CN108431512A

CN108431512A - 太阳能空气冷却器

Info

Publication number: CN108431512A
Application number: CN201680064389.3A
Authority: CN
Inventors: 保罗·里斯·阿尔恩特
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-08-21
Anticipated expiration: 2036-09-21
Also published as: WO2017055148A1; ES2842180T3; EP3356740A1; EP3356740B1; US10955153B2; EP3150932A1; US20180274806A1; CN108431512B

Abstract

本发明涉及一种用于使建筑物内的空气再循环且冷却的紧凑型全集成的太阳能供电空调(A/C)装置，该装置包括光伏(PV)太阳能电池、最大功率点跟踪(MPPT)充电控制器、蓄电池单元、以及蒸气压缩型空气冷却装置。

Description

太阳能空气冷却器

技术领域

本发明涉及一种用于使建筑物内的空气再循环且冷却的紧凑型全集成的太阳能供电空调(A/C)装置，该装置包括光伏(PV)太阳能电池、最大功率点跟踪(MPPT)充电控制器、蓄电池单元、以及蒸气压缩型空气冷却装置。该空调装置可以可选地配备有由外部电源供电的连接器。

背景技术

全球人口每年增长约8000万，随着发达国家和发展中国家的人们在大城市寻求更好的工作或生计，城市化几乎日益增加，并且部分地由于这两种趋势，由于人们使用例如化石燃料动力用于照明、用于为机器供电、最显著地用于冷却，全球气候正在变暖。由于不适合居住的气候条件，这一趋势现在在具有炎热和/或潮湿气候的地区非常显著，在那里，城市化并未如此明显。

工作温度与工作效率之间有着直接的联系：在“Air-Conditioning America(美国空调)”中，引用了1957年的调查，其中90％的美国公司将冷空气称为他们生产力的单一最大促动力。此外，耶鲁大学测绘项目显示年平均温度与人均生产力之间几乎呈线性相关。发现人们在最冷气候中产生的经济产出是最热气候中的12倍。

冷却还降低了死亡率。例如，2006年对六个韩国城市进行的调查表明，与正常夏季最高温度相比仅上升1℃促使由于所有原因造成的死亡率上升6.7％至16.3％之间。根据***的调查，在西班牙2003年热浪期间的最热日子，正常死亡率的增长为大约25％(经济学家，2013年1月)。

因此，为了工作和居住目的而人为地冷却环境的要求正在迅速增加。在大多数国家，家庭和企业中运行空调器的大部分电力来自“电网”，电网主要由化石燃料(最突出地煤炭)供电。即使一些国家成功用比如风能、太阳能和水力发电等可再生能源来代替大部分化石燃料，但煤炭仍然是全球范围内的主要能源。

包括太阳能在内的电网可再生能源的可用性正在稳步增加，但柴油发电机和其他化石燃料继续主导离网电力供应。为了使由可再生能源供电的空调对最终用户更具吸引力，因此应借助于独立式易于安装的装置来供电，该装置易于操作并且可以在白天和夜晚-还有在由“可再生能源”产生的能量下降的时期提供冷却。

对于在屋顶上还没有风力涡轮机或太阳能电池阵列的最终用户而言，为他的家庭获取可再生能源供电的空调并不是容易的决定。在私人住宅中传统安装可再生能源是重大而昂贵的工作。

太阳能供电的空调***已经出现在市场上，例如以由热点能源供能的Solarwhiz和ACDC12b太阳能AC单元呈现。

Solarwhiz提供了单一的分散式解决方案，为建筑物提供免运行成本的通风。然而，Solarwhiz的冷却受环境温度的限制，因为它只会将热空气移出而将环境空气移入建筑物中，即它不会主动冷却空气。

ACDC12B空调***确实提供主动冷却，但它不是独立式装置、而是将太阳能电池板和空调单元分开。该装置主要依靠太阳能在白天运行，但需要时需要来自“电网”的电力，因为没有集成蓄电池单元备份。

因此，需要一种紧凑型、独立式、易于安装、由可再生能源供电的空调装置，该装置可以以“即插即用”的方式连接至需要冷却的房间或建筑物。

定义

如本文中所使用的，缩写“PV”是指光伏。贯穿本申请，术语“PV-电池板”、“PV电池板”、以及“PV太阳能电池板”均是指光伏太阳能电池或光伏太阳能电池组件。如本文中所使用的，缩写“MPPT”是指最大功率点跟踪，是通常与蓄电池充电控制器相组合的PV电池板优化器。如本文中所使用的，术语“蓄电池单元”是指一个或多个可再充电的蓄电池、蓄电池组、或蓄电池阵列。如本文中所使用的，术语“Li-离子”或“锂离子”是指可再充电的锂离子蓄电池、蓄电池组、或蓄电池阵列。如本文中所使用的，术语“DC”是指直流电。如本文中所使用的，术语“AC”是指交流电。如本文中所使用的，术语“转换器”是指DC/DC转换器、用于将电压在24-48V之间改变。如本文中所使用的，术语“电网”是指用于将电力从供应商输送到消费者(典型地主电网或国家电网)的互连网络。类似地，如本文中所使用的，术语“离网”是指不与电网连接、主要在不连接至主电网或国家电网方面使用。术语“负载”是指消耗电力器具和灯的电气部件或电路一部分。“负载”也可以指电路消耗的功率。

发明内容

在下文中，参考图1-5所示的编号部件。

本申请的发明人志向是开发出一种易于安装且消费者友好的、能够基于太阳能提供冷却的单元或装置。这项工作的最初灵感来自用于空气加热的装置的开发(如国际申请WO 2008095502中所描述的)，其理念是加热过程可以颠倒成冷却过程。发现这在技术上非常具有挑战性，因此考虑了其他几种技术。

