1 前 言
隨著人們節能和環保意識的加深, 開發新能源和可再生能源已經成為許多發達國家和發展中國家21 世紀能源發展戰略的基本選擇。太陽能就是一種可再生清潔能源, 長期以來一直受到科學家的研究和重視。在太陽能的利用中, 太陽能制冷空調是一個極具發展前景的領域, 也是當前制冷技術研究中的熱點。
太陽能制冷具有以下幾個優點。首先是節能,據統計, 國際上用于民用空調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, 將大大的減少電力消耗, 節約能源; 其次是環保, 根據5蒙特利爾議定書6, 目前壓縮式制冷機主要使用的CFC 類工質因為對大氣臭氧層有破壞作用應停止使用( 美、歐等已停止生產和使用) , 現在各國都在研究CFC 類工質的替代物質及替代制冷技術。太陽能制冷一般采用非氟氯烴類物質作為制冷劑, 臭氧層破壞系數( ODP) 和溫室效應系數( GWP) 均為零, 適合當前環保要求,同時可以減少燃燒化石能源發電帶來的環境污染。
太陽能制冷的另外一個優勢是熱量的供給和冷量的需求在季節和數量上高度匹配。太陽輻射越強、氣溫越高, 冷量需求也越大。太陽能制冷還可以設計成多能源系統, 充分利用余熱、廢氣、天然氣等其他能源。
2 太陽能制冷技術的原理和特點
太陽能屬于低品位、低密度熱源, 太陽能制冷系統不同于蒸氣壓縮式制冷系統。目前, 關于太陽能制冷系統的研究較多[ 1~ 14], 從原理上看主要包括兩種, 一種是以熱能為驅動能源, 如吸收式、吸附式、噴射式制冷等; 另外一種是以電能為驅動能源,先把太陽能轉化成電能, 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的基本原理和特點。
2. 1 吸收式制冷原理和特點
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吸熱, 再利用吸收劑吸收冷劑蒸汽。系統簡圖如圖1 所示。自蒸發器出來的低壓蒸汽進入吸收器, 被吸收劑強烈吸收, 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生器中, 被熱源加熱后蒸發, 產生高壓蒸汽, 進入冷凝器冷卻, 而稀溶液減壓回流到吸收器, 完成一個循環。它相當于用吸收器和發生器代替壓縮機, 消耗的是熱能。熱源可以利用太陽能、低壓蒸汽、熱水、燃氣等多種形式。
圖1 太陽能吸收制冷系統簡圖
吸收式制冷系統的特點與所使用的制冷劑有關, 常用于吸收式制冷機中的制冷劑大致可分為水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四個大類。水系工質對是目前研究最熱門的課題之一, 對它的研究主要是針對現今大量生產的商用LiBr 吸收式制冷機依然存在的易結晶、腐蝕性強及蒸發溫度只能在零度以上等缺陷。氨系工質對中包括了最為古老的氨水工質對和近期開始受重視的以甲氨為制冷劑的工質對。由于氨水工質對具有互溶極強、液氨蒸發潛熱大等優點, 它至今仍被廣泛用于各類吸收式制冷機。人們對氨水工質對的研究主要是針對它的一些致命的缺陷, 如: COP 較溴化鋰小; 工作壓力高, 具有一定的危險性; 有毒; 氨和水之間沸點相差不夠大, 需要精餾等。吸收式空調采用溴化鋰或氨水制冷機方案, 雖然技術相對成熟, 但系統成本比壓縮式高,主要用于大型空調, 如中央空調等。
2. 2 吸附式制冷原理和特點
根據吸附劑與吸附質之間作用關系不同, 吸附可分為物理吸附和化學吸附。物理吸附是依靠吸附劑與吸附質分子之間的弱范德華力來實現吸附過程的。化學吸附是吸附質分子與吸附劑表面原子發生化學反應, 生成表面絡合物的過程。一個基本的吸附式制冷系統由吸附床( 集熱器) 、冷凝器、蒸發器和閥門等構成, 如圖2 所示。工作過程由熱解吸和冷卻吸附組成。基本循環過程是利用太陽能或者其他熱源, 使吸附劑和吸附質形成的混合物( 或絡合物) 在吸附器中發生解吸, 放出高溫高壓的制冷劑氣體進入冷凝器, 冷凝出來的制冷劑液體由節流閥進入蒸發器。制冷劑蒸發時吸收熱量, 產生制冷效果, 蒸發出來的制冷劑氣體進入吸附發生器, 被吸附后形成新的混合物( 或絡合物) , 從而完成一次吸附制冷循環過程。基本循環是一個間歇式的過程, 循環周期長, COP 值低, 一般可以用兩個吸附床實現交替連續制冷, 通過切換兩床的工作狀態及相應的外部加熱冷卻狀態來實現循環連續工作。常有的吸附對主要有: 活性炭) 甲醇、沸石) 水、硅膠) 水、金屬氫化物) 氫( 物理吸附) 和氯化鈣) 氨、氯化鍶) 氨( 化學吸附) 等, 目前應用較多的是前兩者。各工質對的吸附動力學特性是吸附制冷的基礎研究內容。
