太阳能制冷技术的发展及应用.pdf

编号编号 20151111309 本科生毕业设计本科生毕业设计 太阳能制冷技术的发展及应用太阳能制冷技术的发展及应用 Development and application of solar refrigeration technology 学 生 姓 名学 生 姓 名洪海洋洪海洋 专业专业光信息科学与技术光信息科学与技术 学号学号11110391111039 指 导 教 师指 导 教 师张强张强 分院分院光信息科学与技术光信息科学与技术 2015 年6 月2015 年6 月 摘要摘要 随着我们的环境污染越来越严重 地球能源的日渐匮乏 太阳能作为一种 无污染无公害 取之不尽 用之不竭的能源势必会成为以后发展的主流 就现 在而言 太阳能热水器已经日渐普及 科学家们更是研究出了太阳能制冷技 术 这对我国以及全世界都是一项很重要的研究 随着人们生活水平的提高 冰箱 空调等电器产品已经普遍到每个家庭 但高额的电费也是一笔不小的开 支 太阳能制冷技术不仅不消耗电能而且环保 必定能为人类更高的发展取得 不小的进展 关键词 太阳能集热器制冷效率环保 Abstract As our environment pollution is more and more serious the earth s energy increasingly scarce and solar energy as a pollution free environment inexhaustible inexhaustible energy will become the mainstream of development in the future For now the solar water heater has been gaining popularity scientists are studying the solar refrigeration technology which to our country and the world is a very important study As people living standard rise refrigerator air conditioning and other electrical appliances have common to every family but the high electricity bills is a big expense Solar refrigeration technology not only consume energy and environmental protection have a lot of progress was made in the development of human higher Key words Solar energy Heat collector Refrigeration efficiency Environmental protectio I 目 录 引言 1 一 太阳能制冷技术的发展 2 1 1 发展历史 2 1 2 发展现状 2 二 太阳能制冷的基本原理 4 2 1 太阳能光电转换 以电制冷 4 2 2 太阳能吸收式制冷 5 2 3太阳能吸附式制冷 6 2 4太阳能喷射式制冷 7 三 太阳能制冷技术的分析与应用 9 3 1 太阳能制冷的效率 9 3 2 太阳能集热器 10 3 3 太阳能制冷技术的应用 13 四 太阳能制冷技术的发展与未来 15 4 1 太阳能制冷技术存在的问题 15 4 2 太阳能制冷技术未来的展望 16 五 结束语 19 致谢 20 参考文献 21 1 引 言引 言 20 世纪 70 年代以来 受石油危机的影响 许多国家加强了对可再生能源 的支持 太阳能科技突飞猛进 取得了一批较为重要的成果 太阳能制冷是太 阳能利用的一个重要方面 太阳能是一种取之不尽 用之不竭的清洁 可再生 的绿色能源 近年来一直是科学家们研究的热点 在绿色清洁能源使用中 利 用太阳能制冷也是个很好的发展方向 一方面可以避免流体制冷剂对环境的破 坏 另一方面利用了环保节能 节省了不可再生能源 太阳能制冷具有以下几 个优点 首先是节能 据统计 国际上用于民用空调所耗电能约占民用总耗电 的 50 而太阳能取之不尽 用之不竭 制冷研究者已在太阳能制冷这已领域进 行了大量的研究工作 提出了各种不同的制冷方法并取得了初步的进展 实验 太阳能制冷有两条途径 一是太阳能光电转换 以电制冷 二是光热转换 以 热制冷 由于光电转换的制冷方式的成本高 所以研究较多但实际推广应用 少 而以热致冷由于它的廉价备受青睐 2 一 太阳能制冷技术的发展一 太阳能制冷技术的发展 1 1 发展历史发展历史 我国第一台溴化锂吸收式制冷机组 是上海第一冷冻厂在国内部分高效及 研究所科研人员的支持下 于 20 世纪 60 年代研发的 近年来 随着我国科学 技术的不断发展 吸收式制冷技术得到了日益完善 从 20 世纪 80 年代起 我 国科学工作者开始对太阳能吸收式制冷技术进行探索 并取得了一定成绩 广东省江门市在 1998 