第一个看起来可行的想法是基于以下假设：太阳能与水分蒸发相结合将产生有成本效益的冷却。吸收原理取决于增加流入空气的湿度的能力，并且假设室外空气与所期望的室内温度之间的适度温差(3-7度)受到湿度的影响。通过吸收引起的冷却允许通过向空气中加入水蒸气进行冷却，从而引起相变来冷却空气。然而，由于空气后来被除湿，并且基于吸收的空气冷却器不断地被再次湿润，因此发现该过程需要比先前假设的更多的能量，并且因此被更高效的方法所取代。

还考虑了基于盐水的***，但是此类***可能涉及意外的环境问题，或可能变得过于复杂和昂贵。

最后，发明人发现，基于太阳能供电的电动蒸气压缩的冷却优于吸收和吸收冷却，并且因此已经开发了高度紧凑的技术解决方案，该方案可以将简单的微型MPP***与范围为40-70伏特的开路电压的太阳能电池板相结合，这允许应用更大范围的太阳能电池板。

本发明的太阳能供电空调(A/C)装置进一步包括蓄电池单元(2)，参见图1-5，该蓄电池单元通过太阳能电池板(6)来充电，从而向压缩机提供电力。当PV电池板不能产生足够的电力时，蓄电池单元(2)中存储的过剩电力将被利用。通过再增加至少一个或两个PV电池板(32)能够扩大发电能力。替代性地，可以连接一个、两个或更多个分立的/可拆卸的太阳能储存模块，其中，PV-电池板与蓄电池单元和充电控制器相结合作为独立模块，由此不仅增大了太阳能空调单元的最大冷却能力、还额外增加了大量的备用电力。

结合太阳能供电A/C装置的功能部件的各种方式进行了审查，并通过测试和原型构造确认，最高效的解决方案是将所有的发电部件结合到上述可拆卸的独立太阳能储存模块中，该太阳能储存模块包括：

·蓄电池单元(2)；

·对该蓄电池单元(2)充电的PV电池板(6)；

·电连接至该蓄电池单元(2)和该太阳能电池单元(6)上的最大功率点跟踪(MPPT)充电控制器(3)，

·用于减少从该PV太阳能电池(6)单元到该蓄电池单元(2)的热传递的隔热装置；以及

·用于将该蓄电池单元(2)维持在不超过阈值的温度下的冷却装置。

因此，本发明的太阳能供电A/C装置包括如上文所描述的可拆卸太阳能储存模块、以及冷却模块，该冷却模块包括：

·蒸气压缩型制冷***；

·内部和外部流室；

·一个或多个风扇；

·用于减少从该太阳能储存模块到该内部流室的热传递的隔热装置，以及

·进管和出管以及进线和出线。

此外，太阳能供电A/C装置包括允许远程控制A/C单元的控制模块。该控制模块可以由具有显示器(该显示器通过蓝牙、红外、或wifi无线等与该控制模块通信)的分立远程控制单元、或者替代性地通过使用安装在智能手机或平板计算机上的还允许与该控制模块进行加密通信的应用来远程地操作。

包括本发明的太阳能供电A/C装置的这三个模块通过机械框架保持在一起或组装在一起。

主要挑战是应对穿过太阳能供电A/C装置的温度梯度。该太阳能储存模块被放置成非常靠近该冷却模块，可以通过阳光被加热到高于环境空气温度的温度，并且同时期望使用该冷却模块来降低流经所述冷却模块的空气的温度。

这些挑战现在已经通过单独优化部件的选择、尤其单独模块的装置几何形状来克服，这将在下文中进一步描述。

因此在第一方面，提供了一种太阳能空调单元，该太阳能空调单元包括以下部件：

a.可拆卸太阳能储存模块，该太阳能储存模块包括：

I.蓄电池单元(2)；

II.对该蓄电池单元(2)充电的一个或多个PV电池板(6)；

III.电连接至该蓄电池单元(2)和该太阳能电池单元上的最大功率点跟踪(MPPT)充电控制器(3)；

IV.用于减少从该PV电池板(6)到该蓄电池单元(2)的热传递的隔热装置；以及

V.用于将该蓄电池单元(2)维持在不超过阈值的温度下的冷却装置，

以及

b.冷却模块，该冷却模块包括：

VI.蒸气压缩型制冷***(28)和(22)；

VII.内部流室和外部流室；

VIII.一个或多个通风风扇(23和29)；

IX.用于减少从该太阳能储存模块到该内部流室的热传递的隔热装置，以及

X.进管和出管以及进线和出线，

以及

c.允许直接控制或远程控制该太阳能空调单元的控制模块，

d.用于固定所述太阳能储存模块、冷却模块、以及控制模块并且将其组装成单一单元的框架。

然而，在某些情况下，将太阳能存储模块与冷却模块分开并将冷却模块的一部分放在室内可能更方便或更实际。这需要穿过房屋外墙钻出较小的孔，这可能是有利的，并且还允许更容易安装冷却模块。

因此，在第二方面，提供了一种包括与本发明的第一方面相同的部件的太阳能空调单元，但是其中，蒸发器(22)、蒸发器风扇(23)、冷凝物排出口(26)、以及膨胀阀(34)以单一单元放在室内，参见图5。室内单元优选地装入塑料外壳中以防止触及移动部件，并且在进一步的实施例中容纳有最终用户在没有远程控制的情况下控制***的装置。

