CN202229463U - 交互吸附式太阳能风能致冷装置 - Google Patents

Abstract

一种交互吸附式太阳能风能致冷装置，由吸附床单元与冷凝器、储液器、蒸发器、单向压力阀、毛细管及相应管路构成吸附致冷器组件，以太阳能、风能互补能源转化的热源水和相配的冷却水，依程序驱动3台吸附致冷器组件中的吸附床单元交互进行供热/脱附、冷却/吸附的连续循环运行，单片机工控单元按已编程序并参照实时采集的各特征点温度数据指令控制整机系统智能运作、启动或关闭设备；应用太阳能与风能互补向致冷装置的运转提供更多更长时间的自然清洁能源，小型太阳能电池板提供电控组件电力。本实用新型可以较大提高可再生能源致冷效率。整机系统由模块化组件插接集成，现场安装及维修方便，可以较快形成规范化定型产品进入市场。

Description

交互吸附式太阳能风能致冷装置

技术领域

本发明涉及一种交互吸附式太阳能风能致冷装置，属于太阳能风能吸附式致冷装置技术领域。 

背景技术

世界石油、煤炭资源日趋紧张，人类活动二氧化碳过度排放形成的温室效应导致全球气候持续异常，这些已严重威胁到人类的生存和可持续发展，因而越来越受到各国政府的强烈关注。在对传统能源消耗实施节能减排的同时，人们也在积极开发可再生能源在多方面的应用。在致冷(制冷)领域，各种原理的致冷装置是构建人工气候环境空间(各种大小的冷藏、冷冻空间，建筑物内空气温湿度调节空间等)的核心部件，也是耗能比较大的一个方面，人们在努力探索将太阳能、风能等用于致冷装置，根据不同的致冷机制提出了许多方案，其中吸附式致冷是众多太阳能致冷的可能方法之一。 

上世纪80年代初，美国沸石动力公司(Zeopower Co.)研制出太阳能沸石制冰器，以沸石分子筛为吸附剂，水为吸附工质，取得了制冰的效果，引起人们关注，我国也在这方面做了一定的开发工作。中国专利(申请号)91200916.0、中国专利(申请号)02110912.5、中国专利(申请号)200620151611.7其工作模式为，白天，阳光将放置于太阳能集热器内的吸附剂加热，水汽(或其它工质)从吸附剂上脱附(又称解吸附)后在冷凝器液化流入贮水罐。夜间，集热器内的吸附剂随大气环境自然冷却，进行吸附水汽，蒸发器的水不断汽化降温致冷，直到吸附剂的最大水份吸附平衡，24小时为一个致冷循环周期。中国专利(申请号)200820081302.6设置了一个热水箱，将白天吸附床集热器上多余的热能在下午时间通过水自然对流回收到热水箱作为生活用水。已有的这类太阳能吸附式致冷装置的运转模式遵循“不用电，没有传动机件”的原则，结构简单，造价低廉，但太阳能利用效率及系统致冷系数很低，难以形成商品。 

中国专利(申请号)03210152.X提出一种将太阳能吸附式致冷用于空调的技术方案，设置有a、b两台吸附床，太阳能集热器产生的热水流进b吸附床使吸附剂增温脱附，热水从b吸附床流出后，经风冷管道冷却降到室温，再流经a 吸附床令其降温吸附，低温水流从a流出后，进入太阳能集热器去增温。下一个循环从a吸附床开始。这个供热与冷却串联技术方案比较简单，但热损耗过大，导致太阳能致冷效率有一定程度减少。中国专利(申请号)200410067146.14提出的太阳能吸附中央空调冷却塔的技术方案，方案中吸附致冷装置用了两个吸附床，太阳能集热器产生的热水轮流对两个吸附床加热/脱附，自来水对它们冷却/吸附、对冷凝器喷淋降温。该技术方案有一定创新但吸附致冷装置不适于在无自来水网地区使用，而且技术方案的致冷装置中没有设置运行物理参数的测量与系统自动监控电子线路，将使整机系统难以有效自动连续致冷运转。中国专利(申请号)200910065128.5其致冷装置的运作模式与上述中国专利(申请号)200410067146.14大体相当，冷却水源由自来水改成冷却水塔。 

