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太陽(yáng)能冰箱研究及應(yīng)用前景分析

Tag：太陽(yáng)能   冰箱   研究   及   應(yīng)用   前景   分析    
　　作為冰箱消費(fèi)大國(guó)，中國(guó)每年都有上千萬(wàn)臺(tái)冰箱進(jìn)入市場(chǎng)，冰箱在給人民生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也消耗了大量的電力資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)冰箱保有量為1.3億臺(tái)，家用冰箱的城市普及率已超過(guò)90%，農(nóng)村普及率也已超過(guò)16%，其年用電量達(dá)6000億度，占居民總用電量的25%～45%。同時(shí)，目前中國(guó)仍以煤為主要資源進(jìn)行電力生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放出大量的二氧化碳和其他有害氣體。在常規(guī)能源日漸耗盡和生態(tài)環(huán)境日益惡化這兩大危機(jī)的夾擊下，推廣太陽(yáng)能冰箱可以使有害氣體的排放量得到大幅削減，有利于減輕對(duì)大氣的污染，并將推動(dòng)國(guó)內(nèi)能源的可持續(xù)利用。

　　太陽(yáng)能制冷技術(shù)的現(xiàn)狀

　　太陽(yáng)能制冷是太陽(yáng)能利用的一個(gè)重要方面，人們?cè)谶@一領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。目前，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能制冷主要有兩種形式：一種是光電轉(zhuǎn)換制冷，實(shí)際上是太陽(yáng)能發(fā)電的一種應(yīng)用，先實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，再利用太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)冰箱的壓縮式制冷系統(tǒng)；另一種是太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換制冷，其研究方向主要包括太陽(yáng)能吸收式制冷、太陽(yáng)能吸附式制冷和太陽(yáng)能噴射式制冷。

　　1.吸收式制冷系統(tǒng)。自蒸發(fā)器出來(lái)的低壓蒸氣進(jìn)入吸收器，被吸收劑強(qiáng)烈吸收，吸收過(guò)程中放出的熱量被冷卻水帶走，形成的濃溶液由泵送入發(fā)生器中，被熱源加熱后蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓蒸氣，進(jìn)入冷凝器冷卻，而稀溶液減壓回流到吸收器，完成一個(gè)循環(huán)。

　　2.吸附式制冷系統(tǒng)。工作過(guò)程由熱解吸和冷卻吸附組成，基本循環(huán)過(guò)程是利用太陽(yáng)能或者其他熱源，使吸附劑和吸附質(zhì)形成的混合物(或絡(luò)合物)在吸附器中發(fā)生解吸，放出高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器，冷凝出來(lái)的制冷劑液體由節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器。制冷劑蒸發(fā)時(shí)吸收熱量，產(chǎn)生制冷效果，蒸發(fā)出來(lái)的制冷劑氣體進(jìn)入吸附發(fā)生器，被吸附后形成新的混合物(或絡(luò)合物)，從而完成一次吸附制冷循環(huán)過(guò)程。

　　3.噴射式制冷系統(tǒng)。制冷劑在換熱器中吸熱后汽化、增壓，產(chǎn)生飽和蒸氣，蒸氣進(jìn)入噴射器，經(jīng)過(guò)噴嘴高速噴出膨脹，在噴嘴附近產(chǎn)生真空，將蒸發(fā)器中的低壓蒸氣吸入噴射器，經(jīng)過(guò)噴射器出來(lái)的混合氣體進(jìn)入冷凝器放熱、凝結(jié)，然后冷凝液的一部分通過(guò)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量后汽化，這部分工質(zhì)完成的循環(huán)是制冷循環(huán)。

　　光電轉(zhuǎn)換制冷原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但其太陽(yáng)能電池成本較高；而光熱轉(zhuǎn)換制冷雖然技術(shù)要求高，但成本低廉。吸收式制冷技術(shù)出現(xiàn)的最早，技術(shù)相對(duì)成熟，目前太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷機(jī)已廣泛應(yīng)用在大型空調(diào)領(lǐng)域，但是吸收式制冷系統(tǒng)龐大，運(yùn)行復(fù)雜，并且制冷劑存在易結(jié)晶、腐蝕性強(qiáng)、蒸發(fā)溫度只能在0℃以上等缺點(diǎn)，同時(shí)其工作壓力高，具有一定危險(xiǎn)性。在噴射式制冷技術(shù)中，循環(huán)泵是唯一的運(yùn)行部件，系統(tǒng)設(shè)置比較簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，但噴射制冷效果較低。鑒于此，目前太陽(yáng)能用于冰箱技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑主要是太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換制冷技術(shù)和太陽(yáng)能吸附制冷技術(shù)。

