CN203478684U - 基于半导体的太阳能冷热水器 - Google Patents

Abstract

基于半导体的太阳能冷热水器，包括太阳能发电系统以及与太阳能发电系统电源输出接口相连的半导体制冷制热系统，半导体制冷制热系统包括壳体以及设置在壳体内的半导体制冷片,半导体制冷片连接有温度控制器,壳体的进口和出口分别通过管道与水箱相连,水箱内设置有与温度控制器的传感器接口相连的温度传感器。由于太阳能发电系统是利用光生伏打效应直接将太阳辐射能转化为电能，光伏发电系统能够为本实用新型提供电能，使其具有节能、离网两大特性；而半导体制冷制热系统负责冷热水功能的具体实现；在实际使用过程中，能够实现制冷、制热、恒温三种工作模式,因此，本实用新型可满足多种不同的制冷制热需求。

Description

基于半导体的太阳能冷热水器

技术领域

本实用新型属于户外用品领域，涉及一种冷热水器，具体涉及一种基于半导体的太阳能冷热水器。 

背景技术

太阳能发电技术简介：近些年来，随着能源消耗的加剧和环境污染的日益严重，对太阳能的利用越来越受到人们的重视。太阳能作为一种新型的可再生能源，具有无污染、储量丰富等优点，有希望为人类创造了一种全新的节约能源、减少污染的生活生产方式。 

在太阳能的利用当中，太阳能发电技术是发展最为迅猛的领域之一，太阳能发电分为光热发电和光伏发电两种形式，光热发电是用太阳能集热器将液体工质转化为蒸汽，然后由蒸汽驱动透平机械带动发电机发电，该类型设备的体积往往较为庞大、系统较为复杂，不太适合于小型的用电设备。 

半导体制冷制热技术简介：半导体制冷制热的理论基础是发现于1834年的帕尔贴效应，即当两种不同的导体A和B组成的电路通有直流电时，在其中一个接头处释放热量，而在另一个接头处吸收热量；这种现象是可逆的，即在改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度、导体的性质、接头温度有关。该制冷方式又被称热电制冷，它与压缩式制冷和吸收式制冷并称为三大制冷方式。与另外两者相比，它的制冷量一般较小，不适宜于大规模、大制冷量的使用，但它也具有许多其他制冷方式所不具有的优势如：装置简洁、无机械传动部分、工作中无噪音、不污 染环境、制冷参数不受空间方向以及重力的影响、制冷制热模式可互相转化、作用速度快等，由于以上优点，它非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。 

目前已有的半导体控温设备包括车载空调、饮水机、电脑散热设备等小型电器，这些产品的优点往往在于工业化生产保证了它们工艺性能和指标，如保温密封性能往往较好，但它们同时也存在缺点如：（1）大多依赖于交流电网供电，使用范围有局限性；（2）换热方式单一，换热效率有较大提升空间；（3）多数产品功能较为单一。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于半导体的太阳能冷热水器,该基于半导体的太阳能冷热水器能够离网使用且满足多种不同的制冷制热需求。 

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：包括太阳能发电系统以及与太阳能发电系统电源输出接口相连的半导体制冷制热系统，半导体制冷制热系统包括壳体以及设置在壳体内的半导体制冷片,半导体制冷片连接有温度控制器,壳体的进口和出口分别通过管道与水箱相连,水箱内设置有与温度控制器的传感器接口相连的温度传感器。 

所述的半导体制冷制热系统还包括设置在管道上的水泵以及设置在壳体外壁上的换热风扇，换热风扇、水泵以及半导体制冷片并联在温度控制器的电源输出接口上。 

所述的换热风扇位于半导体制冷片散热端。 

所述的水箱包括外箱体以及套在外箱体内的内箱体，外箱体和内箱体之间设置有保温层；所述的内箱体上分别开设有入水口和出水口,出水口通过出 水管与壳体的进口相连，壳体的出口通过入水管与入水口相连,水泵设置在出水管或入水管上。 

所述的保温层采用由聚氨酯泡沫制成的保温层。 

所述的出水管和入水管暴露在空气中的部分包裹有泡沫保温层。 

所述的太阳能发电系统包括依次连接的蓄电池、太阳能充放电控制器以及太阳能电池板；所述的太阳能充电控制器上设有电源输出接口，电源输出接口与温度控制器的电源输入接口相连。 