圖2 太陽能吸附式制冷系統簡圖
吸附式制冷具有結構簡單、一次投資少、運行費用低、使用壽命長、無噪音、無環境污染、能有效利用低品位熱源等一系列優點。與吸收式制冷系統相比, 吸附式制冷不存在結晶問題和分餾問題,且能用于振動、傾顛或旋轉的場所。一個設計良好的固體吸附式制機系統, 其價格效用比可優于蒸汽壓縮式制冷系統。國內外都在開展對固體吸附式制冷和熱泵的研究工作。從吸附工質對的性能、吸附床的傳熱、傳質和系統循環及結構等方面推動了吸附制冷的發展。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, 比表面大, 導熱性能很低, 因而吸附/ 解吸所需時間長; 單位質量吸附劑的制冷功率較小, 使得吸附制冷機尺寸較大; 吸附制冷雖然可以采用回熱, 然而仍有大量的熱量損失, 使得系統制冷性能系數( COP) 值不夠高。
2. 3 噴射式制冷原理和特點
噴射式制冷系統的原理如圖3 所示。制冷劑在換熱器中吸熱后汽化、增壓, 產生飽和蒸汽, 蒸汽進入噴射器, 經過噴嘴高速噴出膨脹, 在噴嘴附近產生真空, 將蒸發器中的低壓蒸汽吸入噴射器, 經過噴射器出來的混合氣體進入冷凝器放熱、凝結,然后冷凝液的一部分通過節流閥進入蒸發器吸收熱量后汽化, 這部分工質完成的循環是制冷循環。另一部分通過循環泵升壓后進入換熱器, 重新吸熱汽化, 他們所做的循環稱為動力循環。
圖3 太陽能噴射式制冷系統簡圖
噴射式制冷系統中循環泵是唯一的運動部件,系統設置比吸收式制冷系統簡單, 運行穩定, 可靠性較高等優點。缺點是性能系數較低。
2. 4 光電式太陽能制冷原理和特點
過逆變( 高頻或者工頻) 后驅動一般的壓縮式制冷機, 實質仍是壓縮式制冷。這種系統的關鍵是光伏轉換技術。雖然光電式太陽能制冷系統已經被用于空調和冰箱, 但是目前人們對其制冷系統特性的研究不多, 一般都直接采用常規的空調或冰箱, 壓縮機一般都沒有考慮光伏系統的特性, 因而整個系統的效率尚不能與專用的直流壓縮機相比, 成本比直接以熱能為動力的制冷循環高的多( 約3 ~ 4倍) , 這是其最大的缺點。值得一提的是太陽能發電不僅可以用于制冷空調, 還可以用于其他電器,或者并入電網。隨著光伏轉換裝置效率的提高和成本的降低, 加上許多國家政府的大力扶助, 太陽能發電得到迅速發展。例如美國采取的一項重要措施是實施/ 百萬太陽能屋頂計劃0, 提出到2010年要在全國的屋頂上安裝101. 4 萬套太陽能裝置,
光伏組件累計用量將達到3025 MW。日本通產省提出的/ 新能源推廣的基本原則0要求到2010 年安裝光伏容量累計達到5000 MW。我國也已經把太陽能光伏發電作為/ 十五0 重點推廣的能源項目之一。隨著太陽能發電的發展, 光電式太陽能制冷作為光伏技術與制冷技術的集成產品, 作為龐大的制冷空調市場和潛力巨大的光伏市場兩者的結合點,將有廣闊的發展前景。此外, 還有其他一些制冷系統, 比如太陽能半導體空調, 它利用的是熱電轉換原理, 但是由于其成本很高, 目前只應用在一些有限的領域。
3 太陽能制冷的研究現狀與展望
吸收式制冷技術出現的最早, 技術相對成熟。目前太陽能溴化鋰吸收式制冷機已廣泛地應用在大型空調領域。例如我國首座大型太陽能空調系統, 制冷能力可達100 kW, 冷媒水溫度6~ 9 e ,熱源水溫在60~ 75 e 能很正常地制冷, COP 初步預算大于0. 4, 可以滿足面積超過600 平方米的辦公和會議室的空調需求。為了使水/ 溴化鋰吸收式制冷系統得到更為廣泛的應用, 向廣闊的家用空調領域發展, 必須使系統實現空冷化和小型化。當前對水/ 溴化鋰制冷機組的空冷化研究是其研究的一個重要方向。而對于水/ 溴化鋰吸收制冷工質的性能研究則集中在改進其特性上, 主要有如下幾個方面:
( 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, 避免溴化鋰結晶的析出, 以便采用風冷;
( 2) 在提高溴化鋰溶解度的同時, 進一步提高溴化鋰吸收式制冷循環的性能系數;