在以下详细描述和附图中披露了本发明的不同实施例。

附图说明

图1是示出了太阳能供电空调装置的电气部件设计的图解，包括扩展选项。

图2是安装在房屋外墙(20)上的简化的太阳能供电空调装置的侧视图。未示出框架和外壳以显示该装置内的部件和气流。

图3是(简化的)可拆卸太阳能储存模块的后视图，指示了各个部件及其适当的相对放置。

图4是(简化的)可拆卸太阳能储存模块的竖直视图，包括气流流过部件箱(8)与PV电池板(6)的背面之间的间隙的指示。

图5是安装在房屋外墙(20)上的简化的太阳能供电空调装置的侧视图。在该装置的这个版本中，蒸发器(22)、蒸发器风扇(23)、冷凝物排出口(26)、以及膨胀阀(34)全都以单一单元放在室内。未示出框架和外壳以显示该装置内的部件和气流。

具体实施方式

根据本发明的太阳能空调单元包括四个部件：可拆卸太阳能储存模块、冷却模块、控制模块、以及用于将这另外三个部件固定在单一单元中的框架。

该可拆卸太阳能储存模块具有以下功能：通过内置PV电池板(6)捕获来自阳光的能量并且原则上还从比如人造光等其他光源捕获能量；并且对集成在太阳能空调单元中的冷却模块和其他电气部件供电。该可拆卸太阳能储存模块还具有以下功能：将剩余能量储存在内置蓄电池单元(2)中以便当PV电池板(6)的产出低于冷却模块的需求(包括需要灵活地分离消耗和生产时间，例如白天对蓄电池充电与晚上冷却分开)时使用。

该冷却模块具有以下功能：通过制冷回路再循环和冷却室内或内部空气。该冷却模块包括电气设备——比如蒸气压缩型制冷***、以及一个或多个通风风扇，这些风扇均由太阳能储存模块供电。该冷却模块还可以由外部电源供电。

该控制模块具有允许远程控制太阳能空调单元的功能、并且配备远程控制单元。它可以由太阳能储存模块来供电。

该框架具有的主要功能是固定所述太阳能储存模块、冷却模块、以及控制模块并且将其组装成单一单元。而且，该框架允许附接外壳或壳体，该外壳或壳体将太阳能供电空调装置的内部遮挡以免受环境影响。

a.可拆卸太阳能储存模块，该太阳能储存模块包括：

I.蓄电池单元(2)；

II.对该蓄电池单元(2)充电的PV电池板(6)；

III.电连接至该蓄电池单元(2)和该太阳能电池单元(6)上的最大功率点跟踪(MPPT)充电控制器(3)；

以及

b.冷却模块，该冷却模块包括：

VI.蒸气压缩型制冷***(28)和(22)；

VII.内部流室和外部流室；

XI.一个或多个通风风扇(23和29)；

VIII.用于减少从该太阳能储存模块到该内部流室的热传递的隔热装置，以及

IX.进管和出管以及进线和出线，

以及

c.允许远程控制该太阳能空调单元的控制模块，

以及

在优选的实施例中，该可拆卸太阳能储存模块具有标准PV太阳能电池的适当外部尺寸，例如大致1600×1060mm以及约80mm的深度。

根据本发明的太阳能储存模块通过光伏效应将太阳能转化为电能而运行，光伏效应捕获来自阳光的能量，并且原则上还从比如人造光等其他光源捕获能量。PV太阳能电池(6)捕获的太阳能量由于周围环境的变化(比如阳光强度(太阳辐射)和环境温度的变化)而不一致，并且因此使用蓄电池单元(2)(电连接至太阳能电池单元上并且由其充电)来储存PV太阳能电池(6)产生的电力。

为了将蓄电池单元(2)捕获太阳能量的效率最大化，将最大功率点跟踪(MPPT)充电控制器(3)电连接至蓄电池单元(2)和太阳能电池单元上。MPPT充电控制器(3)是电子DC-DC转换器，该转换器连续地将PV太阳能电池的输出与实际蓄电池电压进行比较、并且通过将从太阳能电池板输出的较高电压DC向下转换为对蓄电池单元(2)充电所需的较低电压来优化PV电池板(6)与蓄电池单元(2)之间的匹配。对于负载输出，电流直接来自MPPT。如果负载要求高于实际PV电池板产量，则蓄电池单元(2)仅用作备份。如果负载要求低于实际PV电池板产量，则使用剩余能量来对蓄电池单元(2)充电。

在根据本发明的太阳能供电空调单元的操作期间，PV太阳能电池被加热到远高于环境的温度，典型地高于环境温度至少20-30℃，并且PV太阳能电池达到75℃的温度并不罕见。这是个问题，因为典型的PV太阳能电池板具有负温度系数，并且因此在高温条件下太阳能电池的效率可能降低多达25％。

由于蓄电池对高充电温度和放电温度都敏感，因此在操作期间PV太阳能电池的温度升高对于集成在可拆卸太阳能储存模块中的蓄电池单元(2)也是个问题。因此，提供了用于防止蓄电池单元(2)过热的装置。这些装置包括隔热装置和冷却装置，这些装置将在下文中与本发明的单独部件的描述一起进行进一步描述。

管理温度非常重要，因为大多数部件都有临界最高温度，如果超过该温度将会导致故障。蓄电池可以承受最高达80℃的温度而不会造成永久性损坏，但不应长时间超过45℃。电池板不得超过85℃，因为可能导致脱层和随后的故障。

太阳能储存模块还可以装备有用于去除热量的有源装置，该有源装置可以由集成蓄电池单元(2)供电。在一个实施例中，这可以通过在该构造中包括蓄电池供电的风扇(21)来实现，该风扇可以促进空气自然对流流动穿过该模块。替代性地，如上所述，可以采用比如用于将蓄电池单元(2)冷却到最佳运行条件的蓄电池供电的热电元件(22)，比如珀耳帖(Peltier)装置。在特定实施例中，采用蓄电池单元，该蓄电池单元包括热传感器和集成式热电元件。

