CN104879051B - 一种光伏百叶半导体温控节能窗 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏百叶半导体温控节能窗，该装置包括光伏百叶组件、散热层、双侧空气调节通道和双层玻璃夹层，光伏百叶组件由一系列太阳能光伏电池按照百叶形式组装而成，双侧空气调节通道由窗框、空气调节空腔、热电热泵芯片组、翅片散热器和风机组成，热电热泵芯片组与太阳能光伏电池通过电线连接，电线上设置电流方向控制开关。本发明利用光伏百叶将太阳辐射转化为直流电用于驱动热电热泵芯片组进行制冷或者制热，在减少室内太阳辐射得热的同时利用热电热泵有效实现窗体的保温隔热，极大的降低了建筑能耗，且具有结构简单紧凑、节能、高效等特点。

Description

一种光伏百叶半导体温控节能窗

技术领域

本发明属于建筑门窗技术领域，尤其涉及一种具有保温隔热并减少室内空调负荷特点的光伏百叶半导体温控节能窗。

背景技术

随着建筑行业的快速发展，建筑能耗问题已经成为一个亟待解决的重要问题。根据相关数据统计，建筑能耗大约占总能耗的30％，且这个比例将会随着社会的发展而不断增长。在日益增长的建筑能耗中，空调设备的能耗占到了很大的比重，而建筑围护结构的传热是造成空调设备能耗过高的主要因素，因此，对于建筑围护结构进行节能设计或者改造具有重大的意义。对于传统的围护结构，一般包括墙体和窗户，其中通过窗户所造成的空调负荷一般是墙体负荷的2倍。传统的玻璃窗热容较小、传热系数大，同时室外的太阳辐射极大的增加了夏季的室内空调负荷。因此，设计一种兼具利用太阳能资源和实现围护结构保温隔热特点的窗户，对于减少建筑能耗与实现可持续发展具有重要意义。

现有的节能窗户大多采用双层或者三层玻璃窗的结构设计，采用真空空腔的方式来减少窗户的传热。首先，这样的设计必然要求真空窗具有绝对的密闭性，但是由于窗体结构会随着室内外温度波动变化而造成热胀冷缩的应力形变，在真空节能窗的长期使用过程中，窗体的密闭性难以得到保证。其次，普通真空节能窗采用增加真空夹层的方式增大了窗户的热阻，从而减小窗户的热传导系数，但是在炎热的夏季，室外强烈的太阳直射辐射、天空与地面的散射辐射都将通过透明玻璃进入室内，增加室内的空调负荷，采用普通百叶或者窗帘遮阳又达不到合理利用太阳能的目的。

经过专利检索，中国专利授权公告号CN202706840U，实用新型专利名称为：太阳能遮阳一体化节能窗，该节能窗技术主要采用太阳能集热板设于落地窗下部或上悬窗上部，作为一种可活动遮阳设备的同时能够利用太阳能的光热资源制备一定量的热水供室内使用，但是这种太阳能集热板悬挂在窗户外面会导致安全性得不到保障，并且该太阳能遮阳一体化节能窗仅能减少室外太阳直射辐射对室内的影响，对于减少窗户本身热传导以及室外的散射辐射方面效果不显著。

通过专利检索还发现，中国专利授权公告号CN203285276U，实用新型专利名称为：空气流动节能窗，该技术采用双层玻璃窗主体结构，在两层玻璃之间设置普通百叶遮阳装置阻挡室外太阳直射辐射，内侧玻璃下方设有开口与室内空气连通，利用双层玻璃空腔中的热空气的浮升力作用，可将室内的空气经由内侧玻璃下方开口处向上流动,以造成空气的循环，减少窗户对室内的传热，但是从原理上用于冷却双层玻璃窗空腔的空气是由室内空调设备制冷得到的，整体装置对于减少室内空调设备负荷的能力有限。