已有的太阳能吸附式致冷装置致冷效率低，整机结构技术方案也普遍缺乏将太阳能风能资源互补综合利用、微电子测控技术与吸附剂工质对吸附特性技术参数相结合。 

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术方案的不足，提供一种交互吸附式太阳能风能致冷装置，由吸附床单元与冷凝器、储液器、蒸发器、单向压力阀、毛细管及相应管路构建成吸附致冷器组件，以太阳能、风能互补能源转化的热源水和相配的冷却水，在单片机工控单元指令控制下，依程序驱动3台吸附致冷器组件中的吸附床单元交互进行供热/脱附、冷却/吸附的连续循环运行，太阳能电池板提供电控组件电力。本实用新型技术方案可以较大地提高可再生能源致冷效率，获取更多的致冷量，可以较快形成规范化定型产品投向市场。 

由吸附床单元与冷凝器、储液器、蒸发器、单向压力阀、毛细管及相应管路构建成彼此独立的吸附致冷器组件，每个组件内部是吸附剂和致冷工质的传质空间，为与大气相隔离的封闭系统，将内部空间的空气抽净。吸附床单元是装有吸附剂的箱体，箱体各面有聚氨脂泡沫塑料保温层，与外界隔热。吸附床单元内敷设有对吸附剂加热、冷却的水管，以同一出、入接口与热源水或冷却水环路相接。在太阳能集热器和热源水箱之间及风能风热转换器和热源水箱之间设置了温控水泵，将太阳能与风能所转化的热能进行互补，以水为载体，将热能共同存贮到绝热良好的热源水箱中，风能可以采取实时供热和蓄能供热两 种结构。太阳辐射能及风能转换为热能，以水为热载体的热源水依程序向彼此独立的3台(或2台以上)吸附致冷器组件中的吸附床单元A1、A2、A3...提供吸附剂脱附的热能，以附图3台为例首先向A1供热，电磁阀将热源水切向A1单元供热时，A1的吸附剂增温并将已吸附的致冷剂工质脱附，脱附的致冷剂气体经单向压力阀进入翅式冷凝器，过饱和致冷剂工质气体在翅式冷凝器凝结液化后流入储液器，储液器内液化的致冷工质经毛细管回流到蒸发器。冷凝器上的气化潜热可以用热交换回收热水或直排大气。 

当A1单元的供热脱附时段段完结后，电磁阀将热源水切向A2单元供热，A2单元构建的吸附致冷器组件进入供热/脱附/冷凝/储液的工况时段。这时的A1单元被电磁阀切向冷却水源，A1单元构建的吸附致冷器组件进入冷却/吸附/蒸发/致冷的工况时段，由冷却水箱提供大气环境温度的冷却水使吸附剂强制快速降温直至环境温度，吸附时段开始后，A1单元内致冷剂工质气压下降，通向蒸发器的单向压力阀打开，蒸发器的致冷剂工质液体不断气化并被吸附剂吸附，同时因液体气化吸收潜热生成相变致冷，通过交换器向外输出致冷量。 

当A2单元供热/脱附时段完结后，热源水切向下一个A3单元；A2单元切向冷却水源，A2单元构建的吸附致冷器组件同步进入冷却/吸附/蒸发/致冷的工况时段。 

当A3的供热/脱附时段完结后，开始了下一个轮回周期，热源水又切回A1；A3单元切向冷却水源，A3单元构建的吸附致冷器组件同步进入冷却/吸附/蒸发/致冷的工况时段。管路中被单片机工控单元程序指令控制的电磁阀和微型水泵使吸附床单元A1、A2、A3构建成彼此独立的吸附致冷器组件，按给定的智能程序交互进行供热/脱附/冷凝/储液、冷却/吸附/蒸发/致冷的连续循环运行。 

