CN106837121B - 一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗 - Google Patents

一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗，包括窗体组件、聚光光伏电池板（5）、风口挡板（13）、控制装置、驱动装置、进风加热组件和降噪过滤通道箱（12），窗体组件包括一体式窗框（1）、窗扇（2）及两侧的中空玻璃，两块玻璃之间形成保温通风流道（3），一体式窗框（1）的内腔中安装控制装置和驱动装置，控制装置包括光伏控制器（14）和蓄电池（15），驱动装置包括伺服电机组、同步传动轴（18）、同步带（19）、转动轴（4）和固定轴承座（20），进风加热组件包括进风通道箱（11）和相变热管—电热管互补式散热器。本发明将光伏电池的电能与余热充分利用，同时实现定时控制通风换气和加热新风，以解决窗户的通风效果与室内保温效果不能兼容的问题。

Description

一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗
所属技术领域
本发明属于太阳能光伏与建筑一体化，具体涉及一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗。
背景技术
随着我国经济迅猛地发展，人们对于居住环境的关注点逐渐趋向于追求健康、舒适的品质。在冬季窗户长时间处于关闭状态，室内空气缺乏流通将会变得污浊，从而影响人体健康，就需要打开窗户通风换气，而窗户打开，随着低温空气的流入，不仅会增大室内供暖负荷，造成更大地能源消耗，同时影响舒适性，而且如果空气中夹杂灰尘和污染物仍会影响人体健康造成危害。尤其在北方农村地区，由于取暖方式多为传统式独户供暖，例如火炕、火炉等。这些取暖方式设备简陋、造价低廉，存在燃烧率低、向空气中散发大量的污染物质如一氧化碳、二氧化硫和可吸入颗粒物的问题，加之一些不良的生活习惯如室内吸烟，以及通风排烟措施的缺乏，导致室内空气品质不佳，严重危害居民健康。因此，在冬季要提高室内空气质量及改善居住环境就需要良好的通风换气技术。
开窗通风是最简单、有效地利用自然通风对室内空气进行调节的方式，但是其缺点很明显，由于冬季室内、外温差很大，不仅会使体感温度下降，舒适性难以保证，同时造成供暖负荷增加，能暖消耗增大，而且受雾霾、雨雪等恶劣天气的限制。
新风系统是一种高效、环保的通风换气技术，在大型建筑及工业厂区中使用普遍，但是其初期投资成本过高，尤其对于大多数普通住宅居民其推广仍然存在问题。
通风换气窗即通过窗户上设置开口，替代传统的开启方式，将室外新风引入室内，其成本低廉、结构简单、安装方便，适用于广大普通住宅用户。根据送风的动力不同，分为自然通风窗，机械通风窗和混合动力通风窗。自然通风窗主要利用“烟囱效应”原理，将室外新风送入室内，无需安装风机，不用消费高品位电能，且无噪声，符合当今节能减排理，但它有送风量波动大，受室外条件限制大的缺陷。机械送风窗是利用风机提高风压，将室外空气抽引至室内，虽然消耗电能，但有稳定、可控的送风量。混合动力送风窗兼有自然通风和机械通风的一种送风方式。在自然动力满足要求时采用自然动力送风，自然动力不满足时，开启风机送风，在保证稳定送风量的前提下使能耗最低。
经过专利检索，中国专利授权公告号CN204850978U，实用新型名称为：一种太阳能发电换气窗，该换气窗在窗框上亮子部位安装换气扇，窗扇内采用双层中空玻璃，太阳能玻璃内嵌于双层中空玻璃之间，可以将光能转化为电能提供给换气扇，节省了电能的消耗。然而其并未考虑冬季使用时，冷风大量的进入室内将会导致室内供暖负荷增加不利于节能且舒适性下降，同时完全透明的太阳能玻璃仍处于开发阶段。
经过专利检索，中国专利授权公告号CN201605952U，实用新型名称为：可清洗式太阳能空调换气窗，该换气窗利用太阳对中间层玻璃上涂抹的吸热材料加热，将热量传递到玻璃夹层内的空气，实现不开窗即可换气加热。其缺陷是换气口开启的方式是通过手动抽拉换气玻璃片，位于室内侧的上换气玻璃片在操作起来由于高度原因造成不便，同时，其加热空气的方式是利用吸热材料吸收太阳辐射，不仅效率低而且受天气因素限制。
