太陽能制冷空調(diào)技術(shù)研究

太陽能制冷空調(diào)技術(shù)研究

1太陽能制冷技術(shù)隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，誤熱能源和可支配能源已成為許多發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家21世紀(jì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的基本選擇。太陽能就是一種可再生清潔能源,長(zhǎng)期以來一直受到科學(xué)家的研究和重視。在太陽能的利用中,太陽能制冷空調(diào)是一個(gè)極具發(fā)展前景的領(lǐng)域,也是當(dāng)前制冷技術(shù)研究中的熱點(diǎn)。太陽能制冷具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先是節(jié)能,據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)際上用于民用空調(diào)所耗電能約占民用總電耗的50%。而太陽能是取之不盡,用之不竭的。太陽能制冷用于空調(diào),將大大的減少電力消耗,節(jié)約能源;其次是環(huán)保,根據(jù)《蒙特利爾議定書》,目前壓縮式制冷機(jī)主要使用的CFC類工質(zhì)因?yàn)閷?duì)大氣臭氧層有破壞作用應(yīng)停止使用(美、歐等已停止生產(chǎn)和使用),現(xiàn)在各國(guó)都在研究CFC類工質(zhì)的替代物質(zhì)及替代制冷技術(shù)。太陽能制冷一般采用非氟氯烴類物質(zhì)作為制冷劑,臭氧層破壞系數(shù)(ODP)和溫室效應(yīng)系數(shù)(GWP)均為零,適合當(dāng)前環(huán)保要求,同時(shí)可以減少燃燒化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境污染。太陽能制冷的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是熱量的供給和冷量的需求在季節(jié)和數(shù)量上高度匹配。太陽輻射越強(qiáng)、氣溫越高,冷量需求也越大。太陽能制冷還可以設(shè)計(jì)成多能源系統(tǒng),充分利用余熱、廢氣、天然氣等其他能源。2太陽能和電能太陽能屬于低品位、低密度熱源,太陽能制冷系統(tǒng)不同于蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)。目前,關(guān)于太陽能制冷系統(tǒng)的研究較多[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14],從原理上看主要包括兩種,一種是以熱能為驅(qū)動(dòng)能源,如吸收式、吸附式、噴射式制冷等;另外一種是以電能為驅(qū)動(dòng)能源,先把太陽能轉(zhuǎn)化成電能,然后再利用電能來制冷,如光電式制冷,熱電制冷等。下面主要介紹幾種常用的太陽能制冷系統(tǒng)的基本原理和特點(diǎn)。2.1吸收式制冷機(jī)用熱源吸收式制冷是利用溶液濃度的變化來獲取冷量的裝置,即制冷劑在一定壓力下蒸發(fā)吸熱,再利用吸收劑吸收冷劑蒸汽。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。自蒸發(fā)器出來的低壓蒸汽進(jìn)入吸收器,被吸收劑強(qiáng)烈吸收,吸收過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)生高壓蒸汽,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)。它相當(dāng)于用吸收器和發(fā)生器代替壓縮機(jī),消耗的是熱能。熱源可以利用太陽能、低壓蒸汽、熱水、燃?xì)獾榷喾N形式。吸收式制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)與所使用的制冷劑有關(guān),常用于吸收式制冷機(jī)中的制冷劑大致可分為水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四個(gè)大類。水系工質(zhì)對(duì)是目前研究最熱門的課題之一,對(duì)它的研究主要是針對(duì)現(xiàn)今大量生產(chǎn)的商用LiBr吸收式制冷機(jī)依然存在的易結(jié)晶、腐蝕性強(qiáng)及蒸發(fā)溫度只能在零度以上等缺陷。氨系工質(zhì)對(duì)中包括了最為古老的氨水工質(zhì)對(duì)和近期開始受重視的以甲氨為制冷劑的工質(zhì)對(duì)。