　　太陽(yáng)能光電制冷冰箱技術(shù)

　　太陽(yáng)能光電制冷冰箱主要包括太陽(yáng)能光伏冰箱和太陽(yáng)能半導(dǎo)體冰箱。太陽(yáng)能光伏冰箱是在普通傳統(tǒng)壓縮式冰箱基礎(chǔ)上研制成的，由太陽(yáng)電池、控制器、蓄電池和冰箱等部件組成。由于太陽(yáng)能光伏冰箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)冰箱相同，只是供電裝置改為太陽(yáng)能電池，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。

　　國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道顯示，很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，把傳統(tǒng)交流冰箱改制成適用于光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)的直流冰箱后，各部件可以正常運(yùn)行，冰箱可以正常工作。而在國(guó)內(nèi)，針對(duì)太陽(yáng)能光電制冷冰箱的研究也不少，并有一定進(jìn)展�！短�(yáng)能學(xué)報(bào)》2007年報(bào)道了劉群生等對(duì)一種光伏直流冰箱系統(tǒng)運(yùn)行性能的研究結(jié)果，該系統(tǒng)的唯一動(dòng)力源為太陽(yáng)能，采用直流壓縮機(jī)，系統(tǒng)中配有蓄電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該冰箱冷凍室的最低溫度可達(dá)-16℃，冷藏室可達(dá)0~10℃，在25℃的環(huán)境溫度下工作時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)率為48%。早在1997年，黃福林就將新型全數(shù)字式SPWM調(diào)制方式應(yīng)用在太陽(yáng)光電制冷冰箱的變頻電路，并實(shí)現(xiàn)了冰箱溫度的自動(dòng)控制。

　　在太陽(yáng)能半導(dǎo)體冰箱的研究方面，甘肅自然能源研究所鄒今平及羅斌等，都曾撰文介紹太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體制冷冰箱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，建立了太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體冰箱的理論模型，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和環(huán)境風(fēng)速變化對(duì)太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)性能的影響。

　　太陽(yáng)能吸附制冷冰箱技術(shù)

　　21世紀(jì)90年代，中國(guó)已經(jīng)開始對(duì)太陽(yáng)能吸附制冷冰箱的研究，但是大多數(shù)還局限在實(shí)驗(yàn)室，尚未達(dá)到預(yù)期的實(shí)用化程度，主要原因是受到制取溫度高及太陽(yáng)能的時(shí)間局限性的影響。同時(shí)，太陽(yáng)能吸附制冷冰箱室外吸附床和室內(nèi)制冷器之間需要管路連接，也是影響太陽(yáng)能吸附制冷冰箱進(jìn)入批量生產(chǎn)階段的主要障礙。

　　為了解決以上各種缺陷，國(guó)內(nèi)研究人員從系統(tǒng)循環(huán)機(jī)理、吸附制冷工質(zhì)對(duì)的選擇、太陽(yáng)能冰箱的性能、內(nèi)外特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等諸多方面對(duì)太陽(yáng)能固體吸附式制冷技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析研究。上海交通大學(xué)制冷所熱環(huán)境研究室孫長(zhǎng)江經(jīng)過(guò)數(shù)年潛心研究，按照批量生產(chǎn)所要求的工藝和流程，制造了兩臺(tái)太陽(yáng)能吸附式冰箱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該冰箱性能較為穩(wěn)定，證明這種太陽(yáng)能冰箱在技術(shù)上已經(jīng)具備了成熟的生產(chǎn)制造條件。