经过专利检索，中国专利授权公告号CN201605952U，实用新型名称为：一种太阳能通风换气窗户，该换气窗在窗扇关闭状态下，利用太阳能光伏板驱动直流电风机，直流电风机旋转导流空气从进气入口吸入，经空气滤芯过滤后和超导管热交换器换热后，流经进气通道进入导风室，经导风室直流电风机增压后从进气出口进入到室内，室内的被污染空气被从排气入口经排气通道，达到窗扇关闭就能通风换气的目的。该换气窗的光伏电池板位于窗体上部，如果产生的余热不能有效消除，将会导致光伏电池转换率下降，缩短电池寿命。
为保证冬季不开窗即可通风换气，同时，满足室内供暖负荷不会大幅增加，将光伏电池板输出的电能与产生的余热充分利用起来，以解决冬季窗户的通风换气与室内保温效果不能兼容的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，提供一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗，通过光伏电池提供电能及光伏控制器定时控制，实现在窗户关闭状态下仍可进行通风换气，改善室内空气质量。同时利用热管技术将光伏电池的余热和蓄电池储存电能的电流热效应来提高送风温度，保证在通风换气的过程中不会增大采暖负荷。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种冬季时控型光伏电热耦合通风系统的换气窗，包括窗体组件、聚光光伏电池板、风口挡板、控制装置、驱动装置、进风加热组件和降噪过滤通道箱箱，窗体组件包括一体式窗框、窗扇及镶嵌在窗扇内的室内侧中空玻璃和室外侧中空玻璃；聚光光伏电池板安装在室外侧中空玻璃下部的窗扇内，风口挡板安装在在室内侧中空玻璃上部的窗扇内，二者两侧边缘上部均连接转动轴，由驱动装置调节转动；进风加热组件包括进风加热通道箱和相变热管—电热管互补式散热器，相变热管—电热管互补式加热器位于进风加热通道箱的内部并贴合在光伏电池板的针肋背板，进风加热通道箱安装在光伏电池板的边框上，进风通道箱的进风口安装防尘过滤网，出风口安装小型轴流风扇；降噪过滤通道箱由壳体、PM2.5空气过滤网及铺设在降噪过滤通道箱内壁的梯度吸音棉组成，降噪过滤通道箱安装在风口挡板的背面侧，其上、下壳体板面开设进风口和出风口。
所述的一体式窗框与窗扇均采用PVC型材，一体式窗框下部内腔布置光伏控制器和蓄电池，较上部内腔空间大，左右内腔靠近墙体侧的本体安装固定轴承，室内侧窗框下部开设光伏控制器监测窗口。
所述的窗扇镶嵌在一体式窗框洞口，室外侧的窗扇为固定窗扇，室内侧窗扇为可开启窗扇，采用铰链与窗框铰接，用户可根据实际情况通过执手窗锁打开室内侧窗扇对玻璃清洗等。
所述的控制装置包括光伏控制器和蓄电池，光伏控制器除具有防止蓄电池过充电和过放电，防止光伏电池、蓄电池极性接反，防止短路及温度补偿等基本功能，还设置其负载模式为时控模式。
所述的驱动装置包括伺服电机、伺服电机驱动器、转动轴与伺服电机连接的同步传动轴、同步带、固定轴承座。伺服电机工作时驱动同步传动轴，同步传动轴安装两个同步齿轮，两个转动轴各安装一个同步轮，同步传动轴依靠同步带的啮合向两个转动轴传递动力，带动聚光光伏电池板和风口挡板及与二者各装接在一起的进风加热组件和降噪过滤通道箱转动。固定轴承座安装在窗框的左右内腔中用于支撑转动轴和同步传动轴。
所述的聚光光伏电池板由太阳能电池片、旁通二极管、针肋背板、超白钢化真空玻璃、EVA密封层、边框、遮光板卡槽、独立式复合抛物面聚光器及导线构成。独立式复合抛物面聚光器的出射口与每一片太阳能电池片吻合，使每个光伏电池片都配置与之单独使用的聚光器。聚光光伏电池板吸收太阳辐射产生电能通过导线输送到蓄电池中储存起来。边框采用绝热绝缘材料，与超白钢化真空玻璃形成闭合保温结构，使得太阳能电池片产生的热量只能沿着针肋背板方向传递。室外侧的下边框及左右边框设有遮光板卡槽插放遮光挡板，用于夏季停止光伏电池的运行。
