微型太阳能发电制冷系统性能

陈雷，戴传山，胡金杰，雷海燕

（天津大学机械工程学院，中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072）

研究开发

微型太阳能发电制冷系统性能

陈雷，戴传山，胡金杰，雷海燕

（天津大学机械工程学院，中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072）

将太阳能发电与制冷系统结合起来的一个明显优势是电能的取得和冷量需求在季节和数量上高度匹配，然而微小制冷系统的性能参数和稳定性也极易受环境参数变化的影响。本文提出了一种基于太阳能光伏发电与蓄电池相结合的微型制冷系统实验模型，并对微型太阳能发电制冷系统进行实验分析。结果显示，系统一天连续运转10h，在晴间多云天气下光伏输出1.48kW·h电能，其中86%供给压缩机，7%存入蓄电池，7%被控制器消耗；在多云转阴天气下，光伏输出的1.02kW·h电能只占系统总消耗的73%，余下的27%能量由蓄电池提供。在蓄电池单独测试条件下，系统在连续3天内分别运行了7h、12h和4h，蓄电池输出了3.11kW·h电能，其中的93%供给压缩机，余下7%被控制器消耗。另外结合实际情况分析了不同的冷量需求与系统的匹配关系，为以后微型太阳能发电制冷系统的应用提供了实验依据。

光伏发电；微小制冷系统；设计；太阳能；再生能源

目前，用于特殊环境下的个人冷却和电子设备冷却的微型蒸汽压缩式制冷系统有着广阔的应用前景，Aspen Thermal已研制出一种基于高效蒸汽压缩式制冷的个人冷却系统。该系统采用制冷剂R134a，在38℃环境下可以产生300W制冷量，由蓄电池驱动，能够连续运行 3h［1］。王东芳等［2］搭建了微型制冷系统性能测试试验台，通过进行测试分析得出系统运行的最佳制冷剂充注量和运行工况。

将太阳能发电与制冷系统结合起来，一个明显优势是电能取得和冷量需求在季节和数量上高度匹配。目前国内外关于独立太阳能驱动蒸汽压缩式制冷系统的研究基本以冰箱或冷柜为太阳能光伏压缩式制冷系统的负载，陈观生［3］、曹娟华［4］和杨双［5］等对系统的技术及经济可行性进行了分析，得出光伏制冷相对常规制冷具有明显优势。KATTAKAYAM等分别从光伏效率［6］、制冷机性能［7］、蓄电池在不同充电方式与不同负载情况下的匹配情况［8］多方面做了较为详细的分析。TOURE等［9］针对光伏制冷冰箱进行了测试，在光伏峰值功率300W、蓄电池容量150A·h、蒸发器略低于5℃的情况下，系统COP值在1.63左右，㶲效率为17%，蓄冷单独运行可维持3天左右。刘群生等［10］对带蓄电池的光伏直流冰箱测试表明，冷冻室最低温度可达-16℃，该冰箱在25℃环境温度下运转率为48%。在完全无日照的情况下，系统可以连续运行4天。对不带蓄电池的系统运行性能研究较少［11］，美国的SOLUS制冷公司研制出了用光伏电池驱动的直流变速蓄冷冰箱，不用蓄电池和逆变器，制冷剂为R134a，容积为105L，名义工作电压为12V，实验证明当冰箱工作环境的平均温度为32℃时，冰箱仍能很好的工作在 1.4℃左右，在没有太阳能输入、冰箱工作环境温度为29℃时，冰箱内温度至少可保持7天［12］。

系统设备的微型化在理论和技术上却面临很多挑战［13］，如微型压缩机的研发、高效微型换热器的研制、系统整体设计等问题。JEONG［14］分析了发展微型制冷系统的困难，指出随着尺度减小，系统的熵增是主要障碍之一，应致力于减少内部热泄露。在系统设计方面，杨宇飞等［15］对无蓄电池的微型太阳能发电制冷系统进行了数值模拟，但缺少相关的实验研究。本文提出了一种基于太阳能光伏发电的微型制冷系统实验模型，并对微型太阳能发电制冷系统进行实验研究，得出了不同情况下系统的工作性能，并计算出了对应情况下系统的能量消耗；得出了不同情况下冷量需求与系统的匹配关系，为将来微型太阳能发电制冷系统的应用提供了实验依据。

1　系统的组成及原理

实验装置主要由光伏电池、控制器、蓄电池及微型蒸汽压缩式制冷系统等组成，微型蒸汽压缩式制冷系统主要包括美国Aspen微型转子式压缩机、螺旋管式蒸发器、微通道平行流式风冷冷凝器及毛细管。为了满足微型制冷系统电压及功率的要求，考虑到实际的商业化产品性能参数，实验系统制冷剂采用R134a；微型压缩机额定电压24V、额定功率120W；2块250W光伏电池并联；2块工作电压为12V，额定容量为200A·h的免维护胶体蓄电池串联，其充放电效率参考出厂说明书为95%；型号为LS2024、额定电压为24V的控制器。