由于氨水工質(zhì)對(duì)具有互溶極強(qiáng)、液氨蒸發(fā)潛熱大等優(yōu)點(diǎn),它至今仍被廣泛用于各類吸收式制冷機(jī)。人們對(duì)氨水工質(zhì)對(duì)的研究主要是針對(duì)它的一些致命的缺陷,如:COP較溴化鋰小;工作壓力高,具有一定的危險(xiǎn)性;有毒;氨和水之間沸點(diǎn)相差不夠大,需要精餾等。吸收式空調(diào)采用溴化鋰或氨水制冷機(jī)方案,雖然技術(shù)相對(duì)成熟,但系統(tǒng)成本比壓縮式高,主要用于大型空調(diào),如中央空調(diào)等。2.2吸附裝置的裝置根據(jù)吸附劑與吸附質(zhì)之間作用關(guān)系不同,吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是依靠吸附劑與吸附質(zhì)分子之間的弱范德華力來實(shí)現(xiàn)吸附過程的?；瘜W(xué)吸附是吸附質(zhì)分子與吸附劑表面原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成表面絡(luò)合物的過程。一個(gè)基本的吸附式制冷系統(tǒng)由吸附床(集熱器)、冷凝器、蒸發(fā)器和閥門等構(gòu)成,如圖2所示。工作過程由熱解吸和冷卻吸附組成?；狙h(huán)過程是利用太陽能或者其他熱源,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)過程。基本循環(huán)是一個(gè)間歇式的過程,循環(huán)周期長(zhǎng),COP值低,一般可以用兩個(gè)吸附床實(shí)現(xiàn)交替連續(xù)制冷,通過切換兩床的工作狀態(tài)及相應(yīng)的外部加熱冷卻狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)循環(huán)連續(xù)工作。常有的吸附對(duì)主要有:活性炭—甲醇、沸石—水、硅膠—水、金屬氫化物—?dú)?物理吸附)和氯化鈣—氨、氯化鍶—氨(化學(xué)吸附)等,目前應(yīng)用較多的是前兩者。各工質(zhì)對(duì)的吸附動(dòng)力學(xué)特性是吸附制冷的基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容。吸附式制冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一次投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)、無噪音、無環(huán)境污染、能有效利用低品位熱源等一系列優(yōu)點(diǎn)。與吸收式制冷系統(tǒng)相比,吸附式制冷不存在結(jié)晶問題和分餾問題,且能用于振動(dòng)、傾顛或旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)所。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的固體吸附式制機(jī)系統(tǒng),其價(jià)格效用比可優(yōu)于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外都在開展對(duì)固體吸附式制冷和熱泵的研究工作。從吸附工質(zhì)對(duì)的性能、吸附床的傳熱、傳質(zhì)和系統(tǒng)循環(huán)及結(jié)構(gòu)等方面推動(dòng)了吸附制冷的發(fā)展。但與壓縮式及吸收式制冷相比,吸附式制冷還很不成熟。主要問題在于:固體吸附劑為多微孔介質(zhì),比表面大,導(dǎo)熱性能很低,因而吸附/解吸所需時(shí)間長(zhǎng);單位質(zhì)量吸附劑的制冷功率較小,使得吸附制冷機(jī)尺寸較大;吸附制冷雖然可以采用回?zé)?然而仍有大量的熱量損失,使得系統(tǒng)制冷性能系數(shù)(COP)值不夠高。2.3噴射式制冷系統(tǒng)噴射式制冷系統(tǒng)的原理如圖3所示。制冷劑在換熱器中吸熱后汽化、增壓,產(chǎn)生飽和蒸汽,蒸汽進(jìn)入噴射器,經(jīng)過噴嘴高速噴出膨脹,在噴嘴附近產(chǎn)生真空,將蒸發(fā)器中的低壓蒸汽吸入噴射器,經(jīng)過噴射器出來的混合氣體進(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)。另一部分通過循環(huán)泵升壓后進(jìn)入換熱器,重新吸熱汽化,他們所做的循環(huán)稱為動(dòng)力循環(huán)。噴射式制冷系統(tǒng)中循環(huán)泵是唯一的運(yùn)動(dòng)部件,系統(tǒng)設(shè)置比吸收式制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單,運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是性能系數(shù)較低。