年建成了以总采光面积约为 500m 2的平板集热器收集 的太阳辐射能为驱动热源 制冷功率为 100KW 的我国第一座太阳能吸收式空调 系统 该系统所采用的制冷机组为两级溴化锂吸收式制冷机 整个系统对驱动 热源的温度要求较低 在 60 摄氏度以上即可保证运行 但该系统的制冷系数较 低 约为 0 4 左右 北京太阳能研究所于 九五 计划期间在山东乳山建立了 一套以采光面积约为 540m 2的真空管集热器所收集的太阳能辐射能为驱动热 源 系统制冷功率为 100KW 制冷系数可以达到 0 5 0 7 的太阳能单效溴化锂 吸收式制冷空调系统 此系统设计了辅助热源 可以实现夏季供冷 冬季供暖 及日常提供生活热水等多项服务 真正做到了一机多用 但该系统对驱动热源 的温度要求较高 要在 88 摄氏度以上才能正常运转 香港大学的李中付等人通 过建模对太阳能制冷系统进行了优化分析 提出了一种以储水箱的分层处理 分层加热为核心的新型太阳能驱动吸收式之制冷系统 通过实验 制冷系数接 近 0 6 由于此方法减少了集热器的面积 因此可以大大的节省投资费用 2002 年 陈滢 朱玉群等人通过建模计算 提出了一种以单效循环和两级循环 相结合的吸收式制冷系统模式 该系统对驱动热源的温度要求较低 且性能系 数可以达到 0 42 0 62 只是系统本身较为复杂 2002 年 刘艳玲和王如竹等 上海交大的科研人员提出了一种将燃气加热作为太阳能的辅助能源 制冷量为 10KW 制冷系数较高的小型双效吸收式制冷系统 经过对比验证 该系统具有 比同等制冷能力的系统费用低 经济型高等优点 1 2 发展现状1 2 发展现状 我国太阳能资源十分丰富 其中三分之二以上的地区利用太阳能的条件都 相当好 随着经济的发展和人们生活水平的提高 空调的需求量越来越大 一 般民用建筑物 如酒店 办公楼 医院等 空调耗能已占总耗能的 50 以上 给能源 电力和环境造成了很大的压力 电力的发展伴随着废弃排放 温室效 3 应和酸雨等环境问题 而空调机的制冷剂还会对大气臭氧层造成破坏 因此不 管是在国外还是国内 太阳能制冷空调一直是受到重视的研究方向 20 多年以 来 经过广大科技工作者的不懈努力 我国在这一领域还是进行了不少研究工 作 探索过各种各样利用太阳能降温的途径 在技术上取得一定的进展 并且 在推广应用方面取得了重要成果 目前 世界各国都在加紧进行太阳能制冷技术的研究 并主要集中在吸收 式制冷范围 国际上对吸收式制冷的研究已经有比较成熟的技术 小型的燃油 机组研制成功 但需要将水加热至 90 120 摄氏度才能运行 目前利用太阳能制 冷的净 COP 值一般在 0 5 以下 总的来说仍然很低 1 我国已经成为全世界公 认的太阳能利用大国 截止 2004 年 仅太阳能热水器的生产量就有 600 万 m 2 研制小型并适用于太阳能应用的制冷机组特别适合我国国情 日本作为世界制冷空调技术领先国家 他们吃了在现有制冷设备的基础上 提高效率外 对太阳能的开发应用尤为重视 近年来 已建成了一大批以太阳 能节能技术为主导的节能型大楼 据报道 美国可罗拉多州太阳能研究所研制成功一种可取代空调装置的建 筑材料 这种建材里面含有聚醇化合物 当室温超过设定温度 墙壁会自动吸 热 达到制冷效应 反之 放热 达到取暖目的 其临街温度由建材中所含聚 醇化合物的多少决定 用这种建材建造的房屋具有吸收太阳能 自动调节室温 的作用 2 4 二 太阳能制冷的基本原理二 太阳能制冷的基本原理 2 1 太阳能光电转换 以电制冷2 1 太阳能光电转换 以电制冷 光电转换主要方式有晶体硅太阳能光电转换技术和染料敏化纳米薄膜太阳 能 光电转换技术 晶体硅太阳能光电转换技术包括单晶体硅太阳能光电转换技 术和多晶体硅太阳能光电转换技术 3 单晶硅太阳能是开发最早 发展最快的 太阳能电池 目前单晶硅太阳能光电转换效率为 15 左右 最大已接近 20 图 1 为单晶硅太阳能电池制备工艺流程 多晶硅太阳能电池的主要优势是成本低 单其光电转化效率低 目前仅为 10 左右 染料敏化纳米薄膜太阳能电池主要有以下几个部分组成 镀有透明导电 膜的导电玻璃 多孔纳米 TiO2或 TiO3膜 染料光敏化剂 固体电解质膜以及多 起重作用的铂电极 普通太阳能电池是一种结构 而染料敏化纳米薄膜太阳能 电池是一种光电化学式电池 1991 年 瑞士科学家 Cratze 等 4 首次报道了一 种染料敏化的纳米薄膜太阳能电池 这种电池与传统的晶体硅太阳能电池相 比 有低成本 环保 制作工艺简单以及高光电转换效率等优点 19 世纪帕尔贴等人发现的热点原理发展而来了半导体制冷技术 半导体制 冷的工作原理是 当 N 型半导体材料和 P 型半导体材料连接在一起形成电偶对 时 在电偶对中通以直流电流后 由其中电子的极性运动而产生能量的转移 电流由 N 型元件流向 P 型元件的一端吸收热量 成为冷端 电流由 P 型元件流 向 N 型元件的一端释放热量 成为热端 5 2 2 太阳能吸收式制冷2 2 太阳能吸收式制冷 太阳能吸收式制冷是最早发展起来的 起源于 1932 年 但当时因成本高 效率低 没什么商业价值 后来随着科技的进步 吸收式制冷研究逐渐得到了 发展 由于 1992 