一种适用于户外的基于天空辐射的小型多联供系统

技术领域

本发明涉及能源应用技术领域，具体涉及一种适用于户外的基于天空辐射的小型多联供系统。

背景技术

随着社会的不断发展，户外运动、休闲、旅游、作业等人群也不断增多，这类群体对户外能源供给的需求也不断提高，如冰镇饮料、多功能帐篷、鱼饵冷藏、高端农业等。另一方面，传统的多联供能源系统往往适用于室内环境，系统设备较大且不易移动，而对于户外这类缺少电源、能源应用具有可移动性与临时性的场所不能较好适用。因此，如何高效利用户外环境太阳能资源丰富、露天等本身特点，实现能源的多级利用和多方面应用，成为丞待解决的问题。

天空辐射制冷技术是将宇宙看作冷源，利用物体自身红外辐射原理，将多余热量穿透大气层辐射到宇宙的一种制冷方式。天空辐射制冷量的提升需要减少吸收太阳辐射能，减少吸收大气辐射能，提高自身红外辐射能，同时减少与空气的对流换热损失。天空辐射制冷技术的主要优点体现在：制冷过程无需能源；环境温度越高，辐射越强，制冷量越大；对环境不造成污染。因此，天空辐射可适用于户外环境。目前，针对天空辐射制取冷水的实验发现：正午时分(12:30-2:00pm)，天空辐射冷水制取模块内的水温平均比环境温度低超过10℃，并随着太阳辐射下降，温差继续加大且超过13℃。

半导体热电效应是当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。其具备尺寸小，结构简单；重量轻，维护方便；使用方便，小电流即可制冷；没有运动部件，无噪声；无制冷剂污染等优点。目前，半导体热电效应的应用受限于其制冷效率不高，对半导体热端的及时散热可有效提高其制冷效率，而如何有效回收其热端散热的热量，实现能源的充分利用，值得进行系统设计。

太阳能光伏发电集热一体化技术是基于光伏发电原理与太阳能集热原理，将可再生能源——太阳能转换为电能和热能，供给电能的同时利用集热器生成热能。对于单一的光伏发电系统而言，由于太阳能板温度每升高1℃，光伏发电效率约下降0.4％～0.5％，且太阳光到达太阳能板80％以上的能量转化为热能，使得太阳能板工作温度通常在50℃以上，严重影响光伏发电效率。

公开号为CN111207530A的发明专利公开了一种半导体制冷器与天空辐射制冷体耦合的复合制冷装置，该专利将主动式半导体制冷技术与被动式天空辐射制冷技术联合对冷却剂制冷，然后对系统提供冷量，但此发明仅含有制冷单元，不能满足户外多能源使用需求，且半导体热端热量未进行利用，能源利用未达到最大化。本发明基于天空辐射制冷技术、半导体热电效应、太阳能光伏发电集热一体化技术，将能源利用最大化，热能利用的同时，促进半导体制冷效率以及光伏发电效率的提升，系统综合效率较高，实现能源的多级和多元利用，能源利用之间相互促进且具备节能性，可同时进行供冷水、供热水、供电、制冷等，解决户外小型多联供系统需求。

综上所述，户外环境需要一种节能性好、综合效率高、实用性好、无排放、无污染的多联供系统，解决户外人员对多能源供给的需求，提升人民生活质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于户外的基于天空辐射的小型多联供系统，在节能、实用、无污染、综合效率高的前提下，解决户外人员或空间对能源的多种需求。

本发明提供了如下的技术方案：

一种适用于户外的基于天空辐射的小型多联供系统，包括：

天空辐射冷水回路，包括天空辐射冷水制取模块、第一换热器、半导体热电效应模块和第二换热器，所述天空辐射冷水制取模块能够制取冷水，并与所述第一换热器连接形成冷水回路；所述天空辐射冷水制取模块、所述半导体热电效应模块、所述第二换热器与所述天空辐射冷水制取模块依次连接形成冷水回路；