在实施例中，用于将蓄电池单元(2)维持在不超过阈值的温度下的冷却装置进一步包括由蓄电池单元(2)供电的热电元件(22)。热电元件(22)例如可以是珀耳帖元件。

太阳能储存模块中包括用于去除热量的有源装置的这些实施例可能与具有环境空气温度太高而无法被动地冷却蓄电池单元的过热气候的地理区域相关。主动冷却***将以一阵一阵的方式运行，当热传感器检测到阈值温度时，冷却蓄电池单元几分钟，然后关闭。

阈值温度可以在蓄电池变型之间不同、但典型地在40-55℃的范围内。

根据本发明的可拆卸太阳能储存模块包括三个功能性部件：PV太阳能电池板(6)、MPPT充电控制器(3)、以及蓄电池单元(2)，并且此外包括用于防止温度敏感部件过热的隔热与冷却装置。

MPPT充电控制器(3)和蓄电池单元(2)容纳在由折叠式金属板制成的紧凑封闭箱(8)内，该封闭箱用于以下用途：首先创建将蓄电池与从PV太阳能电池板(6)的后侧发出的热量隔离的静态空气层，其次防止任何意外触及携带电流的部件；第三保护这些部件免受周围环境影响，由此延长部件使用寿命和耐久性。箱(8)用顶盖(1)封闭，该顶盖用作用于安装部件(MPPT、蓄电池、逆变器和混杂的印刷电路板(2+3)、散热器)的平台、并且禁止进入。在该箱侧面中安装压配合螺母(7)，以使组装过程容易。通过这些压配合螺母来将安装支架(4)安装在箱侧面中的两个或三个侧面上(取决于最终大小)。使用自攻丝螺钉来将该构造安装在太阳能电池板(6)的后表面框架(5)上。安装三对MC4连接器(9)以允许模块化扩展(典型地到一侧)，将其不对称放置以允许PV电池板的最佳包装。

箱(8)的紧凑设计允许与不同类型的商用PV太阳能电池板集成。因此，在一个实施例中，蓄电池单元(2)和MPPT充电控制器(3)容纳在用顶盖(1)封闭的箱(8)内。在优选的实施例中，蓄电池单元(2)和MPPT充电控制器(3)紧固至顶盖(1)的下侧或内表面上。在另一个优选的实施例中，顶盖(1)起到散热器的作用。

箱状下部(8)与PV电池板(6)的后表面之间的间隙用于两个重要用途：首先它通过防止PV电池板与箱状下部(8)之间直接接触来将这两者之间的热传递最小化；其次该间隙建立允许环境空气在这两者的表面之间流动并且通过自然对流流动让经加热的空气逸出至环境的自然通道或空气管道。这两个功能帮助降低PV电池板温度，由此实现适于安装在箱状下部(8)内侧上的太阳能储存模块的蓄电池和电子部件的工作条件。在一个实施例中，该间隙具有平行侧面，即PV电池板(6)的后表面的平面与箱状下部(8)的平面是基本上平行的。

在进一步的实施例中，因此提供了一种太阳能储存模块，其中，在PV电池板(6)与封闭箱(8)之间限定了间隙，以允许空气流穿过PV电池板(6)与封闭箱状下部(8)的表面之间。在优选的实施例中，该间隙应应至少为10-20mm、优选地15mm。可以通过自然对流或者借助于风扇或通风器或其他人造装置来产生空气流。

在进一步的实施例中，通过由蓄电池单元(2)供电的横流式风扇(21)的作用并将其放在所述封闭箱(8)的下方，来使空气流被迫动或吹动穿过PV电池板(6)与封闭箱状下部(8)之间的间隙。

在又进一步的实施例中，冷却装置能够将蓄电池单元(2)维持在不超过55℃的温度下。在优选的实施例中，冷却装置能够针对最高达50℃的环境温度将蓄电池单元(2)维持在不超过40℃的温度下。

因此在本发明的优选实施例中，提供了一种可拆卸太阳能储存模块，该模块包括以下部件：

a.蓄电池单元(2)；

b.对该蓄电池单元(2)充电的PV电池板(6)；

c.电连接至该蓄电池单元(2)和该太阳能电池单元(6)上的最大功率点跟踪(MPPT)充电控制器；该MPPT不断地

I.将PV电池板(6)的输出与实际蓄电池电压进行比较，

II.提供所需的PV电池板(6)以及蓄电池单元(2)的输出以匹配负载(10+14)，

III.优化PV太阳能电池板(6)的输出，并且

IV.将PV太阳能电池板(6)的输出转换为对蓄电池单元(2)充电所需的最佳电压；

d.用于减少从PV电池板(6)到蓄电池单元(2)的热传递的隔热装置；以及

e.用于将该蓄电池单元(2)维持在不超过阈值的温度下的冷却装置，

其中，所有部件a-e均容纳在单一模块内，并且其中，蓄电池单元(2)和MPPT充电控制器(3)进一步容纳在用顶盖(1)封闭的箱(8)内，其中，所述蓄电池单元(2)和MPPT充电控制器(3)固至顶盖(1)的下侧或内表面上。

