[科普中國]-太陽能制冷

應(yīng)用背景

我國土地遼闊，幅員廣大。我國的國土面積，從南到北，自西至東，距離都在5000km以上，總面積達(dá)960萬平方公里，為世界陸地總面積的7%，居世界第3位。在我國廣闊的土地上，有著十分豐富的太陽能資源。

隨著地球的逐漸變暖、地球表面溫度的逐步上升，我國的年平均氣溫也正在逐年升高。人們對夏季空調(diào)的要求越來越強(qiáng)烈，使用空調(diào)的用戶也越來越多。在我國的建筑能耗中，住宅和公共建筑的空調(diào)耗能在全部建筑耗能中占有很大的比重。在太陽能熱利用領(lǐng)域中，不僅有太陽能熱水和采暖，還有太陽能制冷空調(diào)，即用太陽能轉(zhuǎn)換的熱能替代或部分替代常規(guī)能源驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。1

系統(tǒng)分類從理論上講，太陽能制冷可由太陽能光電轉(zhuǎn)換制冷和太陽能光熱轉(zhuǎn)換制冷兩種途徑來實(shí)現(xiàn)。

太陽能光電轉(zhuǎn)換制冷是通過太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，再用電能驅(qū)動(dòng)常規(guī)的壓縮式制冷機(jī)。在目前太陽能電池成本較高的情況下，對于相同的制冷功率，太陽能光電轉(zhuǎn)換制冷系統(tǒng)的成本要比太陽能光熱轉(zhuǎn)換制冷系統(tǒng)的成本高出許多，目前尚難推廣使用。

太陽能光熱轉(zhuǎn)換制冷是將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，再利用熱能驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)制冷，主要有太陽能吸收式制冷系統(tǒng)、太陽能吸附式制冷系統(tǒng)和太陽能噴射式制冷系統(tǒng)。其中，技術(shù)最成熟、應(yīng)用最多的是太陽能吸收式制冷。

制冷方式利用太陽能實(shí)現(xiàn)制冷的可能技術(shù)途徑，主要包括太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，利用熱能制冷，以及將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，利用電能驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備供熱制冷兩大類型。根據(jù)需求，太陽能制冷過程也可以實(shí)現(xiàn)從空調(diào)到冷凍溫區(qū)的不同要求。根據(jù)不同的能量轉(zhuǎn)換方式，太陽能驅(qū)動(dòng)制冷主要有以下兩種方式，一是先實(shí)現(xiàn)光─電轉(zhuǎn)換，再以電力制冷；二是進(jìn)行光─熱轉(zhuǎn)換，再以熱能制冷。2

電轉(zhuǎn)換它是利用光伏轉(zhuǎn)換裝置將太陽能轉(zhuǎn)化成電能后，再用于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)或常規(guī)壓縮式制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制冷的方法，即光電半導(dǎo)體制冷和光電壓縮式制冷。這種制冷方式的前提是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，其關(guān)鍵是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，必須采用光電轉(zhuǎn)換接受器，即光電池，它的工作原理是光伏效應(yīng)。

太陽能半導(dǎo)體制冷。太陽能半導(dǎo)體制冷是利用太陽能電池產(chǎn)生的電能來供給半導(dǎo)體制冷裝置，實(shí)現(xiàn)熱能傳遞的特殊制冷方式。半導(dǎo)體制冷的理論基礎(chǔ)是固體的熱電效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí)，結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象。如何改進(jìn)材料的性能，尋找更為理想的材料，成為了太陽能半導(dǎo)體制冷的重要問題。太陽能半導(dǎo)體制冷在國防、科研、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域廣泛地用作電子器件、儀表的冷卻器，或用在低溫測儀、器械中，或制作小型恒溫器等。目前太陽能半導(dǎo)體制冷裝置的效率還比較低，COP 一般約0.2～0.3，遠(yuǎn)低于壓縮式制冷。

光電壓縮式制冷。光電壓縮式制冷過程首先利用光伏轉(zhuǎn)換裝置將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，制冷的過程是常規(guī)壓縮式制冷。光電壓縮式制冷的優(yōu)點(diǎn)是可采用技術(shù)成熟且效率高的壓縮式制冷技術(shù)便可以方便地獲取冷量。光電壓縮式制冷系統(tǒng)在日照好又缺少電力設(shè)施的一些國家和地區(qū)已得到應(yīng)用，如非洲國家用于生活和藥品冷藏。但其成本比常規(guī)制冷循環(huán)高約3～4 倍。隨著光伏轉(zhuǎn)換裝置效率的提高和成本的降低，光電式太陽能制冷產(chǎn)品將有廣闊的發(fā)展前景。

