一种聚光吸附式制冷系统的设计思路
2016-09-10赵书东上海海事大学上海201306
赵书东(上海海事大学,上海201306)
一种聚光吸附式制冷系统的设计思路
赵书东
(上海海事大学,上海201306)
随着化石能源的消耗和环境污染的加剧,直接或间接利用太阳能成为了未来能源模式的核心内容之一,本文创新地提出了将聚光光伏技术和太阳能吸附式制冷技术相结合的思路,并以中国北纬30度的城市为例,阐述了聚光吸附式制冷的理论可行性。
太阳能高效利用;聚光光伏;吸附式制冷;高层建筑
1 引言
从1990年开始,世界能源就出现了危机的迹象,在此之前,人类都是一味开采一经发现的能源,包括石油、煤炭和天然气,而没有关注能源的未来,但目前所谓的能源危机,只能说是化石能源存在危机,据估计,地球化石能源可维持的年数是:石油46年,天然气65年,煤炭169年,在这样的大环境下,太阳能作为一种无污染可再生的清洁能源备受瞩目,开发和利用太阳能成为热门话题,这里提出了一种高效利用太阳能的猜想。
2 聚光光伏技术
2.1原理
太阳能发电难以市场化的原因是发电成本过高,主要集中在太阳能电池板,而现在作为最主流的材料砷化镓中国并未掌握核心技术,而且在其他国家砷化镓的制造成本也较高,这时聚光光伏技术(CPV=concentrated photo voltaic)走入人们的眼球中,CPV技术实质上是将太阳能聚集到一起,以相对便宜的聚光器来代替昂贵的太阳能电池,将高倍聚集的阳光投射在太阳能电池上再进行发电,其原理图如图1。
图1 聚光光伏技术原理图
2.2聚光光伏与普通光伏技术对比
首先比较电池效率,在实验室最常用的多晶硅光伏电池和单晶硅光伏电池效率最高能达到20.3%和24.7%,而在高倍聚光的条件下聚光光伏电池效率能达到43.5%,即使是用于商业化生产,效率也以25%的效率远高于普通光伏电池的16%;其次,相对于普通光伏电池,聚光光伏电池在发电设备上天然具有低成本的优势;但由于聚光光伏需要直射光才能发电,因此需要超高精度直射光追踪器,这是提高了聚光光伏电池成本的最主要因素,而且由于对直射光的需求,聚光光伏电池对追踪器的要求非常高,而且对于超高倍聚光光伏存在集热效应,导致电池板温度过高,有时需要散热设备,导致热能浪费。
3 吸附式制冷技术
3.1原理
吸附式制冷技术(Adsorption Refrigeration Technology)是利用吸附的原理,即有些固体能在一定的温度和压力的条件下吸收某种气体,而在另一种温度及压力下释放出,这种吸附的变化将导致压力的变化,起到类似压缩机的效果。利用这种原理,以热能为动力,通过在封闭系统中吸附剂(如氯化钙、分子筛、活性炭等)对吸附质(如氨、水、甲醇、R134等)的吸附/解吸循环使可实现吸附式制冷。
3.2吸附式制冷的优势
(1)采用的工质不含氟利昂,硅胶、活性炭、溴化锂等均无毒无害,吸附式制冷不需氯氟氢类物质(CFCS),极大地减少了对大气层的破坏,减轻了日益严峻的环境压力;
(2)制冷设备的能源是由太阳能或工业废热提供的,不消耗电能等常规能源,采用的是绿色无污染的、取之不竭的太阳能以及工业上不利用就会被浪费的废热,因此能源成本几平可以不计,非常节能;
(3)系统在接近真空的状态下运行,无高压爆炸等危险,安全可靠。
3.3吸附式制冷还需要解决的问题
吸附式制冷技术的研究虽然有了很大的进展,不过吸附制冷技术要想走向实用化,市场化,仍存在很多问题亟待解决。
(1)目前的吸附制冷产品普遍存在效率偏低、产品成本较高、占用体积大等缺点;
(2)从吸附制冷的技术方面来看,目前吸附制冷系统所存在的问题主要还是在传热强化以及运行过程方面。吸附床的传热、传质性能有效提高,这就需要对吸附床的结构进行合理的设计以及吸附制冷工质对的优化选取至关重要;
(3)在制冷工质对的研究方面,制冷工质大多数采用水和醇类,这就要求系统在负压的条件下运行,对系统的密封性要求极高。
4 聚光吸附制冷系统
4.1原理及结构
聚光吸附制冷系统主要有三大部分组成,
