太阳能光伏冰箱冷柜的研究现状及前景

2012-11-23刘越

制冷技术 2012年1期

刘越

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引言

近年来，随着常规能源的不断减少和环境污染的不断加深，人们正逐步将目光投向了新型环保可再生能源，如太阳能，风能，生物能等。其中，太阳能是一种清洁环保、容易获取而且储量丰富的可再生能源。同时，它也是将来最有希望代替其他能源的绿色能源。太阳能的利用有助于解决不可再生能源日益枯竭所导致的能源危机问题。

太阳能利用主要分为热利用和电利用。热利用是将太阳能转化成热能加以利用，如太阳能热水器、太阳能海水淡化系统、太阳能炉等。太阳能热利用技术虽然设备比较简单，但受时间和天气的影响较大。因而，太阳能的热利用需要增加蓄热设备，也就增加了成本。同时，热输送在实际中不容易实现。电利用是将太阳能转化成电能加以利用。由于太阳能转化成电能的过程中输入能量的代价为零，排放污染为零，且电力输送较为方便。因而，太阳能转化成电能加以利用是太阳能利用最理想的形式。转换的电能可以用于空调、照明、冰箱冷柜等场合。这其中，太阳能光伏冰箱冷柜系统具有良好的季节匹配性，即天气温度越高，太阳能辐射量越大，系统制冷量越大。这一优势使太阳能光冰箱冷柜受到越来越多人的重视。

1 太阳能光伏冰箱冷柜系统工作原理

太阳能光伏冰箱冷柜是利用光伏转换装置将太阳能转化为电能来驱动冰箱冷柜制冷。根据驱动负载的电流形式不同，太阳能光伏冰箱冷柜可分为太阳能光伏直流冰箱冷柜和太阳能光伏交流冰箱冷柜。如图1所示，太阳能光伏冰箱冷柜一般由太阳能电池板、控制器、蓄电池和冰箱冷柜四部分组成。

图1 太阳能光伏制冷示意图

如果是交流系统则控制器应包括逆变器功能或是单独增设一个逆变器。直流制冷系统不需要逆变器，也就没有能量多次变换产生的损失，在光伏交流冰箱冷柜中，逆变器所消耗的电能占到太阳能电池转换电能的20%[1]。因此目前研究的大多为太阳能光伏直流冰箱冷柜系统，其工作原理是：在白天阳光充足时，太阳能电池板将接收太阳辐射能转化成直流电输出，一部分直流电驱动直流压缩机运行，使制冷系统工作；另一部分电储存到蓄电池里；在夜间或阴雨天，通过蓄电池里的电能驱动系统制冷。

2 太阳能光伏冰箱冷柜制冷研究进展

2.1 国内研究进展

朱军山[2]等人在前人研究的基础上选用科龙BC/D-190L冷柜作为太阳能冷柜的主体，研发出了一款太阳能冷柜如图2所示。该冷柜的光伏电池选用的是Shell公司的产品，其峰值功率为300W，白天平均产电功率为120W，日平均产电量为0.9kWh。蓄电池容量为150AH,可蓄存(3～4)天的耗电。压缩机选用的是德国DANFOSS直流压缩机，最大COP值可达2.0，且有保护和调速功能。经过研究测试，该冷柜温度可在-18℃～5℃之间调节，平均正常使用时间达97%以上。

图2 太阳能冰箱实物图

黄易[3]等人对太阳能光伏冷藏柜制冷系统进行了实验研究，开发出了一款太阳能饮料柜如图3。该饮料柜在环境温度35℃，冷柜内的温度在1℃～7℃范围内变化，符合可乐等饮料的冷藏温度要求。冷柜降温过程平均功率198.4W，平均每小时耗电量0.2 kWh/h，保温过程的平均功率134.4W，平均每小时耗电量0.14kWh/h，为降温过程的70%。

上海交通大学刘群生[4]等对光伏直流双温冰箱系统的运行特性进行了实验研究，开发出一款太阳能冰箱如图3，冷冻室的最低温度可达-16℃，冷藏室温区可达(0～10)℃。该冰箱在环境温度为25℃下工作时，空箱情况下运转率为48%，带负载时的运转率为49.7%；环境温度为31℃时，空箱运转率为63.2%，以上两种情况冰箱皆可正常工作。在完全无日照的情况下，系统可以连续运行4天，该冰箱可广泛应用于无电或缺电地区的食品保鲜、冷冻和疫苗血浆等医疗制品的冷藏等。