如上所述，通过将蓄电池单元(2)和其他部件安装在箱状下部(8)内，例如在箱(8)的顶盖(1)上，在箱状下部(8)内、在蓄电池表面与该间隙之间创建一定体积的静态空气。静态空气层具有隔热效果，该效果减少这些部件与PV太阳能电池板的后表面之间的热传递。可以应用其他隔热装置，比如矿物或玻璃棉层、或多孔无机材料，比如二氧化硅气凝胶或另一种具有低导热性的耐温隔热材料。特别是在空气湿度高的情况下，当在太阳能储存模块内存在结露的风险时，还可以使用闭孔隔热装置。因此可以应用闭孔喷涂泡沫层，比如聚氨酯泡沫层。

因此，在另一个实施例中，提供了根据本发明的第一方面的太阳能储存模块，其中，所述用于减少从PV电池板(6)到蓄电池单元(2)的热传递的隔热装置由封闭箱状下部(8)内的静态空气体积组成。

在另一个实施例中，所述用于减少从PV电池板(6)到蓄电池单元(2)的热传递的隔热装置进一步包括隔热材料层，所述隔热材料选自：矿物棉、玻璃棉、或多孔无机材料，比如二氧化硅气凝胶或另一种具有低导热性的耐温隔热材料。

在又一个实施例中，所述用于减少从PV电池板(6)到蓄电池单元(2)的热传递的隔热装置包括闭孔喷涂泡沫层，比如聚氨酯泡沫。

此外，通过确保箱(8)的顶盖(1)的下层面与蓄电池单元(2)及其他部件的表面之间的良好接触，例如通过使用适合的散热膏，顶盖(1)起到高效散热器的作用，将所生成的和/或所吸收的热量通过环境空气散发到环境中。这种被动冷却的增大有助于保持主要电池的温度低，由此确保更长的电池使用寿命。

该可拆卸太阳能储存模块具有标准PV太阳能电池的适当外部尺寸，即大致1600×1060mm以及约80mm的深度。这些尺寸可以在变型之间不同。

该可拆卸太阳能储存模块的机械构造已经被设计成被动地使空气能够自然对流地流过该模块，这在正常条件下足以维持蓄电池单元(2)和电子部件的适合的工作温度。对于具有过热气候的地理区域，该可拆卸太阳能储存模块可以装备有用于去除热量的有源装置，比如风扇或热电元件，这些可以由集成蓄电池单元(2)供电。该可拆卸太阳能储存模块可以从太阳能空调单元上拆下并且放在其他地方，在这种情况下，必须安装更换的前面板以覆盖空调单元内的其余部件和电子器件。

PV电池板(6)负责产生电能。电流和电压取决于电池板的类型和数量。根据本发明的优选实施例，采用了背面接触式或后部接触式太阳能电池板，因为它们通过将全部或部分前部接触栅移动到装置的后部或背面来实现更高的效率。电池前部的阴影减少可能产生更高的效率。在另一个优选的实施例中，在太阳能储存模块内集成一个PV电池板(6)，还能够连接至少一个或两个附加PV电池板(32)。

在一个实施例中，该可拆卸太阳能储存模块装备有一个PV太阳能电池板(6)。在另一个实施例中，太阳能空调单元由总计两个PV太阳能电池板供电。在又一个实施例中，太阳能空调单元由总计三个PV太阳能电池板(6+32)供电。

在实施例中，这一个或多个PV太阳能电池板选自预期日产量在1.5kWh-2kWh之间的商业可用选项，日产量取决于电池板的地理位置、一年中的某个时间、以及特定角度和方位。在优选的实施例中，优选的PV太阳能电池板是SunPower E20/333Wp电池板。

由于间歇负载或由于PV太阳能电池板(6)的生产过剩，需要蓄电池单元(2)来储存未被使用的所产生能量。这使得可拆卸太阳能储存模块能够在没有产生电力时或者当冷却的需要高于PV太阳能电池板(6)所产生的电力时继续排放所需的能量。根据本发明的太阳能供电的空调单元还可以在PV太阳能电池板(6)产生的电力和蓄电池单元中储存的能量都不足以对空调单元供电的情况下通过外部电力(包括电网电力)来供电。

根据本发明的可拆卸太阳能储存模块的紧凑设计需要具有能量密度高且效率高的蓄电池，从而引起较低的热量产生。尤其是由于智能手机的迅速发展，锂离子蓄电池技术在过去十年中有了显着的改进。它们的高能量密度、良好的充电/放电能力、以及高效充电使其在紧凑型设计中的使用较为理想。

在本发明的优选实施例中，蓄电池单元(2)是一个或多个锂离子蓄电池。锂离子(Li离子)蓄电池具有高能量密度，这有助于保持小的形状因子，这对于所期望的可拆卸太阳能储存模块的紧凑设计是至关重要的。然而，同样重要的是，与铅蓄电池相比，锂离子蓄电池在高运行温度下表现明显更好。在最高达40℃的温度下，充电/放电范围不会显着减小，而锂离子蓄电池可以承受最高达70-90℃的温度而不造成永久性损坏。但是，反复暴露于高温下的确会减少充电循环的次数，并且因此必须将其保持在最低限度，并且温度不应长时间超过45℃。锂离子蓄电池可以选自磷酸铁锂蓄电池、钴酸锂蓄电池、锰酸锂蓄电池、钴锰酸锂蓄电池、或其任何组合。锂离子蓄电池涵盖各种各样不同的变型。类似LiNi_xMn_yCo₂O₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄的类型均可以潜在地被使用。在优选实施例中，选择具有扁平形式并因此具有大的表面积与体积比的锂离子蓄电池，从而将用于散热的可用表面积最大化。满足能量密度要求并具有小的形状因子的其他蓄电池单元类型也是可能的。