所述的温度控制器采用数字式温度控制器。 

所述的蓄电池为免维护铅酸蓄电池。 

所述的太阳能电池板为两块，且两块电池板并联后与太阳能充电控制器相连。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型包括太阳能发电系统以及与太阳能发电系统电源输出接口相连的半导体制冷制热系统；由于太阳能发电系统是利用光生伏打效应直接将太阳辐射能转化为电能，光伏发电系统设备简练、可靠稳定、安装方便，具有广泛的使用面，能够提供电能，且本实用型新能够将太阳辐射能转化为电能，因此，本实用新型具有节能、离网两大特性；半导体制冷制热系统负责冷热水功能的具体实现；在实际使用过程中，水通过管道从半导体制冷片表面流过，通过强制对流换热的方式从半导体制冷片上吸收冷量或热量以达到制冷制热效果、优化了装置的整体性能,且本实用新型通过温度传感器对水箱内水温的监控，然后将温度信息反馈给温度控制器，温度控制器根据水箱内温度的高低对半导体制冷片进行控制，以实现制冷、制热、恒温三种工作模式,因此，本实用新型可满足 多种不同的制冷制热需求。 

附图说明

图1为本实用新型体结构俯视图； 

图2为本实用新型的电路图； 

图3制热温度随时间的变化曲线图； 

图4制冷温度随时间的变化曲线图； 

其中，1、外箱体，2、保温层，3、内箱体，4、温度控制器，5、水泵，6、入水管，7、出水管，8、半导体制冷片，9、换热风扇，10、出水口，11、入水口，12、温度传感器，13、蓄电池，14、太阳能充放电控制器，15、太阳能电池板。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。 

参见图1-2，本实用新型包括太阳能发电系统、半导体制冷制热系统以及与半导体制冷制热系统形成水循环回路的水箱；水箱包括外箱体1以及套设在外箱体1内的内箱体3，内箱体3的尺寸为150mm×150mm×150mm，容积为3L，外箱体1的尺寸为240mm×240mm×240mm；外箱体1和内箱体3之间设置有保温层2，保温层2具体采用由聚氨酯泡沫制成的保温层，由聚氨酯泡沫制成的保温层能够减少水箱内水热量或冷量的损失。 

太阳能发电系统为小型直流系统,它为整个装置提供电能，由依次连接的太阳能电池板15、太阳能充放电控制器14、蓄电池13组成，太阳能充放电控制器14上设有电能输出接口；进一步，所述的蓄电池13为免维护铅酸蓄电池。本实用新型将半导体制冷制热系统与太阳能发电系统相结合，由于太 阳能发电系统是利用光生伏打效应直接将太阳辐射能转化为电能，光伏发电系统设备简练、可靠稳定、安装方便，具有广泛的使用面，能够为本实用新型提供电能，保证了装置节能、离网两大特性；而且由于本装置能够离网使用，所以，本装置对于户外活动及偏远无电地区的控温需求具有极大优势，另外，本装置将太阳辐射能转化为电能，因此具有节能性、无污染等特点，符合对人们节能减排的倡议，在要求不高的家庭控温场合也具有极大的潜在使用价值。 

半导体制冷制热系统包括壳体以及设置在壳体内的半导体制冷片8,壳体外壁上安装有位于半导体制冷片散热端的换热风扇9，换热风扇9通过半导体速制冷片8非工作端的翅片与空气的换热从而稳定制冷片非工作端的温度并加强控温效率；所述的内箱体3上分别开设有入水口11和出水口10，壳体的出口通过入水管6经水泵5与内箱体的入水口11相连，出水口10通过出水管7与壳体的进口相连，入水管6和出水管7与外箱体的接口处分别采用中性胶予以密封以防止漏水，水泵5位于其间提供水循环动力；进一步，出水管7和入水管6均由橡胶制成；水泵5采用微型水泵。 

所述的半导体制冷片8连接有位于壳体外的温度控制器4，温度控制器4的传感器接口与伸入内箱体3中的温度传感器12相连，换热风扇9、水泵5以及半导体制冷片8并联在温度控制器4的电源输出接口上,太阳能充电控制器14的电源输出接口与温度控制器4的电源输入接口相连；进一步，所述的温度控制器4采用数字式温度控制器。在实际使用过程中，水通过管道从半导体制冷片8表面流过，通过强制对流换热的方式从制冷片上吸收冷量或热量以达到制冷制热效果、优化整体性能，且本实用新型通过温度传感器12对 内箱体3内的水温进行监控，然后将温度信息反馈给温度控制器4，温度控制器4根据内箱体3内温度的高低对半导体制冷片8进行控制，实现了制冷、制热、恒温三种工作模式。而且，在室温条件经过实验验证，其控温区间为5～89℃，最大控温速率可达3.37℃/L/min。因此，本实用新型装置换热效果好，整体控温性能极佳，性能优良、控温范围大、控温精确，可满足多种不同的制冷制热需求。 