图3 太阳能光伏直流冰箱系统图

我国甘肃省科学院自然能源研究所的邹今平[5]通过理论计算与实验对太阳能电源 12V直流冰箱系统进行了研究。所进行的直流冰箱负载与当地辐射条件、太阳能电池组件及蓄电池间的匹配实验,为用于边远地区的疫苗保存、“冷链”运送疫苗提供了科学的依据。

2.2 国外研究进展

2000年，美国的SOLUS制冷公司研制出的光伏直流冰箱没有使用蓄电池，而是采用一种水—丙稀/乙二醇相变材料蓄冷所代替。由于没有蓄电池，因而使整个冰箱系统的整机重量减少了许多。但在正常工作时需要每天的最少日照时数为4小时。该冰箱容积为105L，名义工作电压为12V，制冷剂为R134a。经在新墨西哥的炎热沙漠地区测试，当环境平均温度为32℃时，冰箱仍能很好的工作在1.4℃左右；当环境平均温度为29℃且没有太阳能出入时，箱内温度至少可以保持7天[6]。

澳大利亚的罗伯特·查尔斯·阿尔比兹[7]发明了一种太阳能冰箱，并于1999年在英国、中国等国家申请了发明专利。该专利描述的太阳能冰箱中包括多个制冷剂通路，每个制冷剂通路都是一个独立的制冷系统，即每个制冷剂通路中都有一个变速直流压缩机、一个冷凝器等。每个制冷剂通路工作在不同的电流值，每个变速压缩机至少配备一块太阳能电池板。该冰箱中的转换器根据太阳能电池所产生的电流的大小决定一个制冷剂通路工作还是多个制冷剂通路联合工作，同时，转换器还能根据电流的大小，调节变速压缩机的转速，以实现压缩机转速和太阳能电池产生的电流之间的匹配。该冰箱用蓄冷材料蓄冷来取代蓄电池。此发明所述的冰箱系统的优点在于：早上、傍晚等辐射强度较弱时，制冷系统也可以充分的利用太阳能电池的电能，对天气状况适应性好，效率高。但由于冰箱有多个独立的制冷系统，所以结构复杂，成本高。

德国的Socrates Kaplanis[8]等将市场上销售的交流冰箱改造成适用于太阳能光伏制冷系统的直流变速冰箱。该冰箱采用直流变速压缩机，同时加厚了冰箱的箱壁厚度，并对冰箱的调速等运行特性进行了研究。太阳能光伏系统如图4。

图4 光伏直流变速冰箱系统图

科特迪瓦的Siaka Toure[9]等对一种不用蓄电池的医用直流冰箱进行了实验研究，此冰箱有三个隔间，一个用于制冰储藏冷量；一个用于疫苗与药品储藏；一个用于满足医疗人员的生活冷藏需求，以便在光照不强或无光照情况时冰箱可以连续运行几天。同时，对冰箱内的水的质量多少进行了匹配，最后进行了火用分析，得出系统火用效率为17%。

此外，Themachan A.Kattakayam, K.Srinivasan[10]等对应用于太阳能冰箱冷柜系统中的太阳能电池的匹配原则等进行了研究。以上研究对太阳能光伏冰箱冷柜的推广使用，形成商业化生产奠定了基础。

3 太阳能光伏冰箱冷柜面临的问题及应用前景

目前，制约太阳能光伏制冷冰箱冷柜发展的是太阳能电池板转换效率较低和太阳能电池板价格较高两大问题。这使得太阳能光伏冰箱冷柜的价格是普通常规冰箱冷柜价格的3倍到4倍[11]。近些年来，在各国政府的大力支持下，太阳能电池工业迅速发展，每年增长率为30%[12]。世界各国的研究人员都在致力于提高太阳能电池转换效率的研究。目前工业化的硅太阳能电池的转换效率最高可达20%[13]左右。另据报道，太阳能电池的光电转换效率最大值：单晶硅为25.7%、多晶硅为19.8%、非晶硅为14.5%[1]。据CNN报导，休斯公司研究人员利用太空太阳能电池研究成果，制成一种在地球上使用的太阳能电池，其光电转换效率高达32.3%[14]。日本学者经过研究，已经达到在锗和硅片上形成结晶，并使每1平方厘米单晶上的能量转换率分别达到30.9%和17.9%[15]。太阳能半导体制热/制冷实验系统如图5。转换效率的增大提高了能源的利用效率，降低了系统的成本。太阳能光伏冰箱冷柜技术在以后的研究中应从提高太阳能电池光电转化效率，进行系统能量的优化以及系统运行的有效配置和优化匹配入手，来降低生产成本，提高制冷效率[16]。