2.4光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及前景這種制冷系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是太陽能發(fā)電的一種應(yīng)用。它利用光伏轉(zhuǎn)換裝置將太陽能轉(zhuǎn)化成電能,經(jīng)過逆變(高頻或者工頻)后驅(qū)動(dòng)一般的壓縮式制冷機(jī),實(shí)質(zhì)仍是壓縮式制冷。這種系統(tǒng)的關(guān)鍵是光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)。雖然光電式太陽能制冷系統(tǒng)已經(jīng)被用于空調(diào)和冰箱,但是目前人們對(duì)其制冷系統(tǒng)特性的研究不多,一般都直接采用常規(guī)的空調(diào)或冰箱,壓縮機(jī)一般都沒有考慮光伏系統(tǒng)的特性,因而整個(gè)系統(tǒng)的效率尚不能與專用的直流壓縮機(jī)相比,成本比直接以熱能為動(dòng)力的制冷循環(huán)高的多(約3~4倍),這是其最大的缺點(diǎn)。值得一提的是太陽能發(fā)電不僅可以用于制冷空調(diào),還可以用于其他電器,或者并入電網(wǎng)。隨著光伏轉(zhuǎn)換裝置效率的提高和成本的降低,加上許多國(guó)家政府的大力扶助,太陽能發(fā)電得到迅速發(fā)展。例如美國(guó)采取的一項(xiàng)重要措施是實(shí)施“百萬太陽能屋頂計(jì)劃”,提出到2010年要在全國(guó)的屋頂上安裝101.4萬套太陽能裝置,光伏組件累計(jì)用量將達(dá)到3025MW。日本通產(chǎn)省提出的“新能源推廣的基本原則”要求到2010年安裝光伏容量累計(jì)達(dá)到5000MW。我國(guó)也已經(jīng)把太陽能光伏發(fā)電作為“十五”重點(diǎn)推廣的能源項(xiàng)目之一。隨著太陽能發(fā)電的發(fā)展,光電式太陽能制冷作為光伏技術(shù)與制冷技術(shù)的集成產(chǎn)品,作為龐大的制冷空調(diào)市場(chǎng)和潛力巨大的光伏市場(chǎng)兩者的結(jié)合點(diǎn),將有廣闊的發(fā)展前景。此外,還有其他一些制冷系統(tǒng),比如太陽能半導(dǎo)體空調(diào),它利用的是熱電轉(zhuǎn)換原理,但是由于其成本很高,目前只應(yīng)用在一些有限的領(lǐng)域。3太陽能吸附式制冷技術(shù)吸收式制冷技術(shù)出現(xiàn)的最早,技術(shù)相對(duì)成熟。目前太陽能溴化鋰吸收式制冷機(jī)已廣泛地應(yīng)用在大型空調(diào)領(lǐng)域。例如我國(guó)首座大型太陽能空調(diào)系統(tǒng),制冷能力可達(dá)100kW,冷媒水溫度6~9℃,熱源水溫在60~75℃能很正常地制冷,COP初步預(yù)算大于0.4,可以滿足面積超過600平方米的辦公和會(huì)議室的空調(diào)需求。為了使水/溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)得到更為廣泛的應(yīng)用,向廣闊的家用空調(diào)領(lǐng)域發(fā)展,必須使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空冷化和小型化。當(dāng)前對(duì)水/溴化鋰制冷機(jī)組的空冷化研究是其研究的一個(gè)重要方向。而對(duì)于水/溴化鋰吸收制冷工質(zhì)的性能研究則集中在改進(jìn)其特性上,主要有如下幾個(gè)方面:(1)提高溴化鋰的溶解度,在較高濃度、較低溫度和較低壓力的條件下,避免溴化鋰結(jié)晶的析出,以便采用風(fēng)冷;(2)在提高溴化鋰溶解度的同時(shí),進(jìn)一步提高溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的性能系數(shù);(3)減輕溴化鋰溶液對(duì)金屬材料的腐蝕作用;(4)采用輔助制冷劑,進(jìn)一步提高吸收式制冷循環(huán)的性能系數(shù);(5)采用表面活性劑,減小吸收界面的傳質(zhì)阻力,改善吸收過程,減小吸收面積。此外,正在研究的吸收式制冷系統(tǒng)有無泵溴化鋰機(jī)、小型氨水制冷及其循環(huán)泵,多效吸收制冷等等。還有一種采用開式循環(huán)的開式除濕冷卻型空調(diào),系統(tǒng)的成本較低,可以較好的控制溫度和濕度,也是比較有發(fā)展前景的空調(diào)系統(tǒng)。