年世界性能源危机的影响 吸收式这冷收到了发达多家的重 视 吸收式制冷产业也得到了普及和发展 吸收式制冷是液体汽化制冷的一种 它和蒸汽压缩式制冷一样 是利用液 态制冷剂低压低温下汽化来实现制冷的 根据发生器的数量的不同 吸收式制 冷剂可以分为单效 双效和多效 太阳能吸收式制冷系统主要包括两大部分 太阳能热利用系统以及吸收式制冷剂 如图 2 图 2 太阳能驱动的溴化锂 水吸收式制冷剂原理图 本系统包括三路水循环 即热水循环 冷却水循环和冷冻水循环 单效溴 化锂吸收式制冷是最简单的太阳能制冷方式 驱动热源可采用 0 03 0 15MPa 的 蒸汽或 85 150 度的热水 但几乎所有的太阳能单效溴化锂制冷机组是采用热水 驱动 单效溴化锂制冷机组的 COP 并不高 但其可充分利用低品位的热能 如 废热 余热 太阳能等 故从能源利用的角度来说 太阳能单效溴化锂制冷机 组是节能的 主要参数见表 1 表 1 太阳能单效吸收式制冷系统主要操作参数 热水冷水冷却水COP太阳能集热效 率 65 100 度7 15 度26 32 度0 33 0 7035 50 研究表明 单效吸收式制冷机的最佳工作温度为 80 100 摄氏度 它的极限 6 COP 值在 0 7 左右 在冷却水温度为 30 摄氏度 制备 9 摄氏度冷冻水的情况 下 制冷机在热源温度为 80 摄氏度时 COP 值即可达到 0 7 在 85 摄氏度之后 即使再增加热源温度 制冷机的 COP 值也不会有显著的增加了 与单效吸收式 制冷机相比 双效和三效吸收式制冷机能够充分利用高温热源 且热效率比单 效吸收制冷机高 由于利用高温热源 双效吸收式制冷机的 COP 值可以达到 1 0 1 2 而三效的可达到 1 7 这比单效的 COP 值有了显著的提高 除了常规的吸收式制冷系统外 陈滢 5 等人提出了一种心的单效双极吸收 式制冷循环 该循环采用增大热源温差的思路 研究表明 该系统热源温度可 下降到 55 摄氏度 其 COP 只也可达到 0 42 0 62 因其回水温度低 换热温度 差大 所以更适合太阳能的利用 也有助于提高太阳能系统的效率 陈光明等 人又提出了采用热变器原理的单效单级循环 2 3太阳能吸附式制冷2 3太阳能吸附式制冷 自从 20 世纪初瑞典人 faraday 6 发现氯化银吸附氨的制冷现象以来 吸附 式制冷技术的发展经历了两次关键的发展阶段 即能源危机和环境保护两个阶 段 吸附式制冷作为一种低品位热能驱动 节能环保绿色制冷技术之一 现已 经被公认为提高能源利用率与环境保护的有效的重要中间环节 在太阳能综合 利用中 太阳能吸附式制冷作为太阳能制冷制冷方向利用领域的一个重要分 支 现在已经成为各国科研单位竞相研究的热点课题之一 太阳能吸附式制冷系统的一种简单形式是基本型吸附式系统 它主要由发 生器 吸附床 冷凝器 蒸发器 阀门等部分组成 图 3 为系统工作原理图 7 7 图 3太阳能吸附式制冷系统图 白天太阳能辐射充足时 吸附床吸收太阳辐射后 温度升高 使制冷剂从 吸附剂中解吸 吸附床内压力升高 解吸出来的制冷剂进入冷凝器 经冷却介 质冷却后凝结为液态 进入蒸发器 这样 太阳能转化为代表制冷能力的吸附 势储存起来 实现化学吸附潜热的储存 夜间或太阳辐射不足时 环境温度降 低 太阳能吸附集热器通过自然冷却后 吸附床的温度下降 吸附剂开始吸附 制冷剂 产生制冷效果 太阳能吸附式制冷除了具有吸附式制冷基本循环不能连续制冷 吸附床传 热性质性能差 吸附 解吸所需的时间长 循环周期长 系统调节滞后时间 长 制冷功率小 制冷系数小 能量利用率低等通病外 太阳能吸附式制冷基 本循环还存在有两大缺陷 1 太阳能吸附式制冷基本循环不能连续制冷 而 且循环周期很长 24h 晚上制冷也不符合空调用能规律 大大限制了太阳能 吸附式制冷的应用 2 太阳能是低品位能源 且供能不持续 目前的太阳能 集热技术难以保证高温而稳定的驱动热源 因此系统需要较低的驱动温度 2 4太阳能喷射式制冷2 4太阳能喷射式制冷 太阳能喷射式制冷是一个节能环保的制冷方式 喷射器作为太阳能喷射式 制冷的核心部件 有着简单 稳定可靠的优点 但同时 喷射器内部的流动过 程复杂 喷射器理论大多是基于某些特定用途喷射器的性能变化规律的归纳总 结 设计分析一般都是建立在一维分析基础上的半经验公式 太阳能喷射式制冷系统由太阳能集热器 发生器 循环泵 蒸汽喷射器 8 蒸发器 冷凝器及膨胀阀组成 分为太阳能集热系统和喷射制冷循环系统两大 部分 如图 4 所示 图 4太阳能喷射式制冷原理图 太阳能喷射式制冷循环由两个子循环组成 一个是太阳能转换子循环 另 一个是制冷子循环 在太阳能转换子循环中 太阳能集热器将太阳能转换成热 能 通过传热流体流经发生器使其中制冷剂液体吸热汽化 而在制冷子循环 中 制冷剂液体吸热汽化产生饱和蒸汽 饱和蒸汽流经喷射器 在喷嘴附近产 生低压 从而将蒸发器中的制冷剂蒸汽吸入喷射器中混合 并一同经缩放扩压 段升压 喷射器出来的混合气体进入冷凝器冷凝 冷凝器出来的制冷液体分为 两路 一路通过节流阀降压后回到蒸发器 另一路则通过循环泵升压后再进入 发生器中 9 三 太阳能制冷技术的分析与应用三 太阳能制冷技术的分析与应用 3 1 太阳能制冷的效率3 