所述的进风加热组件包括相变热管-电热管互补式散热器和进风通道箱，相变热管-电热管互补式加热器由若干铝嵌合热管散热片、若干扣具、若干基座一体化U型相变热管、若干电热管、方形翅片组成。基座一体化U型相变热管的冷凝段上下平行贯穿方形翅片，电热管平行于基座一体化U型相变热管之间，基座一体化U型相变热管和电热管与方形翅片的结合处采用回流焊工艺，方形翅片上安装温控开关，当光伏余热不足以加热新风时，将由蓄电池向电热管供电，补偿送风温度。铝嵌合热管散热片由铝散热片和热管构成，铝嵌合热管散热片扣压在基座一体化U型相变热管的纯铜基座上，二者通过螺栓加固，接缝处涂抹导热硅脂紧密结合，基座一体化U型相变热管的纯铜基座与光伏电池板的针肋背板接触面涂抹导热硅脂，铝嵌合热管散热片与光伏电池板针肋背板通过扣具和螺栓固定。进风通道箱的进风口安装防尘过滤网，出风口安装小型轴流风扇。
所述的降噪过滤通道箱安装在风口挡板的背面侧，壳体的上、下面板各开设出风口和出风口，靠近室内侧的壳体面板可进行拆卸，方便平时清理。降噪过滤通道箱的壳体内部安装PM2.5空气过滤网，壳体内壁铺设梯度吸音棉。风口挡板连同降噪过滤通道箱开启时，室外新风经进风通道箱和室内外侧玻璃板之间的通风流道，通过降噪过滤通道箱的吸音和净化作用后进入室内。
本发明的有益效果是：(1)利用聚光光伏电池板发电驱动进风通道箱和降噪过滤通道箱的转动，由光伏控制器进行定时控制，从而实现进风口和出风口的启闭，不消耗高品位的市电，节约能源；(2)聚光光伏电池发电的同时温度快速升高，将达到60℃-80℃，导致光伏电池的转化率下降，安装在光伏电池板针肋背板的相变热管-电热管互补式散热器通过相变热管利用其产生的光热可以加热新风，当遇到阴天等太阳辐射强度不足的天气时，相变热管停止工作，将由蓄电池向电热管提供电能加热新风，提高冬季进入室内冷风的送风温度，减轻室内供暖负荷，不仅节能而且有利于保证光伏电池始终处于最佳工作温度下运行；(3)光伏电池板的绝热材料边框和超白钢化真空玻璃不仅对光伏电池起到保护作用，同时形成闭合的保温结构，使得光伏电池产生的热流只能沿着导热系数较低的针肋背板传递，进而强化相变热管的作用，有利于提高送风温度；(4)降噪过滤通道箱的内壁布设梯度吸音棉，通道内安装PM2.5空气过滤网，保证进入室内的空气清洁无污染；(5)室内侧窗扇为可开启式，便于用户日常的清理和维护。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为本发明的剖面图；
图2为本发明的主视图，a为室外侧主视图，b为室内侧主视图；
图3为本发明的控制装置和驱动装置系统图；
图4为本发明的聚光光伏电池板的结构示意图；
图5为本发明的相变热管-电热管互补式散热器与聚光光伏电池板的装配示意图；
图6为铝嵌合热管散热片与基座一体化相变热管的装配图；
图7为基座一体化相变热管和电热管与方形翅片的装配图；
图8为本发明的进风通道箱的结构示意图；
图9为本发明的降噪过滤通道箱的剖面图；
其中：1.一体式窗框，2.窗扇，2-1.执手窗锁，2-2.铰链，3.保温通风流道，3-1.室内侧中空玻璃，3-2.室外侧中空玻璃，4.转动轴，5.聚光光伏电池板，5-1.太阳能电池片，5-2.旁通二极管，5-3.针肋针肋背板，5-4.超白钢化真空玻璃，5-5.EVA密封层，5-6.边框，5-7.遮光板卡槽，5-8.独立式复合抛物面聚光器，6.铝嵌合热管散热片，7.扣具，8.基座一体化U型相变热管，9.电热管，10.方形翅片，11.进风通道箱，11-1.进风通道箱进风口，11-2.进风通道箱出风口，11-3.防尘过滤网，11-4.小型轴流风扇，12.降噪过滤通道箱，12-1.降噪过滤通道箱进风口，12-2.降噪过滤通道箱出风口，12-3.PM2.5空气过滤网，12-4.梯度吸音棉，13.风口挡板，14.光伏控制器，15.蓄电池，16-1.伺服电机，16-2.伺服电机驱动器，17.导线，18.同步传动轴，19.同步带，20.固定轴承座，21.光伏控制器监视窗
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地详细阐述。附图均为简化的示意图用以说明本发明的基本结构、关键部件和主要用途，因此本发明的实施方式不限于此。
一种如图1-图9所示的冬季时控型光伏电热耦合通风系统的换气窗由窗体组件、聚光光伏电池板5、风口挡板13、控制装置、驱动装置、进风加热组件和降噪过滤通道箱12构成，各部分拼装固定形成一个整体。