本实用新型中带有壳体的半导体制冷片8、水泵5、温度控制器4皆粘结在水箱外箱体1上，连接半导体制冷片8、水泵5、以及温度控制器4的导线也被胶带纸固定在水箱外壁面上以防止晃动；裸露在外箱体1外部的出水管7和入水管6上均包裹有黑色泡沫保温层，以减少橡胶管中水在流动时热量或冷量的损失。太阳能充电控制器14与免维护铅酸蓄电池粘结在一起作为一个整体与太阳能电池板15和温度控制器4相连，相互之间采用2.5mm2铜导线连接。 

参见图2，本实用新型的中涉及到两部分的电器控制，一为太阳能充放电控制电路；二为半导体控温及测温电路。 

太阳能充放电电路包括依次相连的太阳能电池板15、太阳能充放电控制器14、免维护铅酸蓄电池，太阳能充放电控制器14上设有电源输出接口；其中，所使用的太阳能电池板15为两块60W的电池板并联，太阳能充放电控制器14的额定参数为12V20A，免维护铅酸蓄电池额定电压12V、容量为20AH； 

半导体控温测温电路包括数字式温度控制器4、换热风扇9、水泵5以及半导体制冷片8,换热风扇9、微型水泵以及半导体制冷片8并联在数字式温度控制器4的电源输出接口上，太阳能充放电控制器14的电源输出接口与数 字式温度控制器4的电源输入接口相连，数字式温度控制器的传感器接口与温度传感器12相连；其中，所使用的数字式温度控制器额定参数为12V20A，具有自动调节半导体制冷片电压方向的功能，从而可以实现在制冷和制热模式之间的自动切换；数字式温度控制器上配有一个防水探头即温度传感器12用以监测水箱中的水温；半导体制冷片8及换热风扇9总的额定功率为120W、额定电压12V，实际制冷功率为75W，微型水泵5额定参数为12V300mA,做功能力为2L/min。 

本实用新型的理论基础在于太阳能发电原理、半导体制冷制热原理以及强制对流换热原理，在三大原理的基础上分别设计制作了太阳能发电系统、半导体制冷制热系统以及循环式强制对流换热系统（循环式强制对流换热系统由半导体制冷片、水箱、微型水泵和其间起连接作用的橡胶管组成），对三个系统进行组装拼接便形成了本实用新型基于半导体的太阳能热水器。 

本实用新型的使用方法为：使用过程中按照安装并接通电源-设定温度-自动控温的顺序进行，即将温度控制器4连接在太阳能充放电控制器14的电源输出接口上，然后设定温度控制器4上的目标温度，最后温度传感器12感应内箱体3内的水温，如果在使用过程发现设定温度远高于实际温度时，半导体制冷片8为制热模式；当设定温度远低于实际温度时，温度控制器4自动改变半导体制冷片8电压方向，此时为制冷模式；当实际温度进入设定温度正负1℃范围内时，装置停止运转，进入稳定工作模式（稳态模式），当温度再一次超出设定值正负1℃时，装置又自动开始运行。 

本实用新型创新性的将太阳能发电和半导体控温相结合，并采用了强制对流换热以加强换热效率，在确定保温层厚度等设计参数时采用了计算机模 拟优化的方法。在此基础上，为了解本实用新型的实际性能，分别对其进行了制热、制冷、稳态工作性能的测试并对其结果进行了整理分析，以下给出实验测试过程、实验结果和参数及性能分析： 

（一）实验测试过程： 

1、制热实验 

实验条件：室温24.8℃、水箱中水量3L； 

实验过程：接通电源，设置温度为100℃，每隔1min记录一次温度数据，当水温在5min内不发生变化时，认为达到最高温度，此时关闭电源，实验结束； 

实验结果：温度变化的原始数据见表1（制热过程前90min，每5min选取一个记录点、后45min每10min选取一个记录点），相应的温度变化曲线图见图3。 

表1制热温度随时间变化数据 

2、制冷实验 

实验条件：室温23.9℃、水箱中水量3L； 

实验过程：接通电源，设置温度为0℃，每隔1min记录一次温度数据，当水温在5min内不发生变化时，认为达到最低温度，此时关闭电源，实验结束； 

实验结果：温度变化的原始数据见表2（制冷过程前100min每5min选取一个记录点、后130min每15min选取一个记录点），相应的温度变化曲线图 见图4。 

表2制冷温度随时间变化数据 

3、稳态工作实验 

实验条件：室温23.1℃、水箱中水量3L； 

实验过程：接通电源，设置目标温度为84℃，待实际温度达到设定温度装置自动停止运行后开始计时，观察在1小时内装置运行的时间；之后再分别设置温度为80℃、14℃、12℃，采用类似的方法，记录温度稳定在设定值正负1℃范围内时1小时内的工作时间。 