1 太阳能制冷的效率 目前太阳能制冷有两个大类 一是利用太阳能发电 驱动机械式制冷机 二是将太阳能转变为热能 驱动吸收式制冷机 对于前者 目前大规模的太阳 能光伏发电系统 其年平均光电转换效率约为 10 专家预测 若太阳能电池技 术取得进一步发展 这个效率有望提高到 20 也可以利用太阳能先制热 再利 用热能发电驱动机械式制冷机 目前世界上较大规模的商用太阳能热点转换系 统的整体年平均效率仅为 10 左右 未来可期待的效率也仅为 15 左右 因此 根据现有机械制冷的 COP 值为 3 的条件 不难算出若采用太阳能发电驱动制冷 机 其太阳能转换为冷量的净 COP 值一般在 0 3 0 6 当前的 COP 值应在 0 3 左 右 8 太阳能制冷效率有两部分组成 一个是制冷机本身的效率 COP 另一个 是太阳能集热器的效率 制冷机的效率 COP 随着驱动温度和蒸发温度的上升 而上升 太阳能集热器的效率随着太阳辐射强度上升而增大 随着介质温度的 上升而减小 将太阳能集热器效率与制冷机的 COP 相乘就可以得到太阳能空调 系统的总效率 由此可见 为了获得最高的系统总效率 必须贺客地选择太阳 能集热器和制冷机 使其两者的效率之积最高 下面我们比较一下两种太阳能制冷方法的效率 1 太阳能光 电转换制冷 它是利用光伏转换装置将太阳能转化成电能后 再用于驱动半导体制冷系 统或常规压缩式制冷系统实现制冷的方法 即光电半导体制冷和光电压缩式制 冷 这种制冷方式的前提是将太阳能转换为电能 其关键是光电转换技术 必 须采用光电转换接受器 即光电池 它的工作原理是光伏效应 太阳能半导体制冷 太阳能半导体制冷是利用太阳能电池产生的电能来供给半 导体制冷装置 实现热能传递的特殊制冷方式 半导体制冷的理论基础是固体 的热电效应 即当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时 结点上将产生 吸热或放热现象 如何改进材料的性能 寻找更为理想的材料 成为了太阳能 半导体制冷的重要问题 太阳能半导体制冷在国防 科研 医疗卫生等领域广 泛地用作电子器件 仪表的冷却器 或用在低温测仪 器械中 或制作小型恒 温器等 目前太阳能半导体制冷装置的效率还比较低 COP 一般约 0 2 0 3 远低于压缩式制冷 光电压缩式制冷 光电压缩式制冷过程首先利用光伏转换装置将太阳能转化成 10 电能 制冷的过程是常规压缩式制冷 光电压缩式制冷的优点是可采用技术成 熟且效率高的压缩式制冷技术便可以方便地获取冷量 光电压缩式制冷系统在 日照好又缺少电力设施的一些国家和地区已得到应用 如非洲国家用于生活和 药品冷藏 但其成本比常规制冷循环高约 3 4 倍 随着光伏转换装置效率的 提高和成本的降低 光电式太阳能制冷产品将有广阔的发展前景 2 太阳能光 热转换制冷 太阳能光热转换制冷 首先是将太阳能转换成热能 再利用热能作为外界 补偿来实现制冷目的 光 热转换实现制冷主要从以下几个方向进行 即太阳 能吸收式制冷 太阳能吸附式制冷 太阳能除湿制冷 太阳能蒸汽压缩式制冷 和太阳能蒸汽喷射式制冷 其中太阳能吸收式制冷已经进入了应用阶段 而太 阳能吸附式制冷还处在试验研究阶段 太阳能吸收式制冷的研究 太阳能吸收式制冷的研究最接近于实用化 其 最常规的配置是 采用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 工质对主要采用溴化锂 水 当太阳能不足时可采用燃油或燃煤锅 炉来进行辅助加热 系统主要构成与普通的吸收式制冷系统基本相同 唯一的 区别就是在发生器处的热源是太阳能而不是通常的锅炉加热产生的高温蒸汽 热水或高温废气等热源 太阳能吸附式制冷 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 吸附剂对制冷剂的周期性吸附 解吸附过程实现制冷循环 太阳能吸附式制冷 系统主要由太阳能吸附集热器 冷凝器 储液器 蒸发器 阀门等组成 常用 的吸附剂对制冷剂工质对 有活性炭 甲醇 活性炭 氨 氯化钙 氨 硅胶 水 金属氢化物 氢等 太阳能吸附式制冷具有系统结构简单 无运动部件 噪声小 无须考虑腐蚀等优点 而且它的造价和运行费用都比较低 3 2 太阳能集热器3 2 太阳能集热器 太阳能制冷技术的一个关键因素是太阳能集热器 常用的太阳能集热器有 平板型热水器 真空型热水器 热管式热水器等 日前常用的集热器是平板式 和真空管式 由于平板集热器不具备聚焦阳光的功能 其工作温度一般限于 100 摄氏度以下 真空管集热器或聚光型集热器的工作温度通常在 100 摄氏度 以上 因此单效吸收式制冷机通常采用平板集热器作为单效吸收式制冷机的热 源 而双效或者三效吸收式制冷机宜采用真空型集热器 这样既可以满足制冷 机对热源温度的需要 也可以降低系统造价 平板太阳能集热器是太阳能低温热利用行业中应用最广泛 也最多的一个 关键部件 平板集热器主要由吸热板 透明盖板 保温层和壳体等几部分组 11 成 如图 5 所示 图 5平板集热器结构示意图 如图 6 所示 内插式太阳能真空管空气集热器主体有 52 组全玻璃真空管 管间距为 75mm 不锈钢管 联集箱 金属支架 