( 3) 減輕溴化鋰溶液對金屬材料的腐蝕作用;
( 4) 采用輔助制冷劑, 進一步提高吸收式制冷循環的性能系數;
( 5) 采用表面活性劑, 減小吸收界面的傳質阻力, 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有無泵溴化鋰機、小型氨水制冷及其循環泵, 多效吸收制冷等等。還有一種采用開式循環的開式除濕冷卻型空調, 系統的成本較低, 可以較好的控制溫度和濕度, 也是比較有發展前景的空調系統。
在太陽能吸附式制冷技術方面, 從目前的研究來看, 進一步發展需要解決的關鍵問題主要有: 吸附床傳熱傳質性能如何進一步強化; 吸附床/ 集熱器白天的集熱和夜間的散熱之間的關系如何有效的解決; 對于以甲醇和水等低蒸汽壓吸附質作為制冷劑的負壓系統, 如何長期維持系統的真空度; 如何將夜間的制冷量有效地貯存到白天使用等等 。吸附式制冷的循環類型有基本型、連續型、連續回熱型、熱波型及對流熱波型等。前三種目前已經有成功的樣機, 而后兩種的研究目前大多是理論模擬, 需要進一步的試驗研究。對高級循環系統的研究將有利于提高太陽能吸附制冷的性能系數,降低系統成本。太陽能吸附式制冷技術的一個主要應用是太陽能制冰機。表1 列出了一些國內外的研究成果。
在噴射式制冷技術方面, Sokolov 針對其COP較低的缺點, 設計了增壓噴射循環和壓縮噴射混合循環兩種解決方案, 以消耗少量電能為代價, 換取系統性能系數的大幅提高。Sokolov 的工作促進了太陽能噴射式制冷系統的研究, 將噴射器與其他系統結合使用, 可以有效的改進工藝過程、降低能耗或者在不增加系統復雜性的基礎上產生出新的更高效的制冷系統。據此思想, 人們提出了噴射)壓縮和噴射) 吸收等混合系統。方承超對太陽能為熱源的增強型噴射式制冷系統進行了熱力學分析, 初步實驗表明系統的COP 值比傳統的純噴射制冷循環的COP 值提高50 % 。太陽能制冷技術中的另一個關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, 我國清華大學, 北京太陽能研究所等單位先后研制出一系列優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。目前國內外所研制的選擇性吸收涂層材料正在向多層化、梯度化方向發展。從已達到的水平來看, 光熱轉換材料的性能還可進一步提高。如德國一研究所的研究表明, 在平板蓋板表面上進行納米結構處理, 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, 生產成本要低等。Grossman 對采用溴化鋰) 水的太陽能空調系統的研究指出, 吸收式制冷中太陽能集熱器的成本約占系統成本的50% 以上, 集熱和儲熱裝置的成本占系統成本的絕大部分, 所以采用雙效和單效循環的系統時, 成本相差不大, 但是雙效循環的COP 較高。而采用三效循環, 成本就會增加一倍[ 14] 。高效太陽能集熱材料的研究有利于減少集熱面積, 降低系統成本,促進太陽能制冷的發展和應用。
表1 太陽能制冷技術的部分研究進展
雖然與壓縮式制冷相比, 太陽能制冷技術目前還不是很成熟, 但是因為其環保節能的特點, 決定了它良好的發展前景。目前, 制約其廣泛應用的主要原因是成本較高。太陽能制冷要降低成本, 一方面要大力開發高效太陽能集熱板, 提高熱力學性能; 另一方面, 走產業化發展的道路。為此, 可以與太陽能熱水器的應用相結合( 如太陽能冰箱- 熱水器復合機) , 太陽能制冷與太陽能熱水器結合, 實行冷熱聯產。太陽能熱水器的熱銷可以看出太陽能制冷的廣闊前景。2000 年我國太陽能熱水器的年產量達到640 萬平方米, 比1999 年增長率40% ,太陽能熱水器的累計擁有量超過2600 萬平方米,而戶用比例只有3%, 與日本的20% , 以色列的80% 相比, 市場發展潛力巨大[ 15] 。同時, 家用空調和冰箱的需求也是一個巨大的市場, 美國家庭家用空調的持有量為40% , 我國還遠沒有達到, 尤其在中小城鎮和農村地區, 太陽能資源豐富, 利用方便,隨著人們生活水平的提高, 對制冷空調的需求越來越多, 太陽能制冷將會大有用武之地, 必定會為廣大制冷企業帶來無限的商機。
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