为了同时利用太阳能的光电、光热资源并且减少室外太阳直射与散射辐射对室内的影响，将太阳能光伏电池板与建筑围护结构进行有机结合是一个较好的选择。同时考虑到，太阳能光伏电池板能够将太阳光转化的直流电用于驱动半导体热电芯片制冷或者制热，从而达到控制窗户的热负荷的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有节能窗的不足，提供一种能够综合利用太阳能光伏电池与半导体热电芯片的节能窗户，以阻挡室外太阳辐射，减少窗户与室外空气的传热，从而有效削减室内空调负荷。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是一种光伏百叶半导体温控节能窗，所述装置由外至内包括光伏百叶组件、散热层、双侧空气调节通道和双层玻璃夹层，所述的光伏百叶组件由一系列太阳能光伏电池按照百叶形式组装而成，所述的双侧空气调节通道由窗框、空气调节空腔、热电热泵芯片组、翅片散热器和风机组成，所述的热电热泵芯片组与太阳能光伏电池通过电线连接，电线上设置电流方向控制开关。所述的散热层由通风空腔、外玻璃表皮、通风口和风道开关组成，所述的光伏百叶组件置于散热层的通风空腔中，散热层的外玻璃表皮设有上下位置的两个通风口，上下两个通风口均设置有风道开关。所述的光伏百叶组件位于散热层的空腔内部，双侧空气调节通道位于双层玻璃夹层的两侧，对称分布。所述的电流方向控制开关联动控制双侧空气调节通道的风机、热电热泵芯片组以及外玻璃表皮通风口风道开关。

本发明的目的是通过如下技术思路实现的：

夏季制冷工况下，散热层外玻璃表皮的通风口风道开关打开，散热层与室外处于连通状态，散热层中的光伏百叶组件能够有效的吸收太阳直射辐射以及天空与地面的散热辐射，并将吸收的太阳辐射一部分转化为直流电，剩余部分转化为热量经由太阳能光伏电池板背面通过对流换热的方式与散热层通风空腔内的空气换热，在室外风压与通风空腔内热空气浮升力作用下，多余的热量散入环境当中，从而有效降低光伏百叶组件的温度，提高光电转化效率。与此同时，光伏百叶组件产生的直流电用于驱动双侧空气调节通道中的半导体热电芯片。半导体热电芯片内侧面制冷，外侧面制热，外侧面的制热量经过外侧翅片散热器散入散热层通风通道中，内侧面的制冷量经过内侧翅片散热器散入空气调节空腔中，减少了半导体热电芯片冷热端温差，提高了热电热泵制冷效率。双侧空气调节通道中的冷空气通过顶部的风机送入双层玻璃夹层中，利用冷空气下沉的原理使得冷空气更均匀的冷却窗体玻璃表面温度以及实现隔热的作用。

冬季制热工况下，散热层的通风口风道开关关闭，散热层与室外处于隔绝状态，与此同时，改变输入半导体热电芯片的电流方向以及双侧空气调节通道中的空气流动方向，即将顶部风机改为抽风、底部风机改为送风。散热层中的光伏百叶组件有效的吸收太阳直射辐射与散热辐射，转化为直流电后剩余的部分能量转化为热量经由太阳能光伏电池板背面通过对流换热的方式与散热层通风空腔内的空气换热，此时封闭的空腔相当于一个温室。同时，光伏百叶组件产生的直流电用于驱动双侧空气调节通道中的半导体热电芯片。半导体热电芯片内侧面制热，外侧面制冷，外侧面的制冷量经过外侧翅片散热器散入散热层通风通道中，内侧面的制热量经过内侧翅片散热器散入空气调节空腔中，减少了半导体热电芯片冷热端温差，进一步提高了热电热泵制热效率。双侧空气调节通道中的热空气通过低部的风机送入双层玻璃夹层中，利用热空气上浮的原理实现热空气的均匀分布以及实现窗体保温的作用。

与传统的节能窗户相比，本发明的优点在于：采用百叶型太阳能光伏电池板，光伏百叶角度可以自由调节，以此满足室内自然采光需要的同时实现光伏发电最大化，采用太阳能光伏电池板驱动半导体热电芯片制冷制热，实现光伏发电的即发即用，利用散热层的通风空腔带走多余热量，提高了光伏发电效率与半导体热电热泵的工作效率。通过双侧空气调节通道向双层玻璃夹层中输送冷空气或者热空气，实现节能窗户夏季隔热冬季保温的要求，极大的减少室内空调负荷能耗。