辐射制冷回路，包括辐射末端，所述辐射末端的出水口与进水口分别连接所述第一换热器与所述半导体热电效应模块，所述第一换热器再与所述半导体热电效应模块之间连接，形成冷水回路；

太阳能发电集热一体化回路，包括太阳能板、蓄电装置、集热器与储热水箱，所述蓄电装置连接所述太阳能板以及所述半导体热电效应模块，以实现充电与供电；所述太阳能板的出水口、所述集热器、所述储热水箱、所述第二换热器以及所述储热水箱依次连接，形成热水回路。

优选的，所述天空辐射冷水制取模块包括由保温材料制成的容置池，所述容置池内由上至下依次设有风屏、辐射制冷超材料与水体，设有所述水体的所述容置池相对的两侧分别设有冷水入口与冷水出口。

优选的，设有所述水体的所述容置池的另外两侧内壁上设有与对应内壁垂直连接的挡板，所述挡板的宽度小于所述容置池的宽度并大于所述容置池宽度的一半，设于两侧壁的所述挡板交错设置，使得从所述冷水入口的冷水沿S型路径从所述冷水出口流出。

优选的，所述半导体热电效应模块包括半导体热端换热器、半导体冷端换热器与半导体热电堆，所述半导体热电堆夹设于所述半导体热端换热器与所述半导体冷端换热器之间，所述半导体热端换热器能够吸收所述半导体热电堆的热端热量；

在所述天空辐射冷水回路中，所述天空辐射冷水制取模块以及所述第二换热器均与所述半导体热端换热器连接；在所述辐射制冷回路中，所述第一换热器与所述辐射末端均连接所述半导体冷端换热器，在所述太阳能发电集热一体化回路中，所述太阳能板电力输入端与所述蓄电装置与所述半导体热电堆连接，为其供电。

优选的，所述天空辐射冷水回路还包括第一四通阀与第二四通阀，所述第一四通阀分别连接所述天空辐射冷水制取模块出水端、冷水供应端、所述第一换热器进水端以及所述半导体热电效应模块进水端；所述第二四通阀分别连接所述天空辐射冷水制取模块进出水端、所述第一换热器出水端、所述第二换热器出水端以及补水管道，所述补水管道上设有电磁阀。

优选的，所述天空辐射冷水回路还包括第一水泵，用于将所述天空辐射冷水制取模块的冷水送入所述第一四通阀；所述辐射制冷回路中包括第二水泵，用于实现对应冷水回路的水循环；所述太阳能发电集热一体化回路包括第三水泵与第四水泵，所述第三水泵用于将热水从所述集热器抽进所述储热水箱，所述第四水泵用于将储热水箱的冷水抽入所述第二换热器。

优选的，所述半导体热端换热器与半导体冷端换热器均包括换热肋片，所述冷水管道呈s型设置，所述换热肋片设于所述冷水管道的间隙里并与其紧密接触。

优选的，所述风屏采用PE薄膜制成，所述保温材料的热系数小于等于0.12。

本发明的有益效果是：

1.本系统通过天空辐射冷水回路、辐射制冷回路与太阳能发电集热一体化回路，可同时实现供冷水、制冷、供热水与发电的多能源供应，解决户外人员或空间对能源的多种需求；

2.天空辐射冷水回路中的天空辐射冷水制取模块无需能耗，且利用可再生能源太阳能进行供电与集热，节约能源；

3.冷水通过半导体热端换热器吸收半导体热电堆热端热量同时，半导体热电堆冷端制冷效率提升，凉水通过太阳能板与集热器吸收热量的同时，太阳能板光伏发电效率提升，综合效率高；

4.本系统不含制冷剂等有污染的工质，对大气环境不造成污染；

5.本系统无大型运动设备，噪音小；

6.系统不含传统压缩机等体积大、高功率设备，可适用于户外对能源有多种需求的场所。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明天空辐射冷水制取模块结构示意图；

图3是本发明天空辐射冷水制取模块内水体流动结构示意图；

图4是本发明半导体热端换热器、冷端换热器与冷水管道连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种适用于户外的基于天空辐射的小型多联供系统，包括天空辐射冷水回路、辐射制冷回路与太阳能发电集热一体化回路。