熱轉(zhuǎn)換太陽能光熱轉(zhuǎn)換制冷，首先是將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，再利用熱能作為外界補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)制冷目的。光─熱轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)制冷主要從以下幾個(gè)方向進(jìn)行，即太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷、太陽能除濕制冷、太陽能蒸汽壓縮式制冷和太陽能蒸汽噴射式制冷。其中太陽能吸收式制冷已經(jīng)進(jìn)入了應(yīng)用階段，而太陽能吸附式制冷還處在試驗(yàn)研究階段。

太陽能吸收式制冷的研究。太陽能吸收式制冷的研究最接近于實(shí)用化，其最常規(guī)的配置是：采用集熱器來收集太陽能，用來驅(qū)動(dòng)單效、雙效或雙級吸收式制冷機(jī)，工質(zhì)對主要采用溴化鋰- 水，當(dāng)太陽能不足時(shí)可采用燃油或燃煤鍋爐來進(jìn)行輔助加熱。系統(tǒng)主要構(gòu)成與普通的吸收式制冷系統(tǒng)基本相同，唯一的區(qū)別就是在發(fā)生器處的熱源是太陽能而不是通常的鍋爐加熱產(chǎn)生的高溫蒸汽、熱水或高溫廢氣等熱源。

太陽能吸附式制冷。太陽能吸附式制冷系統(tǒng)的制冷原理是利用吸附床中的固體吸附劑對制冷劑的周期性吸附、解吸附過程實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。太陽能吸附式制冷系統(tǒng)主要由太陽能吸附集熱器、冷凝器、儲(chǔ)液器、蒸發(fā)器、閥門等組成。常用的吸附劑對制冷劑工質(zhì)對 有活性炭- 甲醇、活性炭- 氨、氯化鈣- 氨、硅膠- 水、金屬氫化物- 氫等。太陽能吸附式制冷具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件、噪聲小、無須考慮腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，而且它的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用都比較低。3

特點(diǎn)優(yōu)勢太陽能空調(diào)的最大優(yōu)點(diǎn)在于季節(jié)適應(yīng)性好:一方面，夏季天氣炎熱、太陽輻射強(qiáng)度大，人們對空調(diào)的需求大;另一方面，由于夏季太陽輻射強(qiáng)度大，使依靠太陽能來驅(qū)動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)可以產(chǎn)生更多的冷量。也就是說，太陽能空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力是隨著太陽輻射能量的增加而增大的，這正好與夏季人們對空調(diào)的迫切需求相匹配。而太陽能熱水器等太陽能熱利用技術(shù)的季節(jié)適應(yīng)性并不是很好:冬季寒冷需要太陽能時(shí)太陽能輻射強(qiáng)度往往不夠高:而夏季天氣炎熱時(shí)太陽能輻射強(qiáng)度則很高，此時(shí)對熱水的需求卻很少。因此，太陽能空調(diào)制冷顯然是夏季太陽能有效利用的最佳方案。

除了季節(jié)適應(yīng)好這個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)以外，太陽能空調(diào)還具有以下幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn):

采用非氟氯烴化合物為工質(zhì)，對大氣層無破壞作用，有利于環(huán)境保護(hù);

系統(tǒng)無運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)轉(zhuǎn)安靜，噪聲很低;

可以將夏季制冷、冬季采暖和其它季節(jié)提供熱水三種功能結(jié)合起來，做到一機(jī)多用，四季常用，從而可以顯著地提高太陽能系統(tǒng)的利用率和經(jīng)濟(jì)性。1

發(fā)展現(xiàn)狀20 世紀(jì)70 年代以來，受石油危機(jī)的影響，許多國家加強(qiáng)了對于可再生能源的支持。太陽能科技突飛猛進(jìn)，研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，取得了一批較為重要的成果，如復(fù)合拋物面鏡聚光集熱器、真空管集熱器、非晶硅太陽能電池、太陽能熱發(fā)電、光解水制氫等。1992 年聯(lián)合國在巴西召開“世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”，會(huì)議通過了《里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言》、《21 世紀(jì)議程》等一系列重要文件。1992 年以后，世界太陽能利用又進(jìn)入一個(gè)發(fā)展期，其特點(diǎn)是太陽能利用與世界可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)緊密結(jié)合并注重科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)，擴(kuò)大太陽能利用領(lǐng)域和規(guī)模。1996年以來世界光伏發(fā)電高速發(fā)展，太陽能電池年產(chǎn)量以30%～40%的年增長率高速發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣，2000 年世界光伏電池總產(chǎn)量達(dá)287.65MW，約有一半左右用于“太陽屋頂”和并網(wǎng)系統(tǒng)。

