1 前 言
隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識的加深, 開發(fā)新能源和可再生能源已經(jīng)成為許多發(fā)達國家和發(fā)展中國家21 世紀能源發(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(diào)是一個極具發(fā)展前景的領(lǐng)域, 也是當前制冷技術(shù)研究中的熱點。
太陽能制冷具有以下幾個優(yōu)點。首先是節(jié)能,據(jù)統(tǒng)計, 國際上用于民用空調(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)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(zhì)因為對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, 適合當前環(huán)保要求,同時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優(yōu)勢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、氣溫越高, 冷量需求也越大。太陽能制冷還可以設(shè)計成多能源系統(tǒng), 充分利用余熱、廢氣、天然氣等其他能源。
2 太陽能制冷技術(shù)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(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~ 14], 從原理上看主要包括兩種, 一種是以熱能為驅(qū)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(qū)動能源,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。
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(fā)吸熱, 再利用吸收劑吸收冷劑蒸汽。系統(tǒng)簡圖如圖1 所示。自蒸發(fā)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(fā)生器中, 被熱源加熱后蒸發(fā), 產(chǎn)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(huán)。它相當于用吸收器和發(fā)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(tǒng)簡圖
吸收式制冷系統(tǒng)的特點與所使用的制冷劑有關(guān), 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(zhì)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(xiàn)今大量生產(chǎn)的商用LiBr 吸收式制冷機依然存在的易結(jié)晶、腐蝕性強及蒸發(fā)溫度只能在零度以上等缺陷。氨系工質(zhì)對中包括了最為古老的氨水工質(zhì)對和近期開始受重視的以甲氨為制冷劑的工質(zhì)對。由于氨水工質(zhì)對具有互溶極強、液氨蒸發(fā)潛熱大等優(yōu)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(zhì)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(diào)采用溴化鋰或氨水制冷機方案, 雖然技術(shù)相對成熟, 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 吸附式制冷原理和特點
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現(xiàn)吸附過程的?；瘜W吸附是吸附質(zhì)分子與吸附劑表面原子發(fā)生化學反應(yīng), 生成表面絡(luò)合物的過程。一個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入冷凝器, 冷凝出來的制冷劑液體由節(jié)流閥進入蒸發(fā)器。制冷劑蒸發(fā)時吸收熱量, 產(chǎn)生制冷效果, 蒸發(fā)出來的制冷劑氣體進入吸附發(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)是一個間歇式的過程, 循環(huán)周期長, COP 值低, 一般可以用兩個吸附床實現(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)來實現(xiàn)循環(huán)連續(xù)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(yīng)用較多的是前兩者。各工質(zhì)對的吸附動力學特性是吸附制冷的基礎(chǔ)研究內(nèi)容。
圖2 太陽能吸附式制冷系統(tǒng)簡圖
吸附式制冷具有結(jié)構(gòu)簡單、一次投資少、運行費用低、使用壽命長、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。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、傾顛或旋轉(zhuǎn)的場所。一個設(shè)計良好的固體吸附式制機系統(tǒng), 其價格效用比可優(yōu)于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。國內(nèi)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(zhì)對的性能、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, 導熱性能很低, 因而吸附/ 解吸所需時間長; 單位質(zhì)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(tǒng)制冷性能系數(shù)( COP) 值不夠高。
2. 3 噴射式制冷原理和特點
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)泵升壓后進入換熱器, 重新吸熱汽化, 他們所做的循環(huán)稱為動力循環(huán)。
圖3 太陽能噴射式制冷系統(tǒng)簡圖
噴射式制冷系統(tǒng)中循環(huán)泵是唯一的運動部件,系統(tǒng)設(shè)置比吸收式制冷系統(tǒng)簡單, 運行穩(wěn)定, 可靠性較高等優(yōu)點。缺點是性能系數(shù)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(qū)動一般的壓縮式制冷機, 實質(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, 壓縮機一般都沒有考慮光伏系統(tǒng)的特性, 因而整個系統(tǒng)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(huán)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(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(chǎn)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(jīng)把太陽能光伏發(fā)電作為/ 十五0 重點推廣的能源項目之一。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)市場和潛力巨大的光伏市場兩者的結(jié)合點,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 太陽能制冷的研究現(xiàn)狀與展望
吸收式制冷技術(shù)出現(xiàn)的最早, 技術(shù)相對成熟。目前太陽能溴化鋰吸收式制冷機已廣泛地應(yīng)用在大型空調(diào)領(lǐng)域。例如我國首座大型太陽能空調(diào)系統(tǒng), 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(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)實現(xiàn)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(zhì)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(jié)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(huán)的性能系數(shù);
( 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(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、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(guān)系如何有效的解決; 對于以甲醇和水等低蒸汽壓吸附質(zhì)作為制冷劑的負壓系統(tǒng), 如何長期維持系統(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)回熱型、熱波型及對流熱波型等。前三種目前已經(jīng)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(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)的一個主要應(yīng)用是太陽能制冰機。表1 列出了一些國內(nèi)外的研究成果。
在噴射式制冷技術(shù)方面, Sokolov 針對其COP較低的缺點, 設(shè)計了增壓噴射循環(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, 換取系統(tǒng)性能系數(shù)的大幅提高。Sokolov 的工作促進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, 可以有效的改進工藝過程、降低能耗或者在不增加系統(tǒng)復雜性的基礎(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)。方承超對太陽能為熱源的增強型噴射式制冷系統(tǒng)進行了熱力學分析, 初步實驗表明系統(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, 我國清華大學, 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。從已達到的水平來看, 光熱轉(zhuǎn)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(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(chǎn)成本要低等。Grossman 對采用溴化鋰) 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, 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(tǒng)成本,促進太陽能制冷的發(fā)展和應(yīng)用。
表1 太陽能制冷技術(shù)的部分研究進展
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, 但是因為其環(huán)保節(jié)能的特點, 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- 熱水器復合機) , 太陽能制冷與太陽能熱水器結(jié)合, 實行冷熱聯(lián)產(chǎn)。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(chǎn)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(fā)展?jié)摿薮?/span>[ 15] 。同時, 家用空調(diào)和冰箱的需求也是一個巨大的市場, 美國家庭家用空調(diào)的持有量為40% , 我國還遠沒有達到, 尤其在中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū), 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(diào)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(yè)帶來無限的商機。
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