在另一个实施例中，蓄电池单元(2)包括热传感器、和集成的热电元件(22)，比如帕耳贴装置，以将蓄电池冷却到最佳运行条件。热电元件(22)与小的风扇(21)以及两个小的散热器耦合。在蓄电池内部，热电元件(22)引发冷侧，该冷侧冷却附着至冷侧上的散热器。这个散热器冷却周围的空气，周围的空气通过风扇被吹出经过一个或多个蓄电池，由此来冷却它们。暖侧连接至蓄电池单元(2)外侧的散热器上，在该散热器处散热。热电元件(22)以及风扇(21)从蓄电池单元(2)汲取电力，并且由内置微芯片控制。放在蓄电池单元(2)上的热传感器告知***何时启动。

在优选实施例中，所选择的锂离子蓄电池是容纳在不锈钢壳体中的24V 19.8AhLi-CNM(锂镍锰钴氧化物)蓄电池。

最大功率点跟踪(MPPT)充电控制器(3)负责将电压向下转换到可以用于对蓄电池单元(2)充电并最终对冷却模块供电的水平。MPPT能够使其能够优化PV电池板(6)的电力输出，以确保实现最高可能的发电量。

MPPT(3)包括可以耦合至蓄电池单元(2)上的热传感器。这允许MPPT(3)在温度升高到高于预设值时停止充电或放电过程。

在运行时，当来自PV-电池板(6)的电力大于冷却模块的要求时，MPPT(3)对蓄电池单元(2)充电。如果来自PV-电池板(6)的电力降低至小于所需的负载，则蓄电池单元(2)将会放电以补偿是否储存足够的能量。如果蓄电池单元(2)被充满电并且来自PV-电池板(6)的电力超过所需的负载，则电力产生将随着MPPT(3)调整电阻而减少。

太阳能***中最常用的两种类型的充电控制器是脉宽调制(PWM)和最大功率点跟踪(MPPT)。这两者根据蓄电池的充电量调整充电速率，以允许充电更接近电池的最大容量并监视蓄电池温度以防止过热。选择优于较简单的PWM的MPPT，因为它可以提供所产生电力的大幅度增大。由于本发明的冷却单元的可预见耗电量，从太阳能电池板获得最大量能量是高度优先的。

优选的MPPT需要能够处理来自PV电池板一侧的最高达20A。这使得能够并联连接至总峰值功率为1kW的多达三个PV电池板或更多个电池板。此外，MPPT需要具有能够覆盖54,7V的跟踪范围，并且能够处理65.3V+15％或大致75V的开路电压。

通过使用MPPT充电控制器，跟踪范围可能成为问题。由于大多数电信冷却***都需要48V，因此使太阳能储存模块的DC变型在48V下运行也是最佳的。这可能会减小MPPT和逆变器处理(允许使用较小的部件)所需的最大电流。但是，48V***的一般MPPT跟踪范围为从60-100V至60-120V的范围。由于大多数高性能的96太阳能电池板具有的额定电压低于最小跟踪值(例如，52V)，因此48V***将停止降低太阳能电池板产生的潜在电力。此外，甚至在没有MPPT限制的情况下，额定电压低于60V的电池板也存在对蓄电池充电的问题，因为48V锂离子蓄电池的正确充电电压为大致56-58,4V。这会导致充电缓慢且电池容量受限等其他并发问题。为了适应这种情况，可以在负载与MPPT/充电控制器之间安装DC/DC 24V至48V(15)转换器。替代性地，可以代替地使用两个72太阳能电池板。它们各自具有的最大电源电压都在35-37V左右，因此通过串联连接两个PV电池板，电压增大到70-74V，也在48VMPPT的跟踪范围内。这种设置可以通过两个或更多个PV电池板串联而扩大。因此这是本发明的专门针对用于电信冷却***的DC变型的优选实施例。

在使用48V蓄电池时，MPPT跟踪范围的限制是由于MPPT的充电算法引起的。由于大多数MPPT仅能将电压向下转换为充电电压，因此要实施安全切断以保证充电时具有足够高的电压。对于12V/24V/48V蓄电池而言，通常分别在15V/30V/60V时切断。

而且，当使用锂离子电池时重要的是，MPPT具有针对那个特定类型的专用充电算法。否则存在损坏蓄电池的巨大风险。这显著限制了市场上可行的MPPT的数量，因为锂离子蓄电池的使用仍然是新的，但还没有作为标准被支持。

识别正确的MPPT需要比较至少20个不同的选项，其中不仅价格、尺寸和容量是决定性的。在尝试将成本降至最低时，必须满足以下MPPT要求：

·能够在24V蓄电池与48V蓄电池之间切换。

·能够处理65.3V开路电压

·能够在54.7V+/-10％下跟踪

·最小充电电流为20A

·最小电池板输入为1kW

·最小负载输出为0.66kW

·最大高度为60mm以满足紧凑设计的要求

·允许对各种蓄电池类型(但至少离子蓄电池)充电，其中一些MPPT类型仅限于铅酸

·允许容量和尺寸不同的大范围PV电池板

在一个优选实施例中，所采用的MPPT(3)是爱庞德(I-panda)公司(深圳市爱庞德新能源科技有限公司)的40A MPPT。由于上述48V蓄电池的安全切断，需要40A MPPT提供1kW的输出。

根据本发明的冷却模块包括三个功能部件：蒸气压缩型制冷***、气流室(内部和外部)、以及一个或多个通风风扇。

冷却模块由可拆卸太阳能储存模块供电、并且可以在阳光不足或太阳能储存模块中存储的能量不足的情况下通过来自电网的电力作为备用来支持。当电网连接成为可能时，这允许额外的灵活性，从而甚至在蓄电池单元(2)空了之后也允许***提供电力。通过AC/DC转换器(12)将电力作为AC电流从电网插座吸入太阳能储存模块中。根据蓄电池单元(2)的当前电压，在***内部，开关(13)将在PV电池板/蓄电池与电网电力之间进行切换。