密封件以及保温材料组 成 其中全玻璃真空管为双层玻璃结构 内外管之间为真空夹层 图 6 内插管式真空管空气集热器结构简图 热管式真空集热管的结构如图 7 所示 主要有高硼硅玻璃 重力式热管 涂有铝 氮 铅吸收膜的吸热板 金属端盖和不锈钢弹簧卡组成 装有吸热板的 热管蒸发段通过金属端盖封装在玻璃管壳内 由弹簧卡定位 玻璃管腔内各部 件除气后抽成高真空 为防止以后气体产生影响传热效率 腔内装了蒸散型长 效吸气剂 12 图 7热管式真空集热管结构示意图 太阳能集热器是太阳能热利用的关键部件 其工艺发展水平和质量标准代 表着太阳能热利用的发展水平 完善太阳能集热器的检测技术和方法 提高对 太阳能集热器产品的监督检验能力 将对改进太阳能集热器的质量以及提高太 阳能集热器与建筑结合的水平起到积极的促进作用 下面为大家介绍一种 CPC 太阳能集热器 如图 8 所示 CPC 太阳能集热器由中间接收体 反射体和透明挡板三部分 组成 图 8CPC 太阳能集器的一般结构示意图 与其他太阳能集热器相比 CPC 太阳能集热器的接收面积较小 能够有效 的降低热量损失 同时 CPC 太阳能集热器还具有结构简单 运行维护的费用 较低等特点 太阳光通过透明挡板射入集热器中 通过反射体的反射汇集到中间接收体 上 中间接收体将太阳能转换为热能 再由管内工质带出 在这个过程中都存 在这一定的热损失 如图 9 所示 太阳能辐射强度 G 为 790W m 2 外界环境温服 Ta 为 24 摄氏 度 工质的进口温度 Ti 为 295 摄氏度 集热器的最大聚光比 C 为 25 把接收 13 管长从 50 增加到 500 米时 CPC 反射体的内壁温度增加了 33 摄氏度 透明挡 板温度增加了 21 摄氏度 中间接收体外壁温度增加了 158 摄氏度 结果表明 随着 CPC 太阳能集热器管长的增加 中间接收体外壁温度 透明挡板温度 CPC 反射体内壁温度都会逐渐变大 其中透明挡板与 CPC 反射体内壁温度增长较 小 而涂有吸收涂层的中间接收体的外壁温度随管长变大有显著上升 图 9CPC 太阳能集热器管长与温度变化图 3 3 太阳能制冷技术的应用3 3 太阳能制冷技术的应用 太阳能制冷具有以下几个优点 首先是节能 据统计 国际上用于民用空 调所耗电能约占民用总电耗的 50 9 而太阳能是取之不尽 用之不竭的 太阳 能制冷用于空调 将大大的减少电力消耗 节约能源 其次是环保 根据 蒙 特利尔议定书 目前压缩式制冷机主要使用的 CFC 类工质因为对大气臭氧层有 破坏作用应停止使用 美 欧等已停止生产和使用 现在各国都在研究 CFC 类 工质的代替物质及代替制冷技术 太阳能制冷一般采用非氟氯烃类物质作为制 冷剂 臭氧层破坏系数 ODP 和温室效应系数 GWP 均为零 适合当前环保 要求 同时可以减少燃烧化石能源发电带来的环境污染 太阳能制冷 由于所使用的能源清洁 环保 来源广阔 制冷能力与低温 储粮的冷负荷需求在时间与地域上的分布高度吻合 采用太阳能制冷作为低温 储粮的新能源 引起了人们越来越多的关注 由于常规太阳能集热器所能达到的温度较适宜于除湿转轮的再生 10 此目前 针对太阳能制冷应用与低温储粮理论及实验研究 大多数集中于太阳能再生除 14 湿冷却系统 1984 年 Biswas 等设计了一种可用于空调的太阳能再生紧凑型低 压除湿床 对太阳能再生除湿系统在热湿地区应用的可行性进行了分析 11 近年来 太阳能制冷低温储粮主要使用吸收式和吸附式制冷系统 吸收式 制冷系统由于所需求的热源温度高 需要中高温集热器才能满足其热源温度要 求 但当前中高温集热器在国内还处于研究发展的阶段 尚未有成熟的商业化 产品出现 吸附式制冷技术的研究起源于 20 世界 20 年代 70 年代末期能源危 机的爆发为吸附式制冷技术的发展提供了契机 太阳能吸附式制冷低温储粮的原理是利用平板或真空管集热器采集太阳的 辐射能加热水箱中的水 热水进入吸附制冷机组 通过加热升温后 使制冷机 从吸附剂汇总解吸出来 吸附床内压力升高 解吸出来的制冷剂进入冷凝器 经冷却介质冷却后凝结为液态 进入蒸发器减压蒸发 制冷剂蒸发的同时吸收 带走周围的热量起到制冷效果 低温的制冷剂通过盘管换热器用风机将较低温 的冷气送至粮仓的上层空间 低温气态的制冷剂被送回吸附床中被吸附剂吸 附 进行下一轮 的制冷循环 达到低温储粮的目的 太阳能吸附式制冷技术的 优点在于 1 吸附式制冷采用无氟制冷剂 是一种环境友好制冷技术 对臭氧 保护层无破坏 不排放温室气体 2 吸附式制冷可以充分利用低品位热源 比 如发动机的烟气余热 而且在太阳能低温热源 80 摄氏度 120 摄氏度 的利用 方面比吸收式制冷技术更加合适 3 吸附式制冷无运动部件 无噪声 无磨 损 工作寿命长 4 太阳能吸附式制冷低温储粮具有良好的季节适应性 太阳 辐射越强 越是需要粮食降温的时候 其系统制冷量越大 可实现夏季高温季 节的粮食储藏安全 下面介绍一个太阳能制冷技术在空调上应用的工程实例 位于天津花苑产 业园区的 软件园大厦 是集综合功能于一体的 5A 级写字楼 该建筑总面积 12 万平方米 其中有 10 8 万平方米建筑面积需要制冷 制热和卫生用热水 大厦选用了 2 台 21 1010J 