　　在太陽(yáng)能吸附冰箱中，吸附工質(zhì)對(duì)的選擇非常重要。國(guó)內(nèi)研究人員嘗試研究不同的吸附工質(zhì)對(duì)的吸附特性，其中包括CoF2-NH3、SrCl2-NH3、活性炭-甲醇、活性炭-乙醇等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CoF2-NH3工質(zhì)對(duì)的單位吸附量大，達(dá)到最大吸附量時(shí)的溫度要求低，吸附周期短，并且多次重復(fù)吸附后既不結(jié)塊、也不膨脹，為化學(xué)吸附式制冷系統(tǒng)的小型化和實(shí)用化提供了新的可能性；SrCl2-NH3工質(zhì)對(duì)的吸附制冷量大，適宜太陽(yáng)能或低品位余熱驅(qū)動(dòng)，是性能優(yōu)良的工質(zhì)對(duì)；活性炭-甲醇工質(zhì)對(duì)較之活性炭-乙醇工質(zhì)對(duì)更適用于太陽(yáng)能固體吸附式制冰機(jī)中。

　　高效太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能冰箱的關(guān)鍵部件，有非聚焦型太陽(yáng)能集熱器和聚焦型太陽(yáng)能集熱器兩類。其中，非聚焦型太陽(yáng)能集熱器分為平板型、真空管和CPC型三種，這三種集熱器集熱溫度均不高，在250℃以下，屬于低溫或者中溫太陽(yáng)能集熱器；聚焦型太陽(yáng)能集熱器分為槽式、碟式和塔式三種，通常情況下，這三種聚焦型集熱器集熱溫度均可達(dá)300℃以上，屬于中高溫集熱器。對(duì)于太陽(yáng)能冰箱而言，非聚焦型太陽(yáng)能集熱器主要應(yīng)用于太陽(yáng)能吸附制冷冰箱系統(tǒng)，而聚焦型太陽(yáng)能集熱器可應(yīng)用于太陽(yáng)能光電制冷冰箱系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能集熱器的研究和利用多限于中低溫范圍。

　　太陽(yáng)能冰箱的開發(fā)應(yīng)用

　　目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能冰箱研究最多也較接近實(shí)用化的是太陽(yáng)能光電制冷冰箱，而對(duì)太陽(yáng)能吸附制冷冰箱的研究，還停留在對(duì)太陽(yáng)能制冷的基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)樣機(jī)的研制上。

　　太陽(yáng)能光電制冷冰箱一般采用常規(guī)的冰箱外接太陽(yáng)能發(fā)電裝置，研究重點(diǎn)在太陽(yáng)能電池的充放電特性，由于對(duì)冰箱壓縮機(jī)光伏特性考慮較少，對(duì)太陽(yáng)能光電制冷冰箱各部件匹配性的研究也不夠完善，并且太陽(yáng)能吸熱裝置的效率非常低，因而整個(gè)系統(tǒng)的效率尚不能與傳統(tǒng)冰箱相比，成本也比傳統(tǒng)冰箱高的多。在太陽(yáng)能吸附式制冷冰箱方面，當(dāng)前研究較多的是吸附劑—制冷劑工質(zhì)對(duì)的性能，需要解決吸附床傳熱性能如何進(jìn)一步強(qiáng)化，吸附床、集熱器白天集熱和夜間散熱之間的關(guān)系如何有效的解決，如何將夜間的制冷量有效地貯存到白天使用等問(wèn)題。

　　筆者認(rèn)為目前在太陽(yáng)能冰箱應(yīng)用開發(fā)中亟待進(jìn)一步解決的關(guān)鍵技術(shù)如下：

　　1.高效太陽(yáng)能集熱器技術(shù)

　　太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，在太陽(yáng)能冰箱系統(tǒng)中占有重要地位，其效率和價(jià)格會(huì)直接影響到整個(gè)太陽(yáng)能冰箱的效率和經(jīng)濟(jì)性。為了提高太陽(yáng)能集熱器的效率，當(dāng)前的研究大多局限于吸收器和聚光裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，而對(duì)集熱器吸熱本質(zhì)的研究投入較少，而吸熱的本質(zhì)體現(xiàn)在材料的光學(xué)特性，即對(duì)某個(gè)波段的光的吸收能力。因此，筆者認(rèn)為，吸收器及其表面吸收涂層材料的研制將是提高太陽(yáng)能冰箱集熱器效率的關(guān)鍵所在，在技術(shù)上還有很多值得改進(jìn)和發(fā)展的地方，如在吸熱器表面涂上對(duì)太陽(yáng)輻射具有很高光譜吸比的涂層，以保持最大限度采集太陽(yáng)輻射能；或者根據(jù)材料的輻射特性合理選用吸熱面材料以使其在0.3~3μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜吸收比接近于1。