吸附床单元的供热/脱附、冷却/吸附时段步长时间，主要由所选用吸附剂与致冷剂组成工质对的等温吸附曲线、等压吸附曲线、定温脱附时间曲线等技术参数而定，脱附与吸附时段步长时间的比决定该致冷装置系统需配置几台吸附床单元构建的吸附致冷器组件做交互运行，对现有的多种吸附剂致冷工质对的吸附特性资料综合分析表明，将脱附与吸附时段步长时间的比定为1∶2为宜，如有需要，也可以定为1∶1或其它，定为1∶2，致冷装置系统中要配置有3台吸附床单元构建的吸附致冷器组件做交互运行。在全机运转时期内，有1台轮 在供热/脱附/冷凝/储液工况，另2台轮在冷却/吸附/蒸发/致冷工况。如果定为1∶1，致冷装置系统中要配置有2台吸附床单元构建的吸附致冷器组件做交互运行，在全机运转时期内，1台轮在供热/脱附/冷凝/储液工况，另1台轮在冷却/吸附/蒸发/致冷工况，即多数情况应配置3台；也可以2台及3台以上。多台吸附床单元构建的吸附致冷器组件按程序做脱附、吸附交互运行，总会有1台是轮在供热/脱附/冷凝/储液状态，其它在冷却/吸附/蒸发/致冷的状态。这就相当于太阳能风能转换的热能可以连续通过吸附、脱附的过程机制产生致冷量，能源有效利用率大大提高，可以在同样能量输入和同量吸附剂条件下获取更多的致冷量，这是本发明实用新型技术方案的特点。 

本发明实用新型的另一特点是将微电子测控技术用于交互吸附式太阳能风能致冷装置系统，管路中设置有被单片机工控单元程序控制的电磁阀和微型水泵，将热源水和冷却水分别与脱附、吸附工作时段的吸附致冷器组件中的吸附床单元供热或冷却进出水管接口联通，使各吸附床单元构建的吸附致冷器组件有序地在供热/脱附/冷凝/储液、冷却/吸附/蒸发/致冷的状况下交互运行。单片机工控单元按常规方法编程，编程的主要依据是所用吸附剂致冷工质对的技术参数。脱附与吸附时段步长时间比(例如1∶2、1∶1等)是不变的，步长的时间值依据所采用的吸附剂致冷工质对在不同环境条件下吸附、脱附的时间变化特性及与环境因子的关连度，在程序中可以修正微调。温度传感器将实时采集的热源水温度，冷却水温度，环境空气温度，各吸附床单元吸附剂的温度，致冷工质的蒸发温度等数据输送给单片机工控单元处理，可修正各吸附床单元交互在较佳的脱附、吸附工况周期，以获取尽量多的致冷量。 

单片机工控单元依据热源水温达到设定的阈值确定致冷装置系统的启动运转及停机。 

单片机工控单元上有致冷装置设备故障告警信号LED显示与输出，用户可及时发现并排除故障。 

气候统计资料表明，许多中低纬度地区，不仅太阳辐射能资源丰富，而且风能资源也丰富。本发明设置了一组温控水泵，将太阳能集热器及风能风热转换器产生的热水共同存贮到绝热良好的热源水箱中，应用太阳能与风能转化的热能互补驱动交互吸附式致冷装置运转，可以在太阳高度角较低及云霾天气等 太阳辐射能集热功率较小的时候，由风能补充能源，可以使本发明的致冷装置在一天中能有更长的运转时期；甚至在夜间，当风能足够，热源水温度到达额定值时，单片机工控单元同样可以启动致冷装置系统运行。风能可以采取实时供热和蓄能供热两种方式。应用太阳能与风能互补向交互吸附式致冷装置系统提供更多更长时间的自然清洁能源，能够获取更多的致冷量，这是本实用新型的特点。冬季致冷装置不运转时期，可从热源水箱输出太阳能风能产生的热量。 

小型太阳能电池板通过充电控制器与蓄电池向致冷装置的单片机工控单元、水泵、电磁阀等全部电器提供12V或24V直流电源。本实用新型交互吸附式太阳能风能致冷装置整机系统的运转无需电网或燃油机供电及自来水网供水，基本为零碳排放。 

