太阳能制冷技术的特点与现状

　第 25卷第 1期 上 海 电 力 学 院 学 报 Vol. 25, No. 1 　2009年 2月 Journal　of　Shanghai　U niversity　of　E lectric　Pow er Feb. 　2009 　　文章编号 : 1006 - 4729 (2009) 01 - 0075 - 04 太阳能制冷技术的特点与现状 　　收稿日期 : 2008 - 06 - 04 作者简介 :段芮 (1979 - ) ,女 ,讲师 ,安徽宿州人.主要研究方向为强化传热及太阳能制冷. E2mail: fall1979@163. com. 段　芮 (上海电力学院 能源与环境学院 ,上海 　200090) 摘 　要 : 太阳能制冷具有环保节能的优点. 介绍了各种太阳能制冷技术的原理、特点及存在问题 ,指出提高太 阳能的利用效率和降低成本是其实用化的关键所在. 关键词 : 太阳能 ;制冷技术 ;特点 ;现状 中图分类号 : TK511. 3　　　文献标识码 : A Character istics and Current Situation of Solar Refr igeration DUAN Rui (School of Therm al Pow er & Environm enta l Eng ineering, Shangha i U niversity of E lectric Pow er, Shangha i　200090, Ch ina) Abstract: 　Solar refrigerators are energy savers that are environment friendly. The mechanism and characteristics and shortcom ings of several types of solar refrigeration system s are introduced. Increasing efficiency of solar energy use and reducing costs are the crux in p romoting the app lication of solar refrigeration. Key words: 　solar energy; refrigeration technology; characteristics; current situation 　　太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁、可 再生绿色能源. 国家发改委《可再生能源发展“十 一五 ”规划 》提出 ,到 2010年可再生能源在能源 消费中的比重达到 10% ,比 2005年提高 2. 5个 百分点 ,全国可再生能源年利用量达到 3亿吨标 准煤. 利用太阳能制冷是太阳能应用的一个重要 方面 ,是一个极具发展前景的领域 ,也是当今制冷 界技术研究的热点之一. 军用、航空、气象、沿海岛 屿、远洋捕捞等领域对太阳能制冷有着迫切的需 求. 实现太阳能制冷主要有两条途径 :一是光热 转换 ,以热制冷 ,如吸收式制冷、吸附式制冷 ;二是 光电转换 ,以电制冷 ,如光电制冷、热电制冷 [ 1, 2 ] . 光电转换的制冷方法由于成本较高 ,实际推广和 应用较少 ;以热制冷方式由于其相对廉价而备受 青睐. 以热制冷主要有 3种方式 ,即 :太阳能吸收 式制冷 ;太阳能吸附式制冷 ;除湿蒸发冷却. 1　太阳能吸收式制冷 太阳能吸收式制冷系统采用平板或热管型真 空管集热器来收集太阳能 ,用来驱动单效、双效或 双级吸收式制冷机 ,工质主要采用 L iB r2H2 O,如 图 1所示. 当太阳能不足时可采用燃油或燃煤锅 炉进行辅助加热. 其工作原理是利用太阳能集热器采集热量加 热水. 