光伏发电应用的新途径——光伏制冷系统

孙康杰 上海交通大学工程热物理研究所



光伏发电应用的新途径——光伏制冷系统

孙康杰 上海交通大学工程热物理研究所

摘要：光伏发电制冷系统具有环保节能的优点.本文介绍了各种光伏制冷技术的原理、特点及存在问题, 指出提高光伏发电制冷技术的利用效率和降低成本是其实用化的关键所在。

关键词:光伏发电;制冷;利用效率

1 国内外光伏发电研究现状

21世纪以来，世界各国的能源政策都在力求发展可再生能源，以解决化石燃料日益匮乏带来的能源危机。据英国石油公司（BP）2013年6月发布的《BP世界能源统计年鉴》的数据，北美洲（美国、加拿大和墨西哥等国）2012可再生能源消费量占总量的比例达24%；欧洲及欧亚大陆国家（奥地利、比利时、瑞士等国）则达到41.7%。以德国为例，新能源发电（主要为光伏发电和风力发电）日发电量高达3 000万W，约占总负荷50%。中国的统计数据显示，2012年，可再生能源包括风能、太阳能、地热、生物和垃圾发电等的消费总量达到31.9 Mt油当量，占能量消耗总量的13.4%。因此，我国在制定能源可持续利用和发展战略时，必须大力发展可再生能源，走绿色能源之路，而分布式光伏发电已成为当今世界最有希望的可再生能源资源之一。

20世纪60年代，美国率先开发分布式光伏发电装置，在人造地球卫星上使用太阳能作为能源之一。20世纪70年代，美国、以色列等国大量使用分布式光伏发电装置，并使之商业化，大力推广民用屋顶光伏发电站。1983年，美国在加州建成当时世界最大分布式光伏发电站，装机容量达1600万W。日本于1964年实施补助奖励办法，推广每户3 000 W 的“市电并联型太阳能光电系统”，政策规定:第一年政府补助49%经费；以后逐年减少补助。日照充足时，自家发电系统供应负载，若有节余另行储存。当由于日照不足造成发电量不足或不发电时，所需电力由电力公司提供。这在当时对许多市民具有较大吸引，1996年日本有2 600户安装分布式光伏发电系统，1997年达9 400户，总装机容量达3 200万W。德国关闭核电站的能源转型工程大大加快了分布式光伏发电装置的应用。截止到2011年底，德国光伏装机容量达到24.8 GW，到2012年8月底，光伏发电装机容量达30 GW，其中80%的容量是从低压电网接入的；意大利的光伏发电装置装机容量达12 GW，奥地利太阳能光伏发电装置装机容量达170 MW。正是由于大量分布式电源的涌入，2013 年6月德国与其邻国波兰发生了关于可再生能源电力输入电网、干扰电网正常运行的矛盾和争议。

20世纪80年代，我国开始引进太阳能光伏电池板生产线，由于太阳能光伏电池板可以出口赚取外汇的利益驱动，在2002年无锡尚德的迅速崛起带动下，2006年全国光伏电池板产量达到438 MW，2007年达到1 188 MW。太阳能光伏电池板产能超过欧洲、日本成为世界第一，所占全球总产量百分比从2002年的1.07%达到2008年的15%。但光伏电池板的大规模生产并未带动我国太阳能光伏发电事业的发展，其原因是成本太高。

光伏空调系统作为光伏发电的一种，近年来被国外企业广泛关注。日本、新加坡、澳大利亚等国也纷纷开始不同程度的太阳能空调研究工作。其中，日本的研究很成功。从上世纪80年代到现今，日本已经建成了多套实用性的太阳能制冷空调系统，并且已出口到中东等国。就国内外空调技术形式而言，太阳能空调的研究与应用主要是以热能驱动的吸收式太阳能空调技术为主，而在光电驱动领域则多采用并网形式，且多用于中央空调的使用。但是在我国，交流并网技术存在很大的制约，首先它仍处于不成熟的发展阶段；其次，电网电源质量不高，电压不稳定、干扰和脉动一直存在于着各种电器设备中，特别是在农村与偏远地区更是如此；再次，政府针对光伏领域的有关标准和规定、并网技术的要求等方面并未足够规范；最后，使用小型的并网发电系统，且采用交流并网技术进行并网存在较高的风险成本，上述四种现实障碍，严重影响了以家庭为单位的小型风电系统、太阳能发电系统的发展与应用。因此将光伏发电技术与空调制冷相结合可以有效地避免交流并网技术，从而有效地提高太阳能的利用效能。

