次安置导热块A（23）和散热片A（22），下方依次安置导热块B（26）和散热片B（27），相邻组件紧密接触；导热块A（23）与散热片A（22）在接触面处对应位置各开有与热管（12）冷凝段能紧密接触的凹槽，与热管（12）一起装配好以后可以保证三者之间两两紧密接触；通过控制联箱两侧水路管道的截止阀（31）使系统实现热电热水模式和单一热水模式之间的切换；天气晴好时热量主要通过导热块A（23）供应于半导体热电片（25），可使后者热端获得更高的温度，提高发电效率；天气阴沉时热量通过散热片A（22）和散热片B（27）传递给水，增大了传热面积，使系统充分发挥真空管在环境温度较低时的较高的集热效率的优势，从而使系统可根据天气状况及需要工作于热电热水模式或单一热水模式；天气晴好时，系统工作于热电热水模式，热管（12）向半导体热电片（25）热端传热，循环水仅从半导体冷却层（28）流过，半导体热电片（25）两侧产生温差使其生产电力，同时循环水的温度升高供生活使用；天气阴沉或热水需要量较大时，系统工作于单一热水模式，循环水从直接换热层（21）和半导体冷却层（28）通过，增大了换热面积，使系统生产足够温度和用量的热水；其中，

所述的半导体双层换热联箱（2）中间隔热层（24）靠近截止阀（31）的一端水平面较低处安装一个泄压阀（29）或浮球阀（29-2），当系统处于热电热水模式时，截止阀（31）关闭，直接换热层（21）内温度升高并使部分液态水汽化导致腔内压力升高，其余液态水和部分蒸汽在压力作用下通过泄压阀（29）或浮球阀（29-2）被排到下层半导体冷却层（28），直到直接换热层（21）内温度趋于稳定不再上升且压力和半导体冷却层（28）趋于平衡时泄压阀（29）或浮球阀（29-2）自动关闭，此时直接换热层（21）内充满高温低密度低热容的过热水蒸汽，有利于减少系统向外界的热流失，提高半导体热电片（25）热端温度以提高其发电效率，同时确保系统运行的稳定与安全，减小系统设计和安装的难度。