综上所述，本发明通过结合光伏百叶装置与半导体热电芯片的特点，构建了一种节能窗户装置，有效的利用了太阳能资源，减少了窗户的热负荷，进一步推进了建筑节能技术的发展与应用。

附图说明

图1为本发明一种光伏百叶半导体温控节能窗的侧面示意图；

图2为图1中A-A处的剖面图；

图3为图2中B-B处的剖面图。

附图中标号所示名称为：1-光伏百叶组件；101-太阳能光伏电池；2-散热层；201-通风空腔；202-外玻璃表皮；203-通风口；204-风道开关；3-双侧空气调节通道；301-窗框；302-空气调节空腔；303-热电热泵芯片组；304-外侧面翅片散热器；305-内侧面翅片散热器；306-顶部风机；307-底部风机；308-顶部风口；309-底部风口；4-双层玻璃夹层；401-内层玻璃；402-外层玻璃；403-对流空腔；5-电流控制开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细阐述，但本发明的实施方式不限于此。

综上所述的本发明具体实施例仅为本发明优选的实施方式，并非用于限定本发明保护范围的限制。因此，任何在本发明的技术特征之内所作的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

一种如图1-图3所示的光伏百叶半导体温控节能窗装置，该装置由外到内(外侧是指装置朝向室外的一侧)包括有光伏百叶组件1、散热层2、双侧空气调节通道3以及双层玻璃夹层4，各层依次拼装后固定成一个整体。

光伏百叶组件1由太阳能光伏电池101按照百叶形式安装，整个光伏百叶组件1悬挂在散热层2的通风空腔201内部，在散热层2的外玻璃表皮202的上部与下部位置分别设有通风口203与风道开关204。双侧空气调节通道3与双层玻璃夹层4位于同一平面上，窗框301用于固定双层玻璃夹层4的内层玻璃401与外层玻璃402，并且内层玻璃401与外层玻璃402中间的空气夹层即为对流空腔403。热电热泵芯片组303按照与窗户玻璃平行的方向安装在外侧窗框301上，外侧面翅片散热器304与内侧面翅片散热器305分别与热电热泵芯片组303的外侧面与内侧面接触，其中外侧面翅片散热器304位于散热层2的通风空腔201内部，内侧面翅片散热器305位于空气调节空腔302内部。在双侧空气调节通道3的顶部与底部分别安装有顶部风机306与底部风机307，分别对应顶部风口308与底部风口309。光伏百叶组件1与热电热泵芯片组303通过电线连接，在电线上设置电流控制开关5，分别控制电流正向、反向以及断开的三个档位，并且电流控制开关5与通风口203以及顶部风机306、底部风机307的风向联动控制，光伏百叶组件1可与蓄电池连接(本实施例未给出)。

本实施例的一种光伏百叶半导体温控节能窗的工作原理为：

(1)在制冷季节，将散热层2的风道开关204打开，使得散热层2与室外环境处于连通状态，室外太阳直射辐射与散射辐射照射到光伏百叶组件1上，一部分太阳辐射被太阳能光伏电池板101吸收，剩余部分能量通过太阳能光伏电池板101的背面散发到通风空腔201当中，通风空腔201在室外风压与空腔内部热压的共同作用下将热空气排到室外大气环境中，从而大幅度降低太阳能光伏电池板101的底板温度，提高光伏百叶组件1的光电转化效率。光伏百叶组件1所产生的直流电通过电线输入到热电热泵芯片组303当中，热电热泵芯片组303在内侧面进行吸热制冷、在外侧面进行制热。热电热泵芯片组303所产生的热量通过外侧面翅片散热器304散入通风空腔201当中，并随着空腔中的气流排到室外大气环境中，同时，热电热泵芯片组303所产生的冷量通过内侧面翅片散热器305散入空气调节空腔302。在制冷工况下，顶部风机306与底部风机307分别作为送风机与抽风机，顶部风机306将空气调节空腔302中的冷空气通过顶部风口308送入双层玻璃夹层4，冷空气在下沉过程中均匀的分布在对流空腔403内部，冷空气会通过内层玻璃401与外层玻璃402分别与室内空气与通风空腔201进行传热，在维持双层玻璃夹层4表面温度的同时会耗散一些冷量，底部风机307抽取对流空腔403内部空气通过底部风口309进入双侧空气调节通道3重新进行冷却，以此循环使得窗体达到隔热的作用。