高溫溫制冷裝備

太陽能制冷成套裝備是由太陽能中高溫集熱器結(jié)合制冷設(shè)備通過綜合集成和再創(chuàng)新而形成的裝置。經(jīng)理論和實(shí)踐證明，太陽能中高溫系統(tǒng)是最適合太陽能制冷裝備驅(qū)動(dòng)源的必備系統(tǒng)之一，不但制冷轉(zhuǎn)換效果要比低溫集熱器好；而且制冷范圍大，蒸發(fā)溫度范圍能控制在10度至-60度，可以在一臺(tái)機(jī)組上實(shí)現(xiàn)多個(gè)蒸發(fā)溫度，既經(jīng)濟(jì)，又環(huán)保。

在現(xiàn)有國內(nèi)外環(huán)境影響下，太陽能行業(yè)對高端技術(shù)的支撐要求日益加大，校企產(chǎn)、學(xué)、研合作也必將成為聯(lián)接科研與發(fā)展的重要模式。在此方面，以2013年3月31日由青島云鼎集團(tuán)、泰山集團(tuán)、青島科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)共同組建的“首家太陽能制冷成套裝備項(xiàng)目聯(lián)合開發(fā)中心”為例，在中高溫?zé)崮苤评鋺?yīng)用、檢測技術(shù)、太陽能與建筑一體化和制冷空調(diào)等多領(lǐng)域?qū)淞⑿Ｆ舐?lián)合技術(shù)攻關(guān)的專家、專業(yè)形象，將加快推進(jìn)國內(nèi)大型企業(yè)轉(zhuǎn)型，提高新能源企業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力和盈利能力，并形成我國企業(yè)在太陽能制冷領(lǐng)域尤其是制冰領(lǐng)域的國內(nèi)國際競爭優(yōu)勢，從而確立在制冷領(lǐng)域的核心主導(dǎo)地位，掌握國際話語權(quán)，最終助力我國新能源產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

經(jīng)調(diào)查，“首家制冷裝備聯(lián)合開發(fā)中心”的組成單位在各自的領(lǐng)域都具有領(lǐng)先地位。其中，青島云鼎集團(tuán)是一家集工程建筑施工、新能源開發(fā)和制造、房地產(chǎn)開發(fā)等產(chǎn)業(yè)為一體的綜合性集團(tuán)公司，旗下的山東華援新能源有限公司多年來專注于新能源技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，尤其在太陽能中高溫與菲涅爾線焦透鏡工業(yè)應(yīng)用技術(shù)等方面擁有豐富的研發(fā)資源，其太陽能槽式集熱技術(shù)已榮獲多項(xiàng)國家專利，目前已在亞洲首座槽式太陽熱發(fā)電站（CSP）成功應(yīng)用。泰山集團(tuán)旗下的泰安華能制冷有限公司則專注于中高溫?zé)嵩矗ㄌ柲埽?qū)動(dòng)的氨水吸收制冷設(shè)備的研發(fā)與生產(chǎn)，是業(yè)界公認(rèn)的制冷專家。而青島科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院和哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院又分別是國內(nèi)領(lǐng)先的新能源技術(shù)研發(fā)院校。

太陽能制冷成套裝備的研制成功，及未來的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，將有效緩解我國夏季因空調(diào)制冷而造成的用電緊張的問題；同時(shí)，依托專業(yè)研究機(jī)構(gòu)利用最前沿創(chuàng)新的國際科技水準(zhǔn)，拉動(dòng)太陽能制冷產(chǎn)業(yè)鏈，有望撬動(dòng)國內(nèi)萬億元太陽能制冷市場，將在我國能源可持續(xù)發(fā)展體系建設(shè)中發(fā)揮基礎(chǔ)性、前瞻性、戰(zhàn)略性的科技支撐和引領(lǐng)示范作用，具有極其深遠(yuǎn)的意義。

吸收式空調(diào)

在我國，太陽能制冷及空調(diào)的研究始于20世紀(jì)70 年代后期，其中多數(shù)是小型的氨- 水吸收式制冷試驗(yàn)樣機(jī)。例如：天津大學(xué)1975 年研制的連續(xù)式氨- 水吸收式太陽能制冰機(jī)，日產(chǎn)冰量可達(dá)5.4kg；北京師范學(xué)院1977 年研制成功1.5m2 干板型間歇式太陽能制冰機(jī)，每天可制冰6.8～8kg；華中工學(xué)院研制了采光面積為1.5m2，冰箱容積為70L，以氨- 水為工質(zhì)對的小型太陽能制冷裝置。1987 年，中國科學(xué)院廣州能源研究所與香港理工學(xué)院合作在深圳建成了一套科研與實(shí)用相結(jié)合的示范性太陽能空調(diào)與熱水綜合系統(tǒng)。

