[科普中國]-太陽能冷卻制冷

實(shí)現(xiàn)途徑

太陽能冷卻制冷實(shí)現(xiàn)方法，主要有兩大途徑：

一是利用太陽能集熱器等實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，以熱制冷；二是利用光電轉(zhuǎn)換器等實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，以電制冷。后者是先把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再利用電來制冷，如光電式、熱電式制冷等。但是由于其成本太高，目前研究應(yīng)用較少。而吸收式、吸附式、噴射式等光熱制冷方式研究和應(yīng)用較多，其中，吸收式和噴射式制冷都已進(jìn)入應(yīng)用階段，吸附式還處于研究階段。1

系統(tǒng)組成太陽能冷卻制冷系統(tǒng)組成主要由太陽能集熱裝置、熱驅(qū)動制冷裝置和輔助熱源組成。太陽能集熱裝置的主要構(gòu)件就是太陽能集熱器，還包括儲熱器和調(diào)節(jié)裝置口太陽能集熱器是用特殊的吸收裝置將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，常用集熱器為平板式和真空管式，采用水作為介質(zhì)。真空管式效率相對較高，介質(zhì)溫度可以達(dá)到150℃。

熱驅(qū)動制冷裝置為吸收式制冷機(jī)、吸附式制冷機(jī)、噴射式制冷機(jī)。輔助熱源是在太陽能不足時為熱馭動制冷裝置提供熱能的常規(guī)供熱裝置。太陽能集熱器吸收太陽能，并轉(zhuǎn)換成為熱能，由儲熱器將熱能儲存起來，這部分熱能同輔助熱源提供的熱能一起被用來驅(qū)動制冷機(jī)，為建筑提供冷量。2

優(yōu)點(diǎn)太陽能冷卻制冷具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)。

1、節(jié)能

據(jù)統(tǒng)計(jì)，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。

2、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)，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)。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)。而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，同時使用太陽能制冷技術(shù)還可以減少燃燒化石能源發(fā)電所帶來的環(huán)境污染。

3、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。但太陽能制冷系統(tǒng)的應(yīng)用比加熱系統(tǒng)要少，一些利用太陽能加熱的建筑物已設(shè)計(jì)、建成和工作了相當(dāng)長的時間，有比較成熟的使用經(jīng)驗(yàn)。而太陽能制冷問題，如何合理的選擇制冷機(jī)的熱源溫度、冷水溫度和冷卻水溫度，它不像常規(guī)制冷系統(tǒng)那樣可以根據(jù)比較成熟的經(jīng)驗(yàn)和理論去選擇某個較為經(jīng)濟(jì)合理的數(shù)值，而必須考慮集熱器效率。2

分類吸收式制冷1、原理

吸收式太陽能制冷系統(tǒng)是利用太陽能提供的熱能帶動吸收式制冷機(jī)制冷口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燕氣液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱產(chǎn)生的低溫冷凍水用于制冷，然后低壓制冷劑蒸氣進(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，被太陽能驅(qū)動熱源加熱后蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓蒸氣，進(jìn)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)。

2、工質(zhì)選擇

吸收式制冷系統(tǒng)的工質(zhì)，對制冷系統(tǒng)性能的影響很大。進(jìn)行選擇時，通常依照下列原則。

①制冷工質(zhì)的揮發(fā)性要比吸收溶液的揮發(fā)性好，而且吸收溶液的揮發(fā)性要盡可能小，以免吸收溶液隨制冷工質(zhì)在發(fā)生器中一起蒸發(fā)，然后進(jìn)入冷凝器，從而造成阻塞或降低性能系數(shù)。

②制冷工質(zhì)和吸收溶液之間的親和力小，加熱時制冷工質(zhì)可以從其中分離出去。

③制冷工質(zhì)和吸收溶液無毒、無腐蝕作用，且穩(wěn)定性好。

④制冷工質(zhì)的蒸發(fā)潛熱大，傳熱性能好，從而減少制冷工質(zhì)的循環(huán)流量。

⑤制冷工質(zhì)和吸收溶液的黏性低，流動壓阻小。

根據(jù)以上原則，目前使用最多的制冷工質(zhì)組合是NH3-H2O和H2O-LiBr兩種。

3、效率

太陽能制冷系統(tǒng)的總效率是由太陽能集熱器效率和配套的制冷機(jī)效率決定的。當(dāng)系統(tǒng)的能量全部由太陽能集熱器提供，且僅僅考慮系統(tǒng)的熱能效率時，系統(tǒng)的總效率應(yīng)為

η=制冷機(jī)效率×太陽能集熱器的效率=COP×ηc

式中

COP——制冷機(jī)的性能系數(shù)；

ηc——太陽能集熱器的效率。

吸收式制冷機(jī)的性能系數(shù)隨太陽能驅(qū)動熱源溫度的升高而增大。

集熱器效率隨著太陽輻射強(qiáng)度的上升而增大；而隨著介質(zhì)(水)溫度的上升，集熱器的熱損失增大，即集熱器的效率降低。2

吸附式制冷1、特點(diǎn)

雖然太陽能吸附制冷系統(tǒng)的CDP值很少超過0. 15。但是與吸收式制冷相比，吸附式制冷可采用低品位熱能作為驅(qū)動能源，特別是適合采用能量密度低的太陽能；它所使用的是無污染或少污染的工質(zhì)對；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、可靠；操作簡便；無運(yùn)動部件、使用壽命長、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、無噪聲。吸收式制冷機(jī)絕大部分適用于大中型系統(tǒng)，不適用于小型空調(diào)，而固體吸附式制冷工藝卻適用于小型裝置，能夠單獨(dú)由太陽能驅(qū)動運(yùn)行，冷凝器用空氣自然冷卻，在家庭小型應(yīng)用，改善生活條件及邊遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)療、冷藏等方面具有良好的應(yīng)用前景。