在太陽能吸附式制冷技術(shù)方面,從目前的研究來看,進(jìn)一步發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問題主要有:吸附床傳熱傳質(zhì)性能如何進(jìn)一步強(qiáng)化;吸附床/集熱器白天的集熱和夜間的散熱之間的關(guān)系如何有效的解決;對(duì)于以甲醇和水等低蒸汽壓吸附質(zhì)作為制冷劑的負(fù)壓系統(tǒng),如何長(zhǎng)期維持系統(tǒng)的真空度;如何將夜間的制冷量有效地貯存到白天使用等等。吸附式制冷的循環(huán)類型有基本型、連續(xù)型、連續(xù)回?zé)嵝?、熱波型及?duì)流熱波型等。前三種目前已經(jīng)有成功的樣機(jī),而后兩種的研究目前大多是理論模擬,需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。對(duì)高級(jí)循環(huán)系統(tǒng)的研究將有利于提高太陽能吸附制冷的性能系數(shù),降低系統(tǒng)成本。太陽能吸附式制冷技術(shù)的一個(gè)主要應(yīng)用是太陽能制冰機(jī)。表1列出了一些國(guó)內(nèi)外的研究成果。在噴射式制冷技術(shù)方面,Sokolov針對(duì)其COP較低的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了增壓噴射循環(huán)和壓縮噴射混合循環(huán)兩種解決方案,以消耗少量電能為代價(jià),換取系統(tǒng)性能系數(shù)的大幅提高。Sokolov的工作促進(jìn)了太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的研究,將噴射器與其他系統(tǒng)結(jié)合使用,可以有效的改進(jìn)工藝過程、降低能耗或者在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出新的更高效的制冷系統(tǒng)。據(jù)此思想,人們提出了噴射—壓縮和噴射—吸收等混合系統(tǒng)。方承超對(duì)太陽能為熱源的增強(qiáng)型噴射式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析,初步實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)的COP值比傳統(tǒng)的純噴射制冷循環(huán)的COP值提高50%。太陽能制冷技術(shù)中的另一個(gè)關(guān)鍵因素是太陽能集熱板。目前的太陽能集熱板主要有平板式和真空管式,效率有待提高。在太陽能吸熱材料方面的研究,我國(guó)清華大學(xué),北京太陽能研究所等單位先后研制出一系列優(yōu)良的選擇性涂層材料,如黑鈷選擇性吸收涂層和鋁—氮/鋁太陽光譜選擇性吸收涂層。目前國(guó)內(nèi)外所研制的選擇性吸收涂層材料正在向多層化、梯度化方向發(fā)展。從已達(dá)到的水平來看,光熱轉(zhuǎn)換材料的性能還可進(jìn)一步提高。如德國(guó)一研究所的研究表明,在平板蓋板表面上進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)處理,以增加太陽光透射率,減少太陽能的反射損失,可以使太陽能的熱利用效率得到了進(jìn)一步提高。除了吸熱性能外,還要求太陽能集熱板的使用壽命要長(zhǎng),生產(chǎn)成本要低等。Grossman對(duì)采用溴化鋰—水的太陽能空調(diào)系統(tǒng)的研究指出,吸收式制冷中太陽能集熱器的成本約占系統(tǒng)成本的50%以上,集熱和儲(chǔ)熱裝置的成本占系統(tǒng)成本的絕大部分,所以采用雙效和單效循環(huán)的系統(tǒng)時(shí),成本相差不大,但是雙效循環(huán)的COP較高。而采用三效循環(huán),成本就會(huì)增加一倍。高效太陽能集熱材料的研究有利于減少集熱面積,降低系統(tǒng)成本,促進(jìn)太陽能制冷的發(fā)展和應(yīng)用。雖然與壓縮式制冷相比,太陽能制冷技術(shù)目前還不是很成熟,但是因?yàn)槠洵h(huán)保節(jié)能的特點(diǎn),決定了它良好的發(fā)展前景。目前,制約其廣泛應(yīng)用的主要原因是成本較高。太陽能制冷要降低成本,一方面要大力開發(fā)高效太陽能集熱板,提高熱力學(xué)性能;另一方面,走產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路。為此,可以與太陽能熱水器的應(yīng)用相結(jié)合(如太陽能冰箱-熱水器復(fù)合機(jī)),太陽能制冷與太陽能熱水器結(jié)合,實(shí)行冷熱聯(lián)產(chǎn)。太陽能