2 光伏制冷系统

光伏制冷系统实质上是太阳能光伏发电的一种应用， 利用光伏转换装置将太阳能转化为电能.例如太阳能光伏冰箱， 就是将太阳能光伏电池、无刷直流电动压缩机、冰箱壳体及制冷系统连接起来所得到的一种制冷装置.利用太阳能光伏电池将太阳能转化成直流电， 直接推动无刷直流电动压缩机运转，从而实现冰箱的制冷运行.太阳能光伏冰箱原理图如图1所示。广东工业大通过表l来说明太阳能光伏冰箱与常规冰箱相比有无竞争力，为了使结果具有可比性[1]， 以BCD-180 型常规冰箱（压缩机功率为70 W， 耗电量为0.03 kWh）作为比较的基础。

图1　太阳能光伏冰箱原理示意图

有资料表明，我国科研人员在吸取国内外已有太阳能冰箱/冷柜研究成果的基础上优化整个系统，研制出光伏电池驱动的太阳能冰箱/冷柜[2]，该产品主要技术性能指标是，光伏电池驱动的太阳能冰箱/冷柜容积为190 L， 温度平均为-18 ～ 5℃之间调节， 经使用测试， 平均正常使用时间达97%以上.光伏电池的峰值功率为300 W， 白天平均产电功率为120 W， 日平均产电量为0.9 kWh，可保证大部分冰箱耗电量的要求， 蓄电池容量150 AH， 可蓄存3～4 d的耗电.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.光伏电池驱动的太阳能冰箱/冷柜完全不用电网电力， 依靠太阳能可以实现连续制冷， 可靠性高， 节能环保， 具有巨大的环保和社会效益，但其价格是常规相同容积冰箱的3～4倍.相信随着光伏电池价格的不断下降， 太阳能光伏冰箱/冷柜价格也会大幅度下降， 会有很大的市场潜力。

合肥工业大学进行了独立光伏空调及其制冷技术的研究， 提出了光伏空调系统各参量的优化配置方法， 对光伏空调系统电池阵列最佳倾角的定义进行了阐述。不过文献中将空调负荷近似处理为全年均衡负载， 其提出的最佳倾角的定义没有得到体现。合肥工业大学还对光伏空调系统的驱动技术进行了研究， 采用两相驱动技术可实现单相交流电动机的变频调速， 使小容量光伏空调系统连续运行， 并采用脉宽调制技术大大改善了电机的运行性能。埃及对光伏空调的研究中提出了一个新的低成本的控制方案。通过限制空调电机的电流和使用最大功率跟踪功能来降低系统的初始投资， 通过对空调电机转速控制的优化来降低空调的运行成本。上海交通大学搭建了一个的独立光伏空调系统交流系统，为一个独立的的房间供冷与采暖， 以研究系统的匹配性能与运行特点。系统的主要参数见表2，系统原理图如图见图2。

表1　太阳能光伏冰箱与其他类型冰箱的技术经济比较

表2　独立光伏空调系统参数

图2　系统原理图

3 结语

光伏制冷系统很好地利用了光伏发电和制冷负荷的一致性， 采用现有的成熟技术， 实现较简单， 性能可靠， 运行中的维护也较方便。光伏制冷技术优先或完全使用太阳能， 有利于降低建筑能耗、减小电网压力以及降低二氧化碳排放。独立系统在无电地区可以发挥很大作用， 为当地居民或边防官兵提供一个舒适的环境， 储存食物和药品并网系统则可省去蓄电池的投资和维护费用， 在电网发达地区具有优势。目前， 越来越多的光伏制冷产品开始进人市场， 具有很好的发展前景。

参考文献

[1] 陈观生， 张仁元.太阳能光伏冰箱[ J] .电力需求侧管理，2007, 9 （2）:74-76.

[2] 朱军山， 徐岳生， 刘彩池， 等.一种实用型的太阳能冰箱研究[ J].家电科技， 2005,（6）:52-53.

New Way of Photovoltaic Power Generation Application - Photovoltaic Cooling System

Sun Kangjie
Shanghai Jiaotong University Engineering Thermal Physics Research Institute

Abstract:Photovoltaic power generation and cooling system has advantage of energy saving and environmental protection.The article introduces principles, characteristics and existing problems of all kinds of photovoltaic cooling system.It also points out that improving photovoltaic power generation cooling technology efficiency and reducing cost is key to its practicability.

Key words:Photovoltaic Power Generation, Cooling, Usage Efficiency

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.03.005