附图说明

附图1是本发明实用新型技术方案的示意图。如图所示：太阳能集热器1，风能风热转换器2，绝热良好的热水箱3，水温传感器4(图上T1、T2)，微型水泵5(图上P3、P4)，电磁阀6(图上F1、F2、F3、F4)，吸附床单元7(图上A1、A2、A3为相同结构的3台吸附床单元)，吸附床的吸附剂温度传感器8(图上每台吸附床单元内都有嵌入式温度传感器)，单向压力阀9和10(图上每台吸附床单元构建的吸附致冷器组件上有相同的单向压力阀)，冷凝器11，蒸发器12，毛细管13，储液器14，散热器15，冷却水箱16，控制信息输出总线17，传感器信息输入总线18，单片机工控单元19，充电控制与蓄电池单元20，小型太阳能电池板21，环境气温传感器22，温控微型水泵23(图上P1、P2，箭头表示水流方向)，蒸发器致冷液工质温度传感器24(图上每台蒸发器内都有嵌入式温度传感器)。 

具体实施方式

近年来，由于致冷及其它众多领域的需要，吸附剂的研制有很大进展，国内外已经开发出的多种复(组)合吸附剂，它们分别与水、甲醇、乙醇、氨等吸附质组成的吸附工质对，具有吸附量更大、吸附、脱附速度更快的优良特性，其中不少品种在60℃-80℃条件下就可以很好地脱附。它们还有取材方便，配制简单，成本低的特点。这些成就对推动太阳能风能吸附式致冷装置技术领域的进一步发展起了重要作用。本发明的实施可以根据所要求达到的平均最低温度 (致冷剂最低蒸发温度)，选择适用的吸附剂致冷工质对。吸附床单元是以水为载体对吸附剂进行供热/脱附和冷却/吸附的核心部件，结构设计应充分考虑对吸附床上的吸附剂有良好的传热传质效果。由吸附床单元与冷凝器、储液器、蒸发器、单向压力阀、毛细管及相关管路构建成吸附致冷器组件。每个吸附床单元的吸附剂吸附空间与冷凝器、储液器、蒸发器、单向压力阀及相关管路组成与大气相隔离的封闭系统，将内部空间的空气抽净。 

本发明中所用低压直流微型水泵及温控直流微型水泵、低压直流电磁阀、单向压力阀、翅片式冷凝器及冷却水翅片散热器等都可选用市售标准化产品。热电阻温度传感器(及变换器)精度0.5℃，这些传感器稳定性好，价格低廉，虽精度较低，在本设备中已满足要求。 

单片微型计算机简称单片机，是现代微电子信息技术发展的重要标志，可靠性好，价格已很便宜。市场上规格较多，本实用新型致冷装置系统可选用8位单片机配外围器件构成工控单元。 

单片机工控单元的编程，主要由所选用吸附剂吸附工质对的吸附、脱附特性曲线参数而定，要有完整详细的实验技术资料。吸附剂对它所吸附工质的相对脱附、吸附量g(工质重)/g(干吸附剂重)在一定环境条件下随时间的变化曲线是非线性的，起始阶段很快，时间越长越缓慢。一般而言，在适用的常规工况条件下，吸附剂的脱附速度要远快于吸附速度，多数情况把脱附时段步长时间与吸附时段步长时间的比定为1∶2为宜，这时本吸附致冷装置系统中要有3台吸附床单元和它构建的致冷器组件做交互运行。如果步长时间比定为1∶1，系统中要有2台吸附床单元和它构建的致冷器组件做交互运行，也可以其它比值。脱附、吸附时段的步长时间可在分折所选用的吸附剂的时间变化曲线，折选起始变化迅速，其变化量已有较大部份的一段；综合分析脱附量、吸附量随时间变化特性，从有利于一天获取最多致冷总量上找出较优的单次平均脱附与吸附步长时间及步长比。依据所采用吸附剂的吸附、脱附特性与环境条件物理因数关连度，在程序中设有步长时间值修正微调系数。热源水温、冷却水温、吸附剂温度、致冷剂蒸发温度、环境空气温度等参数送入单片机工控单元，可修正各吸附床单元交互在较佳的脱附、吸附工况周期。 