再以热水加热发生器中的溶液 ,产生冷凝蒸 汽 ,制冷剂经过冷却、冷凝和节流降压在蒸发器中 由液体汽化吸热实现制冷 ,之后制冷剂蒸汽被吸 收器中的吸收溶液吸收 ,吸收完成后再由泵加压 将含有制冷剂的溶液送入发生器进行加热蒸发 , 完成一个制冷循环. 图 1　太阳能吸收式制冷系统 　　吸收式制冷技术是出现最早的制冷方法 ,技 术相对成熟 ,已有很多成功的实例. 例如我国首座 大型太阳能空调系统 [ 1 ] ,制冷能力可达 100 kW , 冷媒水温度 6～9 ℃,热源水温在 60～75 ℃,能很 正常地制冷 , COP初步预算大于 0. 4,可以满足面 积超过 600 m2 的办公和会议室的空调需求. 近年 来适合于太阳能利用的吸收式制冷机也有了很大 发展 ,低温热水型两级吸收式溴化锂制冷机的热 源温度只需 60 ℃以上. 同时 ,温度为 80 ℃以上的 热源驱动单效吸收式制冷机 ,其系统的 COP值可 达到 0. 7;而若温度低于 80 ℃,可用其驱动双效 吸收式制冷机 ,则系统的 COP值约为 0. 35. 目前 ,商用溴化锂吸收式制冷机虽然存在易 结晶、腐蚀性强及蒸发温度只能在 0 ℃以上等缺 陷 [ 3, 4 ] ,但仍在空调领域得到大量应用. 另一种常 用工质对 ———氨水工质对 ———具有互溶极强、液 氨蒸发潜热大、可以得到很低的蒸发温度等优点 , 至今仍被广泛应用于各类吸收式制冷机. 但氨水 工质有一些致命的缺陷 ,如 COP较溴化锂小 ,工 作压力高 ,具有一定的危险性 ,有毒 ,氨和水之间 沸点相差不够大 ,需要精馏等. 吸收式空调采用溴化锂或氨水制冷机 , 虽然技术相对成熟 ,但目前我国尚未实现小功率 溴化锂制冷机商品化生产 ,现有产品功率偏大 ,与 其配套的太阳能热水系统面积太大 ,同时辅助能 源又不可缺少 ,以致系统成本比压缩式高 ,主要用 于大型空调如中央空调等. 2　太阳能吸附式制冷 一个基本的吸附式制冷系统由吸附床 (集热 器 )、冷凝器、蒸发器和阀门等构成 ,如图 2所示. 太阳能吸附式制冷系统的制冷原理 ,是利用 吸附床中的固体吸附 (如活性炭 )对制冷剂 (如甲 醇 )的周期性吸附、解吸附过程实现制冷循环 ,即 当无阳光暴晒加热时 ,吸附剂在较低温度下对制 冷剂进行吸附压缩 ,导致液态的制冷剂在蒸发器 内汽化吸热 ,从而使包含蒸发器的空间温度下降 , 达到制冷的目的. 此过程一般在夜间进行. 当吸附 剂处于阳光曝晒的加热状态时 ,夜间被吸附的气 态制冷剂受热脱附 ,离开吸附床 ,过冷凝器时凝结 为液体 ,流回蒸发器中 ,等待下一循环的蒸发、吸 热过程的开始. 通常 ,吸附剂装入吸附床 (集热 器 )中 ,以接近垂直的角度接收太阳光线的辐射 加热 ,制冷剂装入蒸发器中. 图 2　太阳能吸附式制冷系统 　　该系统有两种形式 :一种为利用昼夜交替实 现自然循环的间歇式太阳能吸附式制冷系统 ,通 常用于夜间制冰 ,但生产周期较长 ;另一种是连续 性太阳能吸附式制冷系统 ,即利用多个吸附床交 替地进行吸附和脱附、并在吸附床之间发生热交 换的连续性回热式循环制冷系统. 作为一种不采用氟利昂制冷剂的制冷技术 , 太阳能固体吸附式制冷成为制冷界研究的热门课 题之一 ,同时它具有结构简单、运行效率高、不消 耗常规能源 (如煤、电和化石燃料等 ) ,而且具有 噪音小、寿命长、安全性好 ,以及无需考虑腐蚀问 题等优点. 大量研究结果表明 :许多先进的固体吸 附式制冷循环 (如连续回热循环、热波循环和对 流热波循环等 )具有良好的特性 [ 4 ] ,但系统的性 能并未达到实际应用的要求. 目前太阳能固体吸附式制冷系统制冷效率较 低 ,难以与其他形式的制冷系统相比 ,虽然不断有 各种制冷样机研制成功的报道 ,但离商业化应用 仍有较大差距. 