如图1所示，天空辐射冷水回路包括天空辐射冷水制取模块1、第一换热器4、半导体热电效应模块和第二换热器8，天空辐射冷水制取模块1能够制取冷水，并与第一换热器4连接形成冷水回路；天空辐射冷水制取模块1、半导体热电效应模块、第二换热器8与天空辐射冷水制取模块1依次连接形成冷水回路。

其中，半导体热电效应模块包括半导体热端换热器7、半导体冷端换热器9与半导体热电堆18，半导体热电堆18夹设于半导体热端换热器7与半导体冷端换热器9之间，半导体热端换热器7能够吸收半导体热电堆18的热端热量；在天空辐射冷水回路，天空辐射冷水制取模块1以及第二换热器8均与半导体热端换热器7连接。

天空辐射冷水回路还包括第一四通阀3与第二四通阀5，第一四通阀3分别连接天空辐射冷水制取模块1出水端、冷水供应端、第一换热器4进水端4a以及半导体热电效应模块进水端；第二四通阀5分别连接天空辐射冷水制取模块1进出水端、第一换热器4出水端4b、第二换热器8出水端8b以及补水管道，补水管道上设有电磁阀6。

天空辐射冷水回路还包括第一水泵2，用于将天空辐射冷水制取模块1的冷水送入第一四通阀3。

如图2-图3所示，天空辐射冷水制取模块1包括由保温材料制成的容置池22，容置池22内由上至下依次设有风屏19、辐射制冷超材料20与水体21，设有水体21的容置池22相对的两侧分别设有冷水入口与冷水出口。

其中，其中，风屏19为对流换热系数小的透明材料，其材料可为PE薄膜；辐射制冷超材料20在0.3-2.5μm范围内具有低吸收率，在8-13μm具有高发射率，其余波段具有高反射率；保温材料是热系数小于或等于0.12的材料。

设有水体21的容置池22的另外两侧内壁上设有与对应内壁垂直连接的挡板23，挡板23的宽度小于容置池22的宽度并大于容置池22宽度的一半，设于两侧壁的挡板23交错设置，使得从冷水入口的冷水沿S型路径从冷水出口流出，可充分获得冷量。

如图1所示，天空辐射冷水回路的工作过程如下：

天空辐射冷水制取模块1制取冷水并通过第一水泵2送入第一四通阀3，第一四通阀3将冷水分为三路：第一路3a可直接供冷水供应端使用；第二路3b连接第一换热器4第一接口4a，通过第一换热器4对辐射制冷回路换热冷却后，从第一换热器4第二接口4b流出，连接第二四通阀5，流回至天空辐射冷水制取模块1，形成冷水回路；第三路3c连接半导体热端换热器7，对其降温冷却后，再连接第二换热器8第一接口8a，通过第二换热器8将热量排放到太阳能发电集热一体化回路，最后由第二换热器8第二接口8b连接至第二四通阀5，流回至天空辐射冷水制取模块1，形成冷水回路。此外，电磁阀6安装在补水管道上，并连接第二四通阀5，再连接天空辐射冷水制取模块1，通过检测天空辐射冷水回路水量的变化，控制阀门开度，及时进行补水。

如图1所示，辐射制冷回路，包括辐射末端11，辐射末端11的出水口与进水口分别连接第一换热器4与半导体热电效应模块，第一换热器4再与半导体热电效应模块之间连接，形成冷水回路。

其中，在辐射制冷回路中，第一换热器4与辐射末端11均连接半导体冷端换热器9；辐射制冷回路中包括第二水泵10，用于实现对应冷水回路的水循环。

辐射制冷回路的工作过程如下：温度较高的水从辐射末端11出口11b通过第一换热器4第三接口4c进入第一换热器4进行初步降温，初步降温后的水从第一换热器4第四接口4d流出，并通过半导体冷端换热器9进行二次降温，最后由第二水泵10通过辐射末端11入口11a送入辐射末端11，形成回路。此外，辐射末端11可直接为户外小型空间进行辐射制冷。