直燃机 满足建筑的制冷和采暖需要 其中一台为 太阳能 天然气双能原直燃机 制冷面积 4000 平方米 集热面积 2100 平方米 集热功率 840KW 相当于单台 21 1010J 直燃机供热量的 14 15 四 太阳能制冷技术的发展与未来四 太阳能制冷技术的发展与未来 4 1 太阳能制冷技术存在的问题4 1 太阳能制冷技术存在的问题 目前国内的太阳能制冷技术还处于实验阶段 商业化前景并不乐观 和传 统的空调系统相比 太阳能空调系统初投资过大 系统过于复杂 具体表现在 以下几个方面 12 集热系统效率比较差 集热面积过大 集热温度一般不超过 100 摄氏 度 难以高效地驱动制冷系统运转 而且需要庞大的储热装置 制冷系统一般采用以 LiBr H2O 为工质对的双效或双极吸收式系统 无 法制取零度以下的温度 而且系统比较复杂 初投资很高 需要辅助热源 增加了出投资 是系统过于庞大 太阳能制冷系统的开发与利用受到 COP 值偏低的严重制约 因为它不能同 时满足高效收集太阳能和热能梯级利用的要求 例如 太阳能光伏制冷系统 主要受制于相对低的太阳能 电力转换效率较低的限制 目前所开发的多效回热 吸收式制冷机 由固定的多聚焦器驱动的 也因此受到太阳能供热温度低的限 制 太阳能制冷技术的开发于应用具有以下几个关键的地方 13 由于受太阳能集热器的倾向 太阳能空调普遍存在着效率低 价格高的 问题 太阳能空调中的太阳能集热器可以与太阳能热水器通用 随 着太阳能热水器的技术的发展 太阳能集热器的效率会逐渐提高 对于原来有太阳能热水器的用户可以进行改造 先制冷再用余热洗 澡 使其具有更好的经济性 集热温度 冷水温度及冷却水温度应各为多少 才能建立一个最为经济 合理的太阳能空调系统 也是尚待解决的课题 只有有了合适的集 热器和制冷机 才能建立经济合理的太阳能空调系统 由于太阳能的收集存在着时效问题 蓄热技术也必须得到很好地解决 现存的蓄热方法主要采用增加热水的容量 增强保温效果 要通过 蓄热技术和蓄热载体的研究开发 来实现太阳能空调系统应用的随 16 意性和连续性 对于居住相对集中的楼房 集热器的安装受到很大的限制 这主要是因 为太阳能空调的安装不普遍 楼房的设计没有考虑到太阳能空调 要通过太阳能应用与建筑一体化设计来解决这个问题 目前 还没有太阳能制冷系统的计算机设计软件 控制芯片 技术标 准 统一的配备和零部件 这是科技与市场结合的问题 解决这以 问题需要太阳能制冷形成一定的规模 占领一定的市场 还需要政 府和科技文们给予的支持 4 2 太阳能制冷技术未来的展望4 2 太阳能制冷技术未来的展望 太阳能是一种高品质能源 将太阳能转化为低温热能进行制冷 太阳能的 品质已受到极大损失 因此 在利用太阳能制冷过程中 应该避免这种损失 寻找新的方法才能有效大幅度提高利用率 目前 已经有专家开发出新的太阳能制冷系统 首先将太阳能转换为高温 热能 高温热能被送入气体透平机 输出电能 然后利用电能制冷 透平机排 出的中温热能被送入吸收式制冷机 最后将两部分制出的冷量合二为一 最终 得到系统的总冷量 这样的综合系统能最大限度地发挥太阳能的效益 太阳能制冷的研究 应用处于刚刚起步阶段 很多技术 产品还处于研 制 试验 示范阶段 远未达到人们所期望的推广应用的程度 其重要原因在 于目前太阳能的利用率不高 而且经济成本较高等 但太阳能具有能量零输入 和污染零排放的巨大优势 顺应整个社会的可持续发展的要求 随着科学的不 断进步 技术的持续创新 新材料的应用开发 前景十分看好 太阳能制冷技 术的理论实验工作还要不断继续 具体应用仍需深入分析研究 与蒸汽压缩式制冷相比 太阳能制冷技术目前不是很成熟 但是因为其环 保节能的特点 决定其具有良好的发展前景 目前 制约其广泛应用的主要原 因是陈本较高 太阳能制冷要降低成本 一方大力开发高效太阳能集热板 提 高热力学性能 另一方面 走产业化发展的道路 为此 可以与热水器的应用 相结合 如太阳能冰箱 热水合机 太阳能制冷与太阳能热水器结合 实行联 产 太阳能热水器的热销可以看出太阳能的广阔前景 据统计 就空调行业而言 美国家用空调的持有量为 40 而我国大中城 市家庭的空调器普及率仅在 20 以下 14 和农村地区普及率更低 市场潜力十 17 分巨大 目前 空调器的市场正处于发展和完善阶段 随着人们生活水平的大 幅度提高 对空调的需求越来越多 现在 阻碍空调进入家庭的主要原因是耗 能和价格的因素 另外 目前大量生产的大型商用中央空调和家用壁挂 立式 空调不太适合人们日益追求的高档住宅 急需一种小型户式中央空调来填充这 一空白 而从太阳能空调的优点和技术特点来看 太阳能空调最适合于上述矛 盾的解决和应用 以上因素给太阳能空调技术的发展和应用带来了难得的机 遇 太阳能空调的应应用 必定会为了广大制冷奇热带来无限商机 18 19 五 结束语五 结束语 随着科技不断的发展和进步 人们对生活品质的要求有了显著的提高 并 且在对地球能源的保护与合理利用上有了进一步的认识 太阳能制冷技术恰恰 符合人们高品质的要求 我们应该进一步加强对太阳能制冷技术的研究与发 展 争取能尽快的研究出提高太阳能利用率并且降低成本的好办法 努力利用 好太阳能这个无污染无公害的能源 