因此 ,吸附床传热、传质性能如何 进一步强化 ;吸附床 /集热器白天的集热和夜间的 67 上 　海 　电 　力 　学 　院 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　2009年 散热之间的关系如何有效地解决 ;如何提高集热 器的集热效率 ;工质对的选取研究工作 ;如何将夜 间的制冷量有效地贮存到白天使用 ;对于以甲醇 和水等低蒸汽压吸附质作为制冷剂的负压系统 , 如何长期维持系统的真空度等. 这些都是需要进 一步解决的关键问题. 3　太阳能冷管 针对以甲醇和水等低蒸汽压吸附质作为制冷 剂的负压系统 ,难以长期维持系统的真空度问题 , 上海交通大学刘震炎教授等 [ 5 ]在国际上率先提 出并负责研制成功了“太阳能冷管 ”. 以玻璃管代 替金属材料 ,在一根管子内完成太阳能热泵与制 冷循环 ,解决了系统的真空密封性问题 ,并对吸附 床的传热、传质进行了改进. 太阳能冷管是一种特 殊的吸附式制冷系统. 冷管的结构如图 3所示 ,包括吸附 /集热器、 冷凝器和蒸发器. 图 3　太阳能冷管示意 　　每一个管自成制冷与供热单元 ,其壳体采用 高强度、耐热好和透过率高的高硼硅玻璃管 ,利用 昼夜温度变换周期地实现间歇式制冷. 冷管的上 端为吸附床段 ,其内填充自行研制的中空圆柱型 复合吸附剂块 ,复合吸附剂块以 13X沸石为主 ; 中部为冷凝段 ,外接水箱 ,利用水的自然对流进行 冷却 ;下端的蒸发器内填充制冷剂. 当需要较多冷 量时 ,可把多根冷管组合使用. 为使吸附床直接吸 收太阳能 ,在复合吸附剂的外表面涂以对太阳光 有较高吸收率的活性炭涂层 ,因为活性炭是一种 良好的吸附剂. 冷管的制冷剂采用加有少量添加 剂的水 ,这种制冷工质完全无毒 ,对环境无任何不 良影响. 太阳能冷管型制冷系统主要由太阳能冷管、 集热箱、制冷箱、蓄冷器、冷却水回路等组成. 由于 太阳能吸附式制冷是间歇式的 ,因此增设一个蓄 冷器. 4　太阳能除湿蒸发冷却空调系统 太阳能除湿蒸发冷却制冷方式分为固体除湿 蒸发冷却和液体除湿蒸发冷却两种. 由于固体除 湿存在系统庞大、再生温度高、系统相对比较复杂 等缺点 ,溶液除湿蒸发冷却制冷越来越受到重视 , 清华大学、东南大学等高校分别在此领域进行了 比较深入的研究. 溶液除湿蒸发冷却空调系统利用溶液除湿剂 对湿空气进行除湿干燥 ,然后将这部分空气送入 直接蒸发冷却器 ,产生冷水或者温度较低的湿空 气. 制取冷冻水的流程如图 4所示. 图 4　溶液除湿蒸发冷却系统 　　常用的除湿剂有氯化锂、氯化钙、溴化锂及它 们的混合物. 溶液再生温度通常在 55～75 ℃,能 较好地利用太阳能作为系统主要驱动能源. 太阳 能驱动的溶液除湿蒸发冷却空调系统的热力系数 可达到 0. 7,是一种具有节能和环保双重优势的 新型制冷空调方法 [ 6 ] . 相对于吸收式制冷方式 ,溶液除湿蒸发冷却 系统有着显著的优势. (1)需要的驱动热源温度低 ,一般 55～75 ℃ 均能满足系统运行要求 ;能有效地利用如太阳能、 工业余热、废气余热等低品位热源. (2)空调系统所有装置设备均在大气压环境 下运行 ,无真空密封要求. (3)系统主要部件少 ,结构简单. (4)系统风量大 ,温湿度容易控制调节 ,新风 量大 ,空气品质好. 目前 ,溶液除湿蒸发冷却制冷的研究主要集 77　　　　　　　　　　　　　　　　　　段 　芮 :太阳能制冷技术的特点与现状 中在除湿剂 ,包括混合溶液除湿剂性能、除湿器再 生器的设计与传热传质强化、系统结构流程合理 设计、溶液独立除湿空调系统等方面. 如何解决除 湿剂对设备的腐蚀性和强化传热、传质过程 ,使得 设备小型化 ,是溶液除湿蒸发冷却空调得以推广 的关键技术. 5　太阳能光伏制冷 这种制冷系统实质上是太阳能发电的一种应 用 ,利用光伏转换装置将太阳能转化为电能. 