集熱面積120m2，制冷能力14kW，空調(diào)面積為80m2。采用了3 種中溫集熱器和兩臺(tái)日本生產(chǎn)的單級溴化鋰吸收式制冷機(jī)?！熬盼濉庇?jì)劃期間，國家科委把“太陽能空調(diào)”列為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。1998 年在廣東省江門市建成的一套大型太陽能熱水示范系統(tǒng)建造在一棟24 層的綜合大樓上，采用平板型集熱器和一臺(tái)100kW的兩級吸收式制冷機(jī)。1999 年在山東省乳山市科普公園的太陽能館又建成了一套大型太陽能空調(diào)及供熱綜合示范系統(tǒng)，系統(tǒng)采用熱管式太陽能集熱器和100kW的單級溴化鋰制冷機(jī)。國家科技攻關(guān)項(xiàng)目北京天普太陽能集團(tuán)的新能源示范大樓2003 年正式建成，總建筑面積8000m2，系統(tǒng)采用熱管式真空管集熱器和U型管式真空管集熱器，空調(diào)制冷采用一臺(tái)200kW的單級溴化鋰制冷機(jī)，并采用一臺(tái)地源熱泵機(jī)組作為輔助。2006 年7月份，由長沙遠(yuǎn)大空調(diào)公司自主開發(fā)研制的太陽能空調(diào)已經(jīng)落戶天津華苑軟件園。此太陽能系統(tǒng)由兩臺(tái)制冷量5815kW 太陽能直燃機(jī)、166 個(gè)集熱模塊、陽光跟蹤系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)構(gòu)成，為建筑面積12 萬m2 大廈提供制冷、采暖。

國內(nèi)近期關(guān)于此項(xiàng)工作的研究方面，大連理工大學(xué)的徐士鳴教授等研究了以空氣為攜熱介質(zhì)的開式太陽能吸收式制冷系統(tǒng)特性并取得了多項(xiàng)研究成果；中國科學(xué)院廣州能源研究所在太陽能空調(diào)系統(tǒng)的整合設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了開拓性的工作；華中理工大學(xué)的舒水明教授主要進(jìn)行了太陽能吸收式制冷系統(tǒng)蓄能技術(shù)方面問題的研究；上海交通大學(xué)的王如竹、劉艷玲提出了一種太陽能燃?xì)饴?lián)合驅(qū)動(dòng)的雙效溴化鋰吸收式空調(diào)。

在國外，1983 年世界上最早的大型太陽能吸收式制冷系統(tǒng)在阿拉伯半島國家科威特安裝完成，該系統(tǒng)為建筑面積530m2 科威特國防部辦公樓提供制冷。1995 年約旦大學(xué)的M.HAMMAD等人研制了改進(jìn)了的第二代太陽能驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)。1998 年5 月由北京桑達(dá)公司為德國斯圖加特Meissner & Wurst 公司建造的太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)建成。國外各種研究同樣集中于尋求新的工質(zhì)對、太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)與循環(huán)性能的關(guān)系、系統(tǒng)能量平衡研究、制冷與制熱聯(lián)合工作研究等方面。

吸附式空調(diào)

相對于太陽能吸收式空調(diào)，太陽能吸附式空調(diào)的發(fā)展相對比較薄弱，起步也比較晚。歐洲在這方面依靠歐盟研究基金，在二十一世紀(jì)初，聯(lián)合歐洲幾個(gè)國家的研究所，做了一些這方面的研究工作。

在德國的弗萊堡，有一套示范運(yùn)行項(xiàng)目，目前已經(jīng)運(yùn)行良久。由此項(xiàng)目衍生出來新的太陽能制冷公司，于2007年推出相應(yīng)的產(chǎn)品，經(jīng)過幾年的發(fā)展，產(chǎn)品逐步成熟，現(xiàn)在已經(jīng)在商業(yè)化的階段。

目前太陽能吸附式空調(diào)的技術(shù)中有兩大主流： 以硅膠/水為工作介質(zhì)對，以及以沸石/水為工作介質(zhì)對。

相對于太陽能吸附式空調(diào)，吸附式空調(diào)在技術(shù)上有一些優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在工作介質(zhì)無腐蝕，維護(hù)工作量小，工作溫度區(qū)域廣等方面。5