(1)集热部分:主要包括聚光器,集热器和直射光感应追踪器。通过直射光感应追踪器追踪直射光的方向,然后利用聚光器和集热器来改变吸附床中的温度和压力。
(2)储存和降温部分,主要包括冷凝器和储液器,用于高温蒸汽的冷凝和储藏。
(3)制冷部分,主要包括蒸发器和制冷外壳,在这里进行制冷。
原理图如图2。
4.2制冷量
由于聚光设备需要直射光感应追踪器,故选择北纬30°的无风带城市为例,现以中国城市杭州为例:
假设一普通居民区屋顶面积S=1200m2,每天日照达到10小时;
在炎热的夏季太阳光照射在楼顶上的功率≥1kW;
图2 聚光吸附制冷系统原理图
每天投到房顶的可利用的太阳能:
按照聚光光伏商业功率25%,吸附制冷COP 0.8计算:
设每家每天空调加冰箱使用制冷量10kW·h,这些制冷量可以满足230户的使用,居民区屋顶面积1200平方米大约是每层楼10~12户,也就是说如果制冷设备的制冷量完全高效利用至少可以满足18层建筑的需求,计算效率也能达到10层左右建筑的使用。
4.3优势及创新点
(1)利用太阳能不消耗化石能源,为解决能源危机问题提供了新思路;
(2)整个系统在低压或者负压的状态下运行,不存在爆炸等危险性;
(3)由于对直射光需求不像聚光式太阳能发电系统要求那么高,直射光感应追踪器成本可以降低;
(4)制冷剂不含氟类物质,对大气层没有污染。
4.4存在的问题
(1)由于没有从根本上代替直射光追踪器,系统成本可能仍然过高;
(2)吸附式制冷的COP效率较低问题仍需要解决;
(3)相对于成熟的太阳能热水器技术,占用同样的空间,作用相对单一;
(4)太阳光中天然存在15%的非直射光难以利用。
5 结论
太阳能既有取之不尽,用之不竭的优势,又存在时间空间分布不足,开发利用技术需要提升的问题,如何高效利用太阳能仍是一个重要的问题,对于本文提出的聚光吸附式制冷系统存在的成本问题,必然会随着聚光光伏技术和吸附式制冷技术的发展而降低成本,而且由于各种感应器的发展,低成本的直射光追踪器的出现也只是时间问题。
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The Design Thinking of the Concentrated Absorb Refrigeration System
ZHAO Shudong
(ShanghaiMaritime University,Shanghai,China,201306)
With the environmental pollution aggravation and fossil fuel dep letion,harnessing the power of the sun directly or indirectly remains at the core of future energy scenarios,this article put forward a suspect to combine the technology of Concentrated Photo Voltaic and Adsorption Refrigeration creatively,and use the example of30 degrees north latitude Chinese city,described the theoretical feasibility of the concentrated absorb refrigeration.
Solar efficient use;Concentrated photo voltaic;Absorb refrigeration;Tall buildings
TQ028.1+5文献标示码:B
10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.018
ISSN1005-9180(2016)02-093-03
2015-11-12
赵书东(1992-),男,硕士研究生,研究方向:船舶故障检测及维修。Email:foreverzsd@foxmail.com