例如 太阳能光伏冰箱 ,就是将太阳能光伏电池、无刷直 流电动压缩机、冰箱壳体及制冷系统连接起来所 得到的一种制冷装置 . 利用太阳能光伏电池将太 阳能转化成直流电 ,直接推动无刷直流电动压缩 机运转 ,从而实现冰箱的制冷运行. 　　太阳能光伏冰箱原理图如图 5所示. 图 5　太阳能光伏冰箱原理示意 　　广东工业大学陈观生、张仁元 [ 7 ]通过表 l来 说明太阳能光伏冰箱与常规冰箱相比有无竞争 力 ,为了使结果具有可比性 ,以 BCD2180型常规 冰箱 (压缩机功率为 70 W ,耗电量为 0. 03 kW h) 作为比较的基础. 表 1　太阳能光伏冰箱与其他类型冰箱的技术经济比较 项　目 电池板面积 /m2 电池板功率 /W 目前电池板价格 /元 预计 2010年 电池价格 蓄电池及自控 系统价格 元 电效率 /% 压缩机 功率 /W 太阳能光伏冰箱 0. 9 137. 3 5 490 1 373 1 000 15 56 太阳能吸附冰箱 常规冰箱 70 项　目 电制冷系数 总制冷 效率 /% 运行 费用 / (元·天 - 1) 吸附床 面积 /m2 吸附床 价格 目前冰箱 价格 预计 2010年 冰箱价格 元 太阳能光伏冰箱 2. 14 32. 1 0 8 500 4 300 太阳能吸附冰箱 15. 0 0 1. 72 1 500 3 500 常规冰箱 1. 70 0. 5 2 000 　　朱军山 ,徐岳生等人 [ 8 ]在吸取国内外已有太 阳能冰箱 /冷柜研究成果的基础上优化整个系统 , 研制出光伏电池驱动的太阳能冰箱 /冷柜 ,该产品 主要技术性能指标如下. 光伏电池驱动的太阳能冰箱 /冷柜容积为 190 L,温度平均为 - 18～5 ℃之间调节 ,经使用 测试 ,平均正常使用时间达 97%以上. 光伏电池 的峰值功率为 300 W ,白天平均产电功率为 120 W ,日平均产电量为 0. 9 kW h,可保证大部分冰箱 耗电量的要求 ,蓄电池容量 150 AH,可蓄存 3～4 d的耗电. 德国 DANFOSS直流压缩机最大 COP 值可达 2. 0,且有保护和调速功能. 光伏电池驱动的太阳能冰箱 /冷柜完全不用 电网电力 ,依靠太阳能可以实现连续制冷 ,可靠性 高 ,节能环保 ,具有巨大的环保和社会效益 ,但其 价格是常规相同容积冰箱的 3～4倍. 相信随着光 伏电池价格的不断下降 ,太阳能光伏冰箱 /冷柜价 格也会大幅度下降 ,会有很大的市场潜力. 空调因功率比冰箱大得多 ,所以纯太阳能光 伏电池驱动的空调价格更为昂贵. 太阳能空调器 可以采用此种方式 :将太阳能电池与家用直流变 频技术相结合 ,白天太阳能电池和外接电源并用 供给空调 ,晚上只用外接电源. 该空调器具有节 能、削减用电峰值等特点. 但是 ,太阳能组件价格 是空调器价格的 3倍多 [ 9 ] ,成本太高 ,对于家庭用 户来说很难推广. 6　结束语 与压缩式制冷相比 ,目前太阳能制冷技术商 业化仍有一定距离 ,但是因为其环保节能的特点 , 决定了它良好的发展前景. 目前 ,制约其广泛应用 (下转第 86页 ) 87 上 　海 　电 　力 　学 　院 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　2009年 的是为了更好地服务客户 ,而不是拉开服务差距 , 供电企业市场细分的目的是确定不同客户的需求 特性 ,有针对性地提供客户所需要的服务. (3)用发展的眼光认识客户 ,注意培养潜在 的优质客户. 如果把注意力完全停留在现有的数 据上 ,势必会失去一些潜在的优质客户. 4　结束语 供电企业差异化营销正是针对目前中国企业 和客户信用意识淡薄而采取的营销策略 ,虽然处 在研究阶段 ,但通过实施差异化营销 ,能提高企业 和客户的信用意识 ,尽可能提高供电企业电费资 金的回收率和周转率 ,减少坏死账的发生 ,降低供 电企业的经营风险 ,减少客户违章窃电现象的发 生 ,降低供电企业的线损率和电量损失 ,提高电网 的经济运行和安全可靠性 ,同时能保证供电企业 有足够的资金投入到电源和电网建设中去 ,从而 保证客户更加方便、快捷、安全用电 ,保证供电企 业更好地为客户提供优质服务. 