如图2和图3所示，窗体组件的主体结构为PVC材型的一体式窗框1，室外侧窗扇2固定安装在一体式窗框1的洞口，室内侧窗扇2通过铰链2-2与一体式窗框1铰接安装，并装配执手窗锁2-1。室内侧中空玻璃3-1与室外侧中空玻璃3-2分别镶嵌在窗扇2内，窗体组件包括一体式窗框(1)、窗扇(2)及两侧的中空玻璃，中空玻璃包括室内侧中空玻璃3-1和室外侧中空玻璃3-2，两块玻璃(室内侧中空玻璃3-1和室外侧中空玻璃3-2)之间形成保温通风流道(3)。室外侧的窗扇2下部安装光伏电池板5，其接触部位需加装密封条，光伏电池板边框5-6两侧边缘的上端连接转动轴4，穿过窗扇2，由安装在一体式窗框1左右内腔的固定轴承座20支撑。室内侧的窗扇2上部安装风口挡板13，其接触部位需加装密封条，风口挡板13的两侧边缘的上端连接转动轴4，穿过窗扇2，由安装在一体式窗框1左右内腔的固定轴承座20支撑。
如图4所示，聚光光伏电池板5由从室外侧到室内侧依次拼压的超白钢化真空玻璃5-4，独立式复合抛物面聚光器5-8，EVA密封层5-5，单晶体硅太阳能电池片5-1与旁通二极管5-2，EVA密封层5-5，针肋背板5-3，围绕在外周的边框5-6及导线17构成。独立式复合抛物面聚光器5-8的出光口与每一片太阳能电池片5-1吻合，其入光口与超白钢化真空玻璃5-4接触。超白钢化真空玻璃5-4与采用绝热绝缘材质的边框5-6形成闭合保温结构，使光伏电池发电产生的热量只能沿着低热阻的针肋针肋背板5-3向相变热管-电热管互补式散热器传递。光伏电池板5产生的电流通过导线17输送到控制装置，储存在蓄电池15。聚光光伏电池板5的长度应与室外侧中空玻璃3-2的宽度一致，太阳能电池片5-1的尺寸与拼装密度应当与独立式复合抛物面聚光器5-8相适应，进而决定聚光光伏电池板5的高度范围，应当遵循既要保证窗户的采光性又要满足光伏电池的光电光热联用的原则。由于本发明不采用聚光跟踪系统，并主要用在冬季，因此聚光光伏电池板5的工作角度与独立式复合抛物面聚光器的设计参数应按照用户所处地区不同灵活考虑。
如图2所示，风口挡板13与窗扇2接触的边缘应加装密封条，其厚度应与室内侧中空玻璃3-1的厚度一致，长度应与室内侧中空玻璃3-1的宽度一致，高度应设计在50mm-80mm之间，高度过大影响窗户的采光性及美观，过小将导致进风量不足。
如图3所示，由光伏控制器14和蓄电池15组成的控制系装置布置在一体式窗框1的下部内腔中，控制装置通过导线17将电流输送到各个用电部件。光伏控制器14的负载模式设置为时控模式。
如图3所示，伺服电机16-1、伺服电机驱动器16-2以及与伺服电机16-1连接的同步传动轴18布置在一体式窗框1下部内腔中，转动轴4穿透窗扇2在一体式窗框1左右侧内腔中与固定轴承座20连接。与聚光光伏电池板5和风口挡板13相连接的转动轴4分别与同步传动轴18共面平行布置，转动轴4各套接一个同步轮，同步传动轴18套接两个同步轮，同步传动轴18通过两条同步带19分别向聚光光伏电池板5和风口挡板13传递动力进行转动。同步带19与同步轮啮合的轮齿应采用高精度的全弧形齿型。
如图5、图6、图7和图8所示，进风通道箱11安装在聚光光伏电池板的边框5-6上，二者接缝处需加装密封条，进风通道箱进风口11-1安装防尘过滤网11-3，进风通道箱出风口11-2安装小型轴流风扇11-4，进风通道箱出风口11-2的开设数目一般在4—6个。相变热管-电热管互补式散热器位于进风通道箱11的壳体内部，由若干铝嵌合热管散热片6、若干扣具7、若干基座一体化U型相变热管8、若干电热管9和方形翅片10组成，铝嵌合热管散热片6由铝热片和相变热管构成，铝嵌合热管散热片6扣压在基座一体化U型相变热管8的纯铜基座上，二者通过螺栓加固，接缝处涂抹导热硅脂紧密结合，基座一体化U型相变热管8的纯铜基座按压在聚光光伏电池板针肋背板5-3上，二者接触面需涂抹导热硅脂，四个扣具7通过螺栓一端分别与铝嵌合热管散热片6的四个角固定，另一端分别固定在聚光光伏电池板边框5-6。基座一体化U型相变热管8的冷凝段上下平行贯穿方形翅片10，电热管9平行布置在基座一体化U型相变热管8之间，基座一体化U型相变热管8和电热管9与方形翅片10的结合处需采用回流焊工艺焊接，方形翅片10的长度与进风通道箱11的壳体内腔长度一致。
如图9所示，降噪过滤通道箱12通过螺栓固定在风口挡板13背面的，PM2.5空气过滤网12-3安装在降噪过滤通道箱12壳体内部，降噪过滤通道箱12的壳体内壁上黏贴剃度吸音棉12-4。降噪过滤通道箱12的上、下面板分别开设出风口12-2和进风口12-1，其靠近室内侧的壳体面板应设计为可拆卸式，便于日常清理维护。