实验结果： 

84℃条件下，装置在1小时内总的工作时间为664sec； 

80℃条件下，装置在1小时内总的工作时间为481sec； 

14℃条件下，装置在1小时内总的工作时间为737sec； 

12℃条件下，装置在1小时内总的工作时间为1201sec； 

（二）参数及性能分析 

该部分将对实验测试数据进行处理并分别导出几个重要参数。 

1、控温区间：由表1-表2的实验数据可知最大控温区间为5～89℃。 

2、24小时连续工作控温区间：设一天太阳能可充电时间为6h、充电功率100W，总的充电量即为0.6kW·h，则一天当中平均每小时的可耗电量为 0.025kW·h，又已知装置工作时的功率为120W，所以每小时可工作的时间约为0.208h即750sec。 

1）根据稳态工作实验结果： 

在高温区域，稳定温度为84℃时，每小时工作664sec，稳定温度为80℃时，每小时工作481sec，将稳定温度T写成每小时工作时间t的一次函数： 

T=0.0219t+69.486     （1）； 

式（1）中，当t为750sec时，稳定温度T为86℃，即24小时连续工作控温区间上限为86℃； 

2）在低温区域，稳定温度12℃时，每小时工作1201sec，稳定温度14℃时，每小时工作737sec，将稳定温度T写成每小时工作时间t的一次函数： 

T=-4.3×10^-3t+17.169     （2）； 

式（2）中，当t为750sec时，稳定温度T为13.9℃，即24小时连续工作控温区间下限为13.9℃； 

3、热实验下的加热速率：在20-90℃范围内，为具有一般性，舍弃温度大于85.8℃后温度变化缓慢对速率的影响，考虑单位容积水的平均加热速率为： 

u=ΔT×V/Δt=(85.8-24.8)×3/100=1.83℃/L/min  （3） 

其中，ΔT为温度差，V为水箱中水的体积，Δt为时间差。 

在0-20℃温度范围内，根据原始数据及拟合曲线进行如下计算： 

加热温度-时间拟合曲线方程为： 

y=-0.004x²+1.0161x+24.516     （4）； 

式（4）中，当温度y分别为0℃、20℃时，时间x分别为-22.2、-4.4， 则平均加热速率为： 

u’=ΔT×V/Δt=(20-0)×3/（-4.4+22.2）=3.37℃/L/min  （5） 

4、制冷实验下的制冷速率：在20-0℃范围内，为具有一般性，舍弃温度低于7.5℃后温度变化缓慢对速率的影响，考虑单位容积水的平均制冷速率为： 

u=ΔT×V/Δt=(23.9-7.5)×3/160=0.31℃/L/min  （6） 

在50-20℃温度范围内，根据原始数据及拟合曲线进行如下计算： 

制冷温度-时间拟合曲线方程为： 

y=-2×10^-6x³+0.0011x²-0.2282x+24.516    （7） 

式（7）中，当温度y分别为50℃、20℃时，时间x分别为-78、20，则平均制冷速率为： 

u’=ΔT×V/Δt=(50-20)×3/（20+78）=0.92℃/L/min  （8） 

由上述分析可得到出表3中所列出的本装置的参数表。 

表3装置参数表 

另外，为详细说明本装置的实用性能，可满足多种不同的制冷制热需求，以下分别针对其制冷、制热、恒温三种工作模式，举例说明其实用价值。 

1、制热 

考虑某种在寒冷条件下的制热需求如雪山地区出行野营时加热饮用水的场景，设置环境温度为-10℃，为降低水的凝固点并补充人体无机盐，可在水中加入适量盐份，设置适宜饮用温度为35℃，使用之前导出的加热速率3.37℃/L/min（-10～20℃）、1.83℃/L/min（20～35℃），每加热1L水用时17.1min、耗电量为0.0342kW·h，假设蓄电池半充满为10AH，相当于在12V10A的工作条件下的电量为0.12kW·h，一天当中太阳能可充电时间为4h，充电功率受环境条件限制设为100W，总的充电量为0.4kW·h，总的可用电量为0.52kW·h，从而总的可加热水量约为15L，足够一整支队伍的饮水需求。 