2、原理

太陽能吸附式制冷系統(tǒng)主要由吸附床(即集熱器)、冷凝器、蒸發(fā)器和閥門等構(gòu)成。其基本的工作過程包括吸熱解吸和冷卻吸附。具體工作流程為：白天，吸附床被太陽能加熱，吸附質(zhì)便從吸附劑中解吸脫附，當(dāng)吸附質(zhì)蒸汽壓力達(dá)到冷凝壓力后，進(jìn)入冷凝器冷凝，然后凝結(jié)液經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器并儲存起來；到晚上，吸附床被環(huán)境空氣冷卻，吸附劑開始吸附制冷劑蒸汽，當(dāng)系統(tǒng)壓力下降到蒸發(fā)溫度下的飽和壓力時，蒸發(fā)器中的液體開始蒸發(fā)制冷，而產(chǎn)生的蒸汽繼續(xù)被吸附劑吸附，直到吸附結(jié)束，至此完成一個吸附制冷循環(huán)。

由此可見，太陽能吸附式制冷系統(tǒng)的循環(huán)過程是間歇式的。系統(tǒng)運(yùn)行時，白天為加熱解吸過程，晚上為吸附制冷過程，晚上制成的冰塊在白天供用戶使用。

3、工質(zhì)

工質(zhì)的性能是影響吸附式制冷系統(tǒng)性能、效率和成本的重要因素之一。通過優(yōu)化選擇吸附一制冷工質(zhì)可以增大單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量，提高系統(tǒng)的制冷系數(shù)，減小設(shè)備尺寸，縮短循環(huán)時間，使整機(jī)的性能有較大的提高，還可以配合不同的熱源、制冷工況、設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊要求。所以太陽能驅(qū)動的吸附式制冷系統(tǒng)能否得到應(yīng)用，很大程度上取決于所選用的工質(zhì)。

已研究的吸附工質(zhì)體系主要有：沸石體系、活性炭體系、硅膠體系、氯化鈣體系等。在上述的工質(zhì)中，沸石分子篩一水、活性炭一氨或甲醇、硅膠一水、氯化鈣一氨等已在實(shí)際的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)中得到應(yīng)用，目前應(yīng)用較多的是前兩者。2

蒸汽噴射式制冷1、原理

太陽能蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)包括太陽能集熱循環(huán)和噴射式制冷循環(huán)。在太陽能集熱循環(huán)中，被太陽能加熱的水通過平板集熱器、儲熱水槽，將低沸點(diǎn)工質(zhì)(CFC-11 , HCFC-123, R22、水等)加熱，使之成為高壓制冷劑蒸氣。而溫度降低了的水又回到集熱器中被重新加熱。

噴射制冷循環(huán)的過程是：由儲熱水槽出來的高壓制冷劑蒸氣(可稱為工作蒸氣)通過噴嘴時，由于出流速度高，在噴嘴附近產(chǎn)生真空，從而將蒸發(fā)器中的低壓制冷劑蒸氣引吸到吸入室，與工作蒸氣混合。此混合氣流通過擴(kuò)壓器后，速度降低、壓力增加，隨后流人冷凝器被冷凝。而冷凝后的液體分為兩部分，一部分經(jīng)膨脹閥降壓后，在蒸發(fā)器中汽化，因吸收冷凍水的熱量而達(dá)到制冷的目的；另一部分則通過循環(huán)泵升壓后返回到儲熱水槽中加熱為高壓制冷劑蒸氣，如此不斷循環(huán)。

2、效率

太陽能噴射制冷系統(tǒng)的總效率由太陽能集熱器效率和配套的噴射制冷機(jī)效率決定。當(dāng)制冷系統(tǒng)的能量全部由太陽能集熱器提供，循環(huán)泵消耗的機(jī)械能相對較少，可忽略不計(jì)，而僅僅考慮系統(tǒng)的熱能效率時，系統(tǒng)的總效率應(yīng)為仍可用

η=制冷機(jī)效率×太陽能集熱器的效率=COP×ηc

式中

COP——噴射式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)；

ηc——太陽能集熱器的效率。

3、改進(jìn)方法

太陽能噴射制冷方式同其他制冷方式相比，其性能系數(shù)偏低，因而在經(jīng)濟(jì)性上不具有競爭力。只有提高它的系統(tǒng)性能，才有可能開發(fā)出實(shí)用的制冷產(chǎn)品，復(fù)合式噴射制冷循環(huán)是近年來比較引人注目的方案。

目前改進(jìn)的方法有吸收一噴射復(fù)合制冷系統(tǒng)、熱管噴射式制冷系統(tǒng)和太陽能吸附一噴射聯(lián)合制冷系統(tǒng)。2

壓縮式制冷這種系統(tǒng)是利用集熱器加熱，形成高壓蒸汽，然后推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動壓縮機(jī)完成制冷任務(wù)的。由于壓縮機(jī)是在制冷裝置中最為廣泛和成熟的裝置，因此，此系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。

整個系統(tǒng)分為三部分，上邊為太陽能集熱循環(huán)，左邊為熱機(jī)循環(huán)(即低壓蒸汽推動汽輪機(jī)對外做功)，右邊是蒸汽壓縮式制冷機(jī)循環(huán)。

在太陽能集熱循環(huán)中，被太陽能加熱的集熱介質(zhì)吸收太陽能，溫度升高到約102℃；然后通過預(yù)熱器、鍋爐(換熱器)和汽液分離器、經(jīng)幾次放熱后，溫度降低為約96℃。然后再進(jìn)入太陽能集熱器，進(jìn)行下一個循環(huán)，如此周而復(fù)始，不斷將太陽能傳遞到熱機(jī)循環(huán)中。2