蒸气压缩型制冷回路装备有一个、两个、或更多个热交换器，即一个或多个冷凝器(28)，以及一个或多个蒸发器(22)。蒸发器(22)将通过内部空气进气口(24)从建筑物内部吸入内部空气，并将其引导穿过内部流室并通过内部空气排气口(25)以较低温度将其送回，由此有效地再循环并冷却建筑物内的空气。在实施例中，适合的过滤装置优选地位于内部空气进气口(24)和/或内部空气排气口(25)中或与之相邻，所述过滤装置优选地是可更换的。该过滤装置可以是HEPA类型。

太阳能空调单元正在运行(即，冷却)时进气口(24)与排气口(25)之间的可实现温度差取决于许多因素，例如相对湿度和绝对温度，但典型地将会总计在5-15℃之间，比如10℃左右。

为了优化进气流(24)，将蒸发器旋转并安装在风扇阵列风扇(23)的相对侧。使用了两个窄的蒸发器而不是一个大的蒸发器，以适应冷却模块的设计，因为较宽的热交换器会使设计太笨重。如上所述，内部流室是封闭的，因此它只允许空气在建筑物内再循环。在内部流室的底部放置用于去除在潮湿的暖空气与蒸发器的顶部接触时冷凝的水的冷凝物排出口(26)。流动路径由模制的发泡聚苯乙烯墙(19)或将内部与外部流室分开的类似合适材料来限定。流动路径已经被设计为优化气流，由此确保最佳的蒸发器性能。随着环境空气进入环境空气进气口(27)并且借助于冷凝器风扇(29)被抽吸穿过冷凝器(28)，空气通过接触PV电池板(6)的后侧而被加热。外部流室中的环境空气的温度升高产生自然浮力，从而增大气流横穿蒸发器并通过环境空气排气口(30)离开。聚苯乙烯壁(19)具有附加用途。由于像发泡聚苯乙烯等材料具有高隔热特性，所以流动路径的设计有助于防止两个流室或周围环境之间的任何意外热传递。

因此，在优选的实施例中，提供了一种用于用太阳能空调单元来冷却气流的方法，所述方法包括以下步骤：

a.优选地借助于通风、比如借助于蒸发器风扇(23)来使气流穿过该太阳能空调单元中的至少一个内部空气进气口(24)，

b.使该气流穿过被置于该太阳能空调单元内部的该内部流室中的蒸发器(22)，由此该气流通过该蒸发器(22)被冷却，

c.使经冷却的气流穿过该太阳能空调单元中的至少一个内部空气排气口(25)，

其中，该蒸发器(22)连接至该太阳能空调单元内的蒸气压缩型制冷***上、进一步连接至冷凝器(28)，该冷凝器是被通过冷凝器风扇(29)提供穿过该环境空气进气口(27)的环境气流冷却的，并且其中，该蒸气压缩型制冷***以及风扇(23)和(29)由该蓄电池单元(2)供电。

在进一步优选的实施例中，提供了一种用于用太阳能空调单元向房间或建筑物提供经冷却的气流的方法，所述方法包括以下步骤：

a.优选地借助于通风、比如借助于该太阳能空调单元中所包括的蒸发器风扇(23)来提供从该房间或建筑物穿过该太阳能空调单元中的至少一个内部空气进气口(24)的气流，

c.使经冷却的气流穿过该太阳能空调单元中的至少一个内部空气排气口(25)返回至该房间或建筑物，

在进一步优选的实施例中，该内部空气进气口(24)与该内部空气排气口(25)之间的温度差在5-15℃之间，比如约10℃。

在进一步的实施例中，房间或建筑物内的空气是通过进入内部空气进气口(24)并且离开内部空气排气口(25)而被冷却和再循环的。

在第二方面，提供了一种包括与本发明的第一方面相同的部件的太阳能空调单元，但是其中，蒸发器(22)、蒸发器风扇(23)、冷凝物排出口(26)、以及膨胀阀(34)以单一单元放在室内，参见图5。室内单元优选地装入塑料外壳中以防止触及移动部件，并且在进一步的实施例中容纳有最终用户在没有远程控制的情况下控制***的装置。

使用单独的室内单元具有以下优点：

·需要穿过房屋外墙钻出较小的孔，

·允许更容易地将出气口放置在房间内。将出口高高地放置在天花板附近有助于防止热空气上升时房间内温度梯度的积聚。另外，当冷空气落到地板上时，房间内空气循环将受益于自然对流力。

控制模块及其远程控制允许最终用户对穿过太阳能空调单元再循环的空气设定期望的温度。其还允许将冷却期限定为几个小时，或者设定一天中开始和取消冷却过程的时间。在实施例中，远程控制与控制模块之间的通信可以使用加密协议进行数据传输。

在一个实施例中，控制模块及其远程控制包括用于控制再循环/通风的装置。在另一个实施例中，控制模块及其远程控制进一步包括用于控制所述太阳能空调单元所连接的房间的温度的装置。在另一个实施例中，控制模块及其远程控制进一步包括用于控制该太阳能空调单元内部的温度的装置。