市场现有的平板式、真空管式太阳能集热器提供70℃-80℃的热水一般都可 做到，风热转换器选用定型产品。根据需日平均产出的致冷量，吸附剂与致冷剂组成工质对的技术特性，系统效率，工作环境条件范围及系统损耗等预算出大致所需热源水的输入供热量，热源水箱容量，冷却水箱容量，吸附剂量(干重)；参考所使用纬度地区的太阳辐射能及风能气候资料可估算出所需太阳能集热器的功率及在太阳高度角低或云霾天气的时候互补风力机的输出热功率。可从市场上选择与本发明整机系统相匹配的太阳能集热器、风能风热转换器定型产品配套。 

根据致冷装置系统所用的微型水泵、电磁阀、工控单元等全部电器一天最大消耗功率确定供电蓄电池容量，再根据所适用地区太阳辐射气候资料等换算出所用太阳能电池板的的输出功率。为保证足够的电能储备，实际用的小型太阳能电池板供电器容量比计算值要大1-2倍。可从市场上按所需规格购置定型产品配套，其价位已较低廉。 

本实用新型可以较快形成产品进入市场，按日均产出致冷量区间制造出结构一致的大、中、小型不同规格的规范化交互吸附式太阳能风能致冷装置定型产品，以提供用户构建不同需求的人工气候环境空间。整机系统由几个组件构成，为模块化的结构，插接集成，现场安装及维修都很方便。 

Claims (7)

1.一种交互吸附式太阳能风能致冷装置，包括有太阳能集热器，风能风热转换器，热源水箱，冷却水箱，由吸附床单元与冷凝器、储液器、蒸发器、单向压力阀、毛细管及管路构建的吸附致冷器组件，电磁阀，水泵和管路，单片机工控单元，温度传感器，太阳能电池板供电器，其特征是太阳能、风能互补能源转化的热源水和相配的冷却水，在单片机工控单元指令控制下，依程序驱动3台吸附致冷器组件中的吸附床单元交互进行供热/脱附、冷却/吸附的连续循环运行，太阳能电池板提供电控组件电力。

2.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能致冷装置，其特征是在太阳能集热器和热源水箱之间及风能风热转换器和热源水箱之间设置了温控水泵，将太阳能与风能所转化的热能进行互补，以水为载体，将热能共同存贮到绝热良好的热源水箱中，风能可以采取实时供热和蓄能供热两种结构。

3.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能致冷装置，其特征是由吸附床单元与冷凝器、储液器、蒸发器、单向压力阀、毛细管及管路构建成彼此独立的吸附致冷器组件，组件内部是吸附剂和致冷工质的传质空间，须抽尽空气并与大气隔离封闭；吸附床单元内敷设对吸附剂加热、冷却的水管道是以同一出、入接口与热源水或冷却水环路相接。

4.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能致冷装置，其特征是管路中设置有被单片机工控单元程序控制的电磁阀和微型水泵，将热源水和冷却水分别与脱附、吸附工作时段的吸附致冷器组件中的吸附床单元供热或冷却进出水管接口联通。

5.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能致冷装置，其特征是设置有热源水箱、冷却水箱的水温传感器，环境气温传感器，每台吸附床单元的吸附剂上及每台蒸发器内都嵌入温度传感器，实时采集热源水温、冷却水温、环境空气温度、各吸附床吸附剂温度、各蒸发器内致冷剂工质温度数据送入单片机工控单元处理。

6.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能致冷装置，其特征是设置的单片机工控单元上有电磁阀、微型水泵控制信号输出总线，温度传感器信号输入总线；上还有致冷装置设备系统故障告警信号LED显示与输出。

7.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能致冷装置，其特征是设置了 太阳能电池板供电器向致冷装置系统的全部电器提供12V或24V直流电源。