如图1所示，太阳能发电集热一体化回路，包括太阳能板12、蓄电装置17、集热器13与储热水箱15，蓄电装置17连接太阳能板12以及半导体热电效应模块，以实现充电与供电；太阳能板12的出水口、集热器13、储热水箱15、第二换热器8以及储热水箱15依次连接，形成热水回路。

其中，在太阳能发电集热一体化回路中，太阳能板12电力输入端与蓄电装置17与半导体热电堆18连接，为其供电。

太阳能发电集热一体化回路包括第三水泵14与第四水泵16，第三水泵14用于将热水从集热器13抽进储热水箱15，第四水泵16用于将储热水箱15的冷水抽入第二换热器8。

太阳能发电集热一体化回路的工作过程如下：

太阳能板12电力输入端12a与蓄电装置17通过电线连接，蓄电装置17一方面通过电线与半导体热电堆18连接，并为其供电，另一方面为户外其它设备供电，形成发电回路。户外凉水从太阳能板12凉水入口段12b进入，通过太阳能板12连接的集热器13吸收热量，加热后的热水连接第三水泵14，从储热水箱15第一接口15a进入储热水箱15，而储热水箱15内温度较低的水通过其第二接口15b在第四水泵16作用下，从第二换热器8第三接口8c进入第二换热器8，并在第二换热器8加热后，从第二换热器8第四接口8d送至储热水箱15第三接口15c，进入储热水箱15，储热水箱15第四接口15d可为外界提供热水，形成热水回路。

如图4所示，半导体热端换热器7与半导体冷端换热器9均包括换热肋片24，冷水管道25呈s型设置，换热肋片24设于冷水管道25的间隙里并与其紧密接触。

如图1-图4所示，一种适用于户外的基于天空辐射的小型多联供系统，在工作时，将天空辐射冷水制取模块1放置于户外，天空辐射冷水制取模块1在辐射制冷超材料20的作用下对天空进行热辐射，从而温度降低，对其下水体21进行冷辐射作用，获得冷水。

同时，将太阳能板12放置于户外阳光充沛处，太阳能板12由于光伏发电效应，开始对蓄电装置17充电。

蓄电装置17一方面为半导体热电堆18供电，使半导体热电堆18开始工作，热量从半导体冷端换热器9一侧转移至半导体热端换热器7一侧，另一方面可为户外其它小功率设备进行供电。

此外，太阳能板12接凉水，在集热器13作用下，凉水吸热，进而太阳能板12温度降低，其光伏发电效率提高，加热后的热水在第三水泵14的作用下，送入储热水箱15。

天空辐射冷水制取模块1制取的冷水在第一水泵2和第一四通阀3作用下，分为三路：第一路3a可直接为人员提供冷水，而电磁阀6根据检测天空辐射冷水回路水量的变化，控制阀门开度，通过第二四通阀5，及时为天空辐射冷水制取模块1进行补水；第二路3b通过第一换热器4，对辐射制冷回路中的循环水进行初步冷却；第三路3c通过半导体热端换热器7吸收半导体热电堆18热端热量，同时间接增大半导体热电堆18冷端制冷效率，然后通过第二换热器8将半导体热端热量传送给储热水箱15内水体21，最后第二路3b和第三路3c冷水通过第二四通阀5重新回到天空辐射冷水制取模块1，进行下一轮循环。

此外，储热水箱15在集热器13和第二换热器8的共同作用下，可为外界提供热水。

辐射制冷回路中，辐射末端11出口11b流出温度较高的循环水，分别通过第一换热器4和半导体冷端换热器9进行一次、二次冷却，冷却后的循环水重新在第二水泵10的作用下，流入辐射末端11，对户外制冷空间进行辐射供冷。

本系统在节能、实用、无污染、综合效率高的前提下，解决户外人员或空间对能源的多种需求，可同时实现供冷水、供热水、发电、制冷等效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。