如图1所示，处于工作状态下的进风通道箱11的底部边缘与窗扇的接触部位要求密封性良好，使得室外新风只能通过进风通道箱进风口11-1进入保温通风流道3。同样，降噪过滤通道箱12的底部边缘与窗扇的接触部位要求也密封性良好，使得经过加热的新风只能通过降噪过滤通道箱进风口12-1进入室内。
根据资料显明，冬季开窗通风最佳时段为9:00—11:00和13:00—16：00。为了充分利用聚光光伏电池的光电和光热，可将通风换气时段设置在9:00—15:00；当遇到阴天、雨雪等太阳光照不足的天气时，由蓄电池对电热管提供电能，利用电热对进风加热。考虑到冬季极端天气，可对转动机构采取防冻措施。

Claims (8)

1.一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗，其特征在于:包括窗体组件、聚光光伏电池板(5)、风口挡板(13)、控制装置、驱动装置、进风加热组件和降噪过滤通道箱(12),窗体组件包括一体式窗框(1)、窗扇(2)及两侧的中空玻璃，两块玻璃之间形成保温通风流道(3)，一体式窗框(1)的内腔中安装控制装置和驱动装置，控制装置包括光伏控制器(14)和蓄电池(15)，通过导线(17)向各用电部件输电，驱动装置包括步进电机组、同步传动轴(18)、同步带(19)、转动轴(4)及安装在一体式窗框两侧内腔的固定轴承座(20)，聚光光伏电池板(5)与进风加热组件连接一体安装在室外侧窗扇(2)下部，风口挡板(13)与降噪过滤通道箱(12)连接一体安装在室内侧窗扇(2)上部，聚光光伏电池板(5)和风口挡板(13)的两侧边缘上部各安装转动轴(4)，由驱动装置提供动力在控制装置的时控模式下进行转动，进风加热组件包括进风通道箱(11)和相变热管—电热管互补式散热器。
2.根据权利要求1所述的一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗，其特征在于:聚光光伏电池板(5)的针肋背板(5-3)在进风加热组件一侧具有针肋结构以强化散热。
3.根据权利要求1所述的一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗，其特征在于:聚光光伏电池板(5)的边框(5-6)室外侧的下侧及左右侧设有遮光板卡槽(5-7)插放遮光挡板，用于夏季停止光伏电池的运行。
4.根据权利要求1所述的一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗，其特征在于：聚光光伏电池板(5)外表层采用超白钢化真空玻璃(5-4)，聚光光伏电池板(5)的边框(5-6)采用绝热绝缘材质，形成闭合保温结构，使光伏电池发电而伴随产生的热量只能沿着针肋背板(5-3)向进风加热组件传递。
5.根据权利要求1所述的一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗，其特征在于：进风加热组件包括安装在光伏电池板边框(5-6)的进风通道箱(11)和位于其内部与聚光光伏电池板的针肋背板(5-3)紧密贴合的相变热管—电热管互补式散热器。
6.根据权利要求1所述的一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗，其特征在于：相变热管-电热管互补式散热器由铝嵌合热管散热片(6)、扣具(7)、基座一体化U型相变热管(8)、电热管(9)和方形翅片(10)组成。
7.根据权利要求6所述的一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗，其特征在于：基座一体化U型相变热管(8)相变热管与纯铜的基座为一体化铸造，纯铜的基座内部填充相变介质。
8.根据权利要求6所述的一种冬季时控型聚光光伏电热耦合通风系统的换气窗，其特征在于:电热管(9)平行布置在基座一体化U型相变热管(8)之间，贯穿于方形翅片(10)，当遇到太阳辐射强度不足，光伏余热不足以加热新风时，将由蓄电池向电热管供电，补偿送风温度。
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