此外 ,也能通过客 户信用等级评价体系来调节企业的产业结构升 级 ,降低客户经营成本 ,提高企业的竞争力. 尽管 供电企业客户信用等级评价体系在初始运用过程 中会有不完善的地方 ,但我们相信通过供用电双 方在相互理解、相互信任、相互沟通、相互合作的 基础上 ,在实践运用中不断完善 ,实现供电企业和 客户的双赢. 参考文献 : [ 1 ]　YORAM W ind. Issues and advances in segmentation research [ J ]. Journal of Marketing Research, 2003, (7) : 3172337. [ 2 ]　菲利普 ·科特勒. 营销管理 [M ]. 上海 :上海人民出版社 , 2003: 3562375. [ 3 ]　李江 ,彭文兵. 电力客户信用风险评价模型研究 [ J ]. 电力 需求侧管理 , 2007, (4) : 50252. [ 4 ]　李双龙. 差异化与营销创新 [ J ]. 管理现代化 , 2007, ( 2 ) : 37239. [ 5 ]　陈靓. 浅议供电公司的客户化营销策略 [ J ]. 电力需求侧管 理 , 2007, (5) : 55256. (上接第 78页 ) 的主要原因是成本较高. 太阳能制冷要降低成本 , 一要使太阳能光伏电池价格不断下降 ;二要大力 开发高效太阳能集热板 ,提高热力学性能 ;三要走 产业化发展道路. 相信随着太阳能制冷领域的深 入拓展 ,太阳能制冷将会大有用武之地. 参考文献 : [ 1 ] 张朝昌 ,厉彦忠 ,陈曦 ,等. 太阳能制冷技术的应用与发展 [ J ]. 制冷与空调 , 2003, 3 (1) : 125. [ 2 ] 谢应明 ,顾建明. 太阳能制冷技术的现状与新构想 [ J ]. 流体 机械 , 2002, 31 (10) : 48250. [ 3 ] D IENG A O, W ANG R Z. L iterature review on solar adsorp tion technologies for ice2making and air2conditioning purposes and recent developments in solar technology [ J ]. Renewable andSustainable Energy Reviews, 2001, 5 (4) : 3132342.[ 4 ] 王如竹 ,代彦军. 太阳能制冷 [M ]. 北京 :化学工业出版社 ,2007, (1) : 33248.[ 5 ] 刘震炎 ,徐海峰 ,卢允庄. 太阳能冷管的研究及其进展 [ J ].太阳能学报 , 2004, 25 (1) : 28232.[ 6 ] 殷勇高 ,张小松 ,李应林 ,等. 蓄能型太阳能溶液除湿蒸发冷却空调系统研究 [ J ]. 东南大学学报 :自然科学版 , 2005, 35(1) : 73276.[ 7 ] 陈观生 ,张仁元. 太阳能光伏冰箱 [ J ]. 电力需求侧管理 ,2007, 9 (2) : 74276.[ 8 ] 朱军山 ,徐岳生 ,刘彩池 ,等. 一种实用型的太阳能冰箱研究[ J ]. 家电科技 , 2005, (6) : 52253.[ 9 ] 张永铨 ,巨永平.家用太阳能空调器 [J ] ,制冷 , 1993, (3) : 70272. 68 上 　海 　电 　力 　学 　院 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　2009年