(2)在制热季节，先通过电流控制开关5改变输入热电热泵芯片组303的电流方向，同时改变顶部风机306与底部风机307的送风方向，即顶部风机306作为抽风机而底部风机307作为送风机。然后关闭散热层2的通风口203的风道开关204，使得散热层2与室外环境处于隔绝状态，室外太阳直射辐射与散射辐射照射到光伏百叶组件1上，一部分太阳辐射被太阳能光伏电池板101吸收，剩余部分能量通过太阳能光伏电池板101的背面散发到通风空腔201当中，通风空腔201在封闭状态下形成了一个温室，起到保温的作用。光伏百叶组件1所产生的直流电通过电线输入到热电热泵芯片组303当中，热电热泵芯片组303在外侧面进行吸热制冷、在内侧面进行制热。热电热泵芯片组303所产生的冷量通过外侧面翅片散热器304散入通风空腔201当中，同时，热电热泵芯片组303所产生的热量通过内侧面翅片散热器305散入空气调节空腔302。在制热工况下，底部风机307将空气调节空腔302中的热空气通过底部风口309送入双层玻璃夹层4，热空气在上浮的过程中均匀的分布在对流空腔403内部，热空气会通过内层玻璃401与外层玻璃402分别与室内空气与通风空腔201进行传热，在维持双层玻璃夹层4表面温度的同时会耗散一些热量，顶部风机306抽取对流空腔403内部的空气通过顶部风口308进入双侧空气调节通道3重新进行加热，以此循环使得窗体达到保温的作用。

Claims (5)

1.一种光伏百叶半导体温控节能窗，其特征在于，所述的光伏百叶半导体温控节能窗包括光伏百叶组件、散热层、双侧空气调节通道和双层玻璃夹层，所述的光伏百叶组件由一系列长条形太阳能光伏电池按照百叶形式组装而成，所述的双侧空气调节通道由窗框、空气调节空腔、热电热泵芯片组、翅片散热器和风机组成，所述的双层玻璃夹层由内层玻璃、外层玻璃和对流空腔组成，所述的热电热泵芯片组与太阳能光伏电池通过电线连接，电线上设置电流方向控制开关。

2.根据权利要求1所述的一种光伏百叶半导体温控节能窗，其特征在于，所述的散热层由通风空腔、外玻璃表皮、通风口和风道开关组成，所述的光伏百叶组件置于散热层的通风空腔中，散热层的外玻璃表皮在上下位置设有两个通风口，上下两个通风口的通风状态由风道开关控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种光伏百叶半导体温控节能窗，其特征在于，所述的双侧空气调节通道中的热电热泵芯片组由一系列半导体热电芯片通过电线串联而成，按照平行于窗户的方向安装在窗框上，在半导体热电芯片的两面分别安装有内侧面翅片散热器和外侧面翅片散热器，外侧面翅片散热器置于散热层的通风空腔内部，内侧面翅片散热器置于双侧空气调节通道的空气调节空腔内部。

4.根据权利要求1所述的一种光伏百叶半导体温控节能窗，其特征在于，所述的双侧空气调节通道中的空气调节空腔的顶部与底部分别设置有送风口与回风口，风机安装在空气调节空腔的顶部与底部，所述的双层玻璃夹层中的对流空腔与双侧空气调节通道的送风口与回风口连接。

5.根据权利要求1所述的一种光伏百叶半导体温控节能窗，其特征在于，所述的电流方向控制开关联动控制双侧空气调节通道的风机、热电热泵芯片组以及外玻璃表皮通风口风道开关。