20 致 谢致 谢 本论文在张强导师的悉心指导下完成的 导师渊博的专业知识 严谨的治 学态度 精益求精的工作作风 诲人不倦的高尚师德 严于律己 宽以待人的 崇高风范 朴实无法 平易近人的人格魅力对本人影响深远 不仅使本人树立 了远大的学习目标 掌握了基本的研究方法 还使本人明白了许多为人处事的 道理 本次论文从选题到完成 每一步都是在导师的悉心指导下完成的 倾注 了导师大量的心血 在此 谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢 在写论文 的过程中 遇到了很多的问题 在老师的耐心指导下 问题都得以解决 所以 在此 再次对老师道一声 老师 谢谢您 21 参考文献 参考文献 1 Merrick R H Development of unitary solar heating cooling packages In Proceedings The 3 rd W orkshop on the Use of Solar Energy for Cooling of Buildings Februray san Franciso Califomia 19 2 Auh P C An overview of absorption cooling technology in solar application In Proceedings The 3rd W orkshop on the Use of Solar Energy for Cooling of Buildings February san Francisco Califomia 14 3 雷永泉 新能源材料 M 天津 天津大学出版社 2002 4 ORegan B Cratzel M ALow Cost High E ffic jency Solar Cell Based on Dye Sensitized Colloid ial TiO2Films J Nature 99 353 737 739 5 陈滢 朱立群 低温热源驱动的单效 双极 SE DL 吸收式制冷循环 J 太阳能学报 2002 1 50 55 6 Shelton S V Wepfer W J Miles DJ Ramp wave analysis of the solid vapor heat pump ASME Journmal of Energy Resources Fechnology 1990 112 69 78 7 李军 朱冬生 张立志等 固体吸附式制冷在太阳能利用中的研究与展望 J 制冷与空调 2004 4 3 5 8 8 Jeffrey M Gordon Kim Choon N G High rfficiency Solar Cooling Solar Energy 2000 68 1 23 31 9 杨建华 杨更生 太阳能空调研究与发展 J 河南科技 2002 02 25 10 Thoruwa T F N Air dehumidification characteristics of clay stabilised CaCl2 desiccants in a packed bed system In World Renewable Energy congress pp 1976 1982 Oxford UK Pregamon Press 1994 11 Biswas P Kim S Miller Acompact low pressure drop desiccant bed for solar air conditioning application analysis and design ASME Journal of Solar Energy Engineering 1984 106 153 12 刘继者 热管平板式太阳能集热器和太阳能热水系统的研究 M 天津 大学 2007 06 01 13 谢文韬 太阳能吸收式制冷系统研究 M 哈尔滨工程大学 2008 02 20 22 14 李金伟 秦玉涛 马利军 杜学峰 浅析太阳能空调技术的开发与应用 N 中州大学学报 2003 12 20 英文文献 英文文献 Solar tracking is the process of varying the angle of solar panels and collectors to take advantage of the full amount of the sun s energy This is done by rotating panels to be perpendicular to the sun s angle of incidence Initial tests in industry suggest that this process can increase the efficiency of a solar power system by up to 50 Given those gains it is an attractive way to enhance an existing solar power system