2、制冷 

考虑在某炎热条件下的制冷需求，如野外出行时对较低温饮用水的需求或是有人中暑需要冷水降温，假设环境温度40℃，制冷水目标温度15℃，使用之前导出的制冷速率0.92℃/L/min（40～20℃）、0.31℃/L/min（20～15℃），每制冷1L水用时37.9min、耗电量为0.0757kW·h，总的可用电量与上文制热实例相同为0.52kW·h，从而总的可制冷水量约为7L，足够于处理该类场景。 

3、恒温 

考虑在我国北方某无电地区冬季时期，环境气温-20℃以下，某户居民家中使用本装置长期维持水温为20℃左右，可用于饮用或做饭等用途。 

本实用新型的优势在于以下几个方面： 

1、半导体制冷制热与太阳能光伏发电的结合。这两种技术都是无污染的、节能环保的新型技术，它们的结合在保证了本装置环境友好性的前提下，也赋予了它在户外及偏远无电地区独立工作运行的优点； 

2）循环式强制对流换热的设计使用大大的提升了半导体制冷片同水箱中水的换热效果，有利于半导体制冷片自身温度的稳定、制冷制热效率及速率的提高、设备寿命的延长； 

3）装置保温层经计算机模拟优化设计，保温性能良好； 

4）内箱体出入水口位置的安排经计算机模拟优化，能在较大程度上扰乱水箱中的流动状态，有利于水箱内部液体之间的换热从而有利于水温保持均衡； 

5）装置设计巧妙但结构简单、可靠性强、故障率低，同时其操作和控制非常简便，易于使用。 

Claims (10)

1.基于半导体的太阳能冷热水器，其特征在于：包括太阳能发电系统以及与太阳能发电系统电源输出接口相连的半导体制冷制热系统，半导体制冷制热系统包括壳体以及设置在壳体内的半导体制冷片（8）,半导体制冷片（8）连接有温度控制器（4）,壳体的进口和出口分别通过管道与水箱相连,水箱内设置有与温度控制器（4）的传感器接口相连的温度传感器（12）。

2.根据权利要求1所述的基于半导体的太阳能冷热水器，其特征在于：所述的半导体制冷制热系统还包括设置在管道上的水泵（5）以及设置在壳体外壁上的换热风扇（9），换热风扇（9）、水泵（5）以及半导体制冷片（8）并联在温度控制器（4）的电源输出接口上。

3.根据权利要求2所述的基于半导体的太阳能冷热水器，其特征在于：所述的换热风扇（9）位于半导体制冷片（8）散热端。

4.根据权利要求2所述的基于半导体的太阳能冷热水器，其特征在于：所述的水箱包括外箱体（1）以及套在外箱体（1）内的内箱体（3），外箱体（1）和内箱体（3）之间设置有保温层（2）；所述的内箱体（3）上分别开设有入水口（11）和出水口（10），出水口（10）通过出水管（7）与壳体的进口相连，壳体的出口通过入水管（6）与入水口（11）相连,水泵（5）设置在出水管（7）或入水管（6）上。

5.根据权利要求4所述的基于半导体的太阳能冷热水器，其特征在于：所述的保温层（2）采用由聚氨酯泡沫制成的保温层。

6.根据权利要求4所述的基于半导体的太阳能冷热水器，其特征在于：所述的出水管（7）和入水管（6）暴露在空气中的部分包裹有泡沫保温层。

7.根据权利要求1所述的基于半导体的太阳能冷热水器，其特征在于：所述的太阳能发电系统包括依次连接的蓄电池（13）、太阳能充放电控制器（14）以及太阳能电池板（15）；所述的太阳能充电控制器（14）上设有电源输出接口，电源输出接口与温度控制器（4）的电源输入接口相连。

8.根据权利要求1或7所述的基于半导体的太阳能冷热水器，其特征在于：所述的温度控制器（4）采用数字式温度控制器。

9.根据权利要求7所述的基于半导体的太阳能冷热水器，其特征在于：所述的蓄电池（13）为免维护铅酸蓄电池。

10.根据权利要求7所述的基于半导体的太阳能冷热水器，其特征在于：所述的太阳能电池板（15）为两块，且两块电池板并联后与太阳能充电控制器（14）相连。

Images