浅析太阳能制冷技术的研究与发展

1、1 概述 能源短缺和环境恶化成为全世界范围内人们最为关注的焦点，世界各国都在积极进行清洁的可再生能源如太阳能、地热能、风能、潮汐能的研究开发。太阳能是公认的未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的替代能源之一，具有取用方便、能量巨大、无污染、安全性好等优点。据有关资料,我国是太阳能资源十分丰富的国家，三分之二的地区年辐射总量大于5020MJ/m2，开发利用太阳能具有很大潜力。利用太阳能驱动空调系统一方面可以大大减少不可再生能源及电力资源消耗，另一方面因较低的耗电减少了因燃烧煤等常规燃料发电带来的环境污染问题，是当前空调制冷技术领域研究的热点。 2 太阳能利用发展概述 20 世纪70 年代以来，

2、受石油危机的影响，许多国家加强了对于可再生能源的支持。太阳能科技突飞猛进，研究领域不断扩大，取得了一批较为重要的成果，如复合抛物面镜聚光集热器、真空管集热器、非晶硅太阳能电池、太阳能热发电、光解水制氢等。1992 年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了里约热内卢环境与发展宣言、21 世纪议程等一系列重要文件。1992 年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合并注重科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，扩大太阳能利用领域和规模。1996 年以来世界光伏发电高速发展，太阳能电池年产量以3040的年增长率高速发展，应用范围越来越广，2

3、000 年世界光伏电池总产量达287.65MW，约有一半左右用于“太阳屋顶”和并网系统。 3 太阳能驱动制冷的主要方式 根据不同的能量转换方式，太阳能驱动制冷主要有以下两种方式，一是先实现光电转换，再以电力制冷；二是进行光热转换，再以热能制冷。3.1 利用太阳能进行光电转换实现制冷的研究 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。 a.太阳能半导体制冷 太阳能半导体制冷是利用太阳能电

4、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0.20.3，远低于压缩式制冷。 b.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

5、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34 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。 3.2 利用太阳能进行光热转换实现制冷的研究 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

6、阶段。 a.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。 b.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

7、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。4太阳能吸收式空调技术的研究发展 在我国，太阳能制冷及空调的研究始于20世纪70 年代后期，其中多数是小型的氨- 水吸收式制冷试验样机。例如：天津大学1975 年研制的连续式氨- 水吸收式太阳能制冰机，日产冰量可达5.4kg；北京师范学院1977 年研制成功1.5m2 干板型间歇式太阳能制冰机，每天可制冰6.88kg；华中工学院研制了采光面积为1.5m2，冰箱容积为70L，以氨- 水为工质对的小型太阳能制冷

8、装置。1987 年，中国科学院广州能源研究所与香港理工学院合作在深圳建成了一套科研与实用相结合的示范性太阳能空调与热水综合系统。 集热面积120m2，制冷能力14kW，空调面积为80m2。采用了3 种中温集热器和两台日本生产的单级溴化锂吸收式制冷机。“九五”计划期间，国家科委把“太阳能空调”列为重点科技攻关项目。1998 年在广东省江门市建成的一套大型太阳能热水示范系统建造在一栋24 层的综合大楼上，采用平板型集热器和一台100kW的两级吸收式制冷机。1999 年在山东省乳山市科普公园的太阳能馆又建成了一套大型太阳能空调及供热综合示范系统，系统采用热管式太阳能集热器和100kW的单级溴化锂制冷

9、机。国家科技攻关项目北京天普太阳能集团的新能源示范大楼2003 年正式建成，总建筑面积8000m2，系统采用热管式真空管集热器和U型管式真空管集热器，空调制冷采用一台200kW的单级溴化锂制冷机，并采用一台地源热泵机组作为辅助。2006 年7月份，由长沙远大空调公司自主开发研制的太阳能空调已经落户天津华苑软件园。此太阳能系统由两台制冷量5815kW 太阳能直燃机、166 个集热模块、阳光跟踪系统及相关控制系统构成，为建筑面积12 万m2 大厦提供制冷、采暖。 国内近期关于此项工作的研究方面，大连理工大学的徐士鸣教授等研究了以空气为携热介质的开式太阳能吸收式制冷系统特性并取得了多项研究成果；中国科学院广州能源研究所在太阳能空调系统的整合设计方面进行了开拓性的工作；华中理工大学的舒水明教授主要进行了太阳能吸收式制冷系统蓄能技术方面问题的研究；上海交通大学的王如竹、刘艳玲提出了一种太阳能燃气联合驱动的双效溴化锂吸收式空调。 在国外，1983 年世界上最早的大型太阳能吸收式制冷系统在阿拉伯半岛国家科威特安装完成，该系统为建筑面积530m2 科威特国防部办公楼提供制冷。1995 年约旦大学的M.H