The goal is to build a rig that will accomplish the solar tracking and realize 23 the maximum increase in efficiency The ultimate goal is that the project will be cost effective that is the gains received by increased efficiency will more than offset the one time cost of developing the rig over time In addition to the functional goals the Smart House set forth the other following goals for our project it must not draw external power self sustaining it must be aesthetically pleasing and it must be weatherproof The design of our solar tracker consists of three components the frame the sensor and the drive system Each was carefully reviewed and tested instituting changes and improvements along the design process The frame for the tracker is an aluminum prismatic frame supplied by the previous solar tracking group It utilizes an A frame design with the rotating axle in the middle Attached to the bottom of this square channel axle is the platform which will house the main solar collecting panels The frame itself is at an angle to direct the panels toward the sun along with the inclination of the roof Its rotation tracks the sun from east to west during the day The sensor design for the system uses two small solar panels that lie on the same plane as the collecting panels These sensor panels have mirrors vertically attached between them so that unless the mirror faces do not receive any sun they are shading one of the panels while the other is receiving full sunlight Our sensor relies on this difference in light which results in a large impedance difference across the panels to drive the motor in the proper direction until again the mirrors are not seeing any sunlight at which point both solar panels on the sensor receive equal sunlight and no power difference is seen After evaluation of the previous direct drive system for the tracker we designed a belt system that would be easier to maintain in the case of a failure On one end of the frame is a motor that has the drive pulley attached to its output shaft The motor rotates the drive belt which then rotates the pulley on the axle This system is simple and easily disassembled It is easy to interchange motors as needed for