　　2.高效太陽(yáng)能蓄能技術(shù)

　　為了克服太陽(yáng)能的時(shí)間性所導(dǎo)致冰箱白天和夜里工作狀況不能一致的缺陷，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的蓄能裝置，以便把白天產(chǎn)生的能量部分蓄存起來(lái)，供晚上或陰雨天使用，真正實(shí)現(xiàn)全天候制冷，以達(dá)到與常規(guī)冰箱一樣的效果。當(dāng)前，太陽(yáng)能光電蓄能主要有如下幾種，即電容器蓄能、鉛蓄電池蓄能、鎳氫電池蓄電和鉀離子電池蓄電。以上各種蓄能電池的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)較為成熟，只是蓄能容量偏小，如何提高該類型電池的容量是今后的研究方向。

　　太陽(yáng)能吸附制冷冰箱目前已采用和正在研究的蓄能技術(shù)，主要是利用工作介質(zhì)狀態(tài)變化過(guò)程所具有的顯熱、潛熱效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)熱來(lái)進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存。由于潛熱蓄冷技術(shù)是利用物質(zhì)相變時(shí)需要吸收或放出熱量的特性來(lái)儲(chǔ)存或釋放能量，同吸附式制冷原理相同，因此潛熱蓄能技術(shù)的研究對(duì)太陽(yáng)能吸附制冷冰箱的蓄能來(lái)說(shuō)具有實(shí)際意義。另外，對(duì)于太陽(yáng)能吸附制冷冰箱的蓄能技術(shù)，要從對(duì)工質(zhì)對(duì)本身特性的研究發(fā)展到放在整個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行，并對(duì)吸附制冷裝置的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn)。

　　太陽(yáng)能冰箱的應(yīng)用前景

　　傳統(tǒng)冰箱的使用需要消耗大量常規(guī)能源，間接對(duì)環(huán)境造成的污染越來(lái)越嚴(yán)重。從中國(guó)現(xiàn)階段的能源供應(yīng)情況和環(huán)境保護(hù)需求來(lái)看，開發(fā)使用清潔能源的冰箱將是大勢(shì)所趨。另外，中國(guó)有許多偏遠(yuǎn)地區(qū)和游牧民族至今尚未被納入供電網(wǎng)絡(luò)，還沒(méi)有條件使用電冰箱保存食品，這些也為太陽(yáng)能冰箱的開發(fā)提供了潛在市場(chǎng)。

　　但是，現(xiàn)階段也存在種種因素限制著太陽(yáng)能冰箱制冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用。一方面，由于太陽(yáng)能的利用效率低、價(jià)格高，并且受時(shí)效影響，對(duì)于居住相對(duì)集中的樓房，集熱器的安裝將受到很大的限制；另一方面，太陽(yáng)能制冷有多種形式，但就目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，各種不同形式的制冷系統(tǒng)均存在不足。如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率以及各種制冷循環(huán)的聯(lián)合運(yùn)行都是將來(lái)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著太陽(yáng)能冰箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的新材料、新技術(shù)的發(fā)展，在政府節(jié)能環(huán)保和家電下鄉(xiāng)政策的支持下，太陽(yáng)能在冰箱制冷中的研究應(yīng)用一定會(huì)取得很大的發(fā)展。

　　當(dāng)前以消費(fèi)大量電力驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)冰箱的技術(shù)已日趨完善，單純從高效、節(jié)能、省電方面對(duì)冰箱進(jìn)行技術(shù)革新已很難有大的突破，但太陽(yáng)能冰箱還有較大的發(fā)展空間，將是未來(lái)冰箱業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。太陽(yáng)能冰箱的開發(fā)是冰箱行業(yè)的一次重大革新，對(duì)于帶動(dòng)整個(gè)冰箱產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈的升級(jí)換代具有巨大的推動(dòng)作用，并將為環(huán)保、節(jié)能減排等做出巨大貢獻(xiàn)。

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