因此，在进一步的实施例中，提供了一种可以借助于该控制模块、可选地借助于远程控制来控制穿过该内部流室的空气流动的方法。

因此，在进一步的实施例中，提供了一种可以借助于该控制模块、可选地借助于远程控制来控制离开内部空气排气口(25)的空气的温度的方法。

根据本发明的框架具有以下功能：

·提供结构强度，允许太阳能供电A/C装置的每个部件被牢固地安装并固定。

·提供将***安装和安置在墙上的简便方式。

·在使用分体式***配置时，允许容易安装太阳能储存模块或将其更换为装饰性正面。

·允许附接外壳或壳体，所述外壳或壳体将太阳能供电空调装置的内部遮挡以免受环境影响。

另外，该框架被构造为允许太阳能空调单元被配置为分体式***，其中，可拆卸太阳能储存模块从该单元的其余部分上拆下并且用装饰性正面来更换。接着可以将被拆卸的太阳能储存模块放在接收更多阳光、或者不会被可能投上阴影的树木或其他结构遮阴的位置上。该框架构造进一步允许将一个、两个、或更多个附加PV电池板附接至太阳能空调单元上，由此显著提高其最大冷却能力。替代性地，可以连接一个、两个或更多个可拆卸太阳能储存模块，由此不仅增大了太阳能空调单元的最大冷却能力、此外还增加了大量的后备电力。

该框架优选得由铝或类似的高强度且轻质的金属或金属合金、或玻璃纤维或类似的增强聚合材料制成。太阳能供电空调装置的内部通过附接至框架上的外壳或壳体而被密封以免暴露在环境下。该外壳可以由玻璃纤维或类似材料制成。

因此，本发明的太阳能供电空调装置的机械设计总体上已经被开发来解决以下挑战：

·防止部件、尤其蓄电池单元过热

·防止再循环气流变热

·防止意外触及携带电流的部件，

·保护部件不暴露在天气和一般环境下，由此延长部件的使用寿命和耐久性

·在生产过程中允许容易且高效的组装

·允许***容易模块化扩展更多蓄电池单元和/或PV电池板

·允许拆下太阳能储存模块，当这是对最终用户更好的解决方案时

·允许将冷却模块部分分开并将某些部分放在室内，当这是对最终用户更好的解决方案时

·确保电子元件和PV电池板之间的良好集成

根据本发明的太阳能供电空调装置可以应用于建筑物以对整个建筑物或对建筑物内的仅一个或多个房间进行冷却和/或通风。该太阳能供电空调装置可以安装在外墙和/或屋顶构造上、或者内置于建筑物的这些部分中。该太阳能供电空调装置的外部设计可以例如通过使用用于外壳和/或更换正面的各种材料而变化，以使其适合各种建筑物构造。在本发明的一个实施例中，在太阳能供电空调装置的外侧上应用硬化的玻璃正面或玻璃面板，以便为该太阳能供电空调装置提供窗口状外观。根据本发明的太阳能供电空调装置不限于将建筑物冷却和/或通风。根据本发明的太阳能供电空调装置还可以提供汽车、卡车、大篷车、活动房屋、船舶等等的冷却和/或通风。根据本发明的太阳能供电空调装置还可以提供冰箱容器等等的冷却和/或通风。

Claims

1.一种太阳能空调单元，包括以下部件：

a.可拆卸太阳能储存模块，该太阳能储存模块包括：

I.蓄电池单元(2)；

II.对该蓄电池单元(2)充电的光伏(PV)太阳能电池板(6)；

以及

b.冷却模块，该冷却模块包括：

VI.蒸气压缩型制冷***；

VII.内部流室和外部流室；

VIII.一个或多个通风风扇；

X.进管和出管以及进线和出线，

以及

c.允许远程控制该太阳能空调单元的控制模块，

以及

2.如权利要求1所述的太阳能空调单元，其中，该PV电池板(6)是背面接触式或后部接触式太阳能电池板。

3.如权利要求1或2所述的太阳能空调单元，其中，该蓄电池单元(2)和该MPPT充电控制器(3)容纳在用顶盖(1)封闭的封闭箱(8)内，其中，所述蓄电池单元(2)和MPPT充电控制器(3)被紧固至该顶盖(1)的下侧或内表面上，所述箱(8)被紧固至PV电池板(6)的后侧上。

4.如以上权利要求中任一项所述的太阳能空调单元，还包括过滤装置，该过滤装置优选地位于内部空气进气口(24)和/或内部空气排气口(25)中或与之相邻，所述过滤装置优选地是可更换的。

5.如以上权利要求中任一项所述的太阳能空调单元，还包括用于控制通风的装置。

6.如以上权利要求中任一项所述的太阳能空调单元，还包括用于控制所述太阳能空调单元所连接的房间的温度的装置。

7.如以上权利要求中任一项所述的太阳能空调单元，还包括用于控制所述太阳能空调单元内部的温度的装置。

8.一种用于用太阳能空调单元来冷却气流的方法，所述方法包括以下步骤：

9.一种用太阳能空调单元来冷却房间或建筑物的方法，所述方法包括以下步骤：

其中，该蒸发器(22)连接至该太阳能空调单元内的蒸气压缩型制冷***上、进一步连接至冷凝器(28)上，该冷凝器是被通过冷凝器风扇(29)提供穿过该环境空气进气口(27)的环境气流冷却的，并且其中，该蒸气压缩型制冷***以及风扇(23)和(29)由该蓄电池单元(2)供电。

10.如权利要求8或9所述的方法，其中，该内部空气进气口(24)与该内部空气排气口(25)之间的温度差在5-15℃之间，比如约10℃。

11.如权利要求9所述的方法，其中，房间或建筑物内的空气是通过进入内部空气进气口(24)并且离开内部空气排气口(25)而被冷却和再循环的。

12.如权利要求8或9中任一项所述的方法，其中，能够借助于该控制模块、可选地借助于远程控制来控制穿过该内部流室的空气流动。

13.如权利要求8或9中任一项所述的方法，其中，能够借助于该控制模块、可选地借助于远程控制来控制离开内部空气排气口(25)的空气的温度。