实验原理为利用光伏电池将太阳能转换为直流电，通过控制器存入蓄电池中，蓄电池经过控制器为直流变频压缩机提供能量，从而达到系统制冷目的。当光伏电池提供的电能满足微制冷系统运行时，富裕的电量存储到蓄电池中；当光伏电池不能满足系统运行功率时，蓄电池提供不足部分的电能，在夜间或阴雨天则提供全部的电能。控制器采用串联型脉宽调制（PWM）式技术，用自动变换占空比的脉冲电流对蓄电池进行充电，如此脉动充电可使蓄电池更为安全和快速的充满电量，断开期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池内压，使其可吸收更多电量。脉冲充电方式使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池对充电电流的接受率。在该实验中，由控制器输出的电流电压并没有受到光伏输出参数的明显影响，较为稳定，这在很大程度上保证了系统整体运行的效率。

微型太阳能发电制冷系统实验装置如图 1所示，实验条件为天津市南开区8月份天气情况，电池板安装倾角为45°。图中光伏电池电压和电流信号、蓄电池电压信号及微制冷部分的压力及温度信号通过Agilent34980A多功能数据采集系统实时记录，仪器示值误差为0.2%，T形热电偶精度为0.5℃，压力传感器的量程为0～2.0MPa，产品精度为0.1%FS。PROVA WM-01功率分析仪对微型压缩机的输入功率进行数据记录，其功率测量范围为0～200W，精度为0.1W；电压测量范围为0～200V，精度为0.1V；电流测量范围为0～20A，精度为0.01A。循环水的流量测量通过AR精密电子天平实时间接测量，其最大量程为520g，精度为0.01g。Julabo恒温水浴工作温度范围为-35～200℃，温度稳定性为±0.01℃，分辨率为0.1℃。

图1　微型太阳能发电制冷系统实验装置示意图

2　实验分析

2.1 制冷系统单独运行

该阶段实验目的在于通过对制冷系统的测试确定系统的最佳制冷剂充注量与系统运行工况。采用控制变量法，室温保持一定范围的情况下，通过电位器驱动板调节压缩机转速，在不同制冷剂充注量、循环水流量的情况下，经计算各组对比实验的系统制冷量与COP得出该系统在有过热和过冷、充注制冷剂约 110g、压缩机转速 6500r/min、平均风速4.5m/s、循环水流量27.039g/s条件下可获得最佳性能，考虑尽可能减少与室内环境热交换损失，循环水进口温度约为30℃。在该运行参数下COP可达2.55，制冷量可略高于300W。

系统制冷量为循环水进出蒸发器所放出的热量，微型压缩机和风机靠直流电源提供电能，输入功率为压缩机与风机功率之和，COP为制冷量与该值之比。与光伏结合的制冷系统总效率则定义为制冷量与太阳能辐射的比值，其中包含了蓄电池充放电效率、控制器能量转换效率等其他效率。图2给出了COP随环境温度的变化关系。

依图2可得环境温度在28.5～31.0℃之间变化时，该实验系统COP在2.07～2.55之间变化。

2.2 与光伏相结合的制冷系统的运行

以天津地区2014年8月份天气为基础，根据晴间多云、多云转阴及蓄电池单独测试3类分析太阳辐射强度、环境温度及电压、电流、电功等参数变化。

2.2.1 晴间多云条件

晴天测试日期为 8月 21日，测试时间段为8：00～18：00，当天基本处于晴朗状态，但上午多有云层飘过。太阳能辐照强度、光伏电池电压及蓄电池电压的变化如图3所示。由图3可得，蓄电池电压相对其他参数变化较为平稳，在26V左右波动。

图4为光伏电池输出功率、压缩机输入功率及制冷量的变化情况。结合图3可得，光伏电池输出功率与输出电压变化规律相似；压缩机输入功率稳定在130W左右；系统制冷量维持在320W附近波动。在上午8：00～8：54以及下午16：24～18：00这两段时间，光伏电池功率小于压缩机功率，由蓄电池通过控制器为压缩机提供不足的能量。尽管电压高低并不能代表铅酸蓄电池内容量的多少，但结合两时段内蓄电池电压整体呈现下降的变化趋势仍能看出蓄电池处于放电状态。由于有蓄电池作为补充能源，系统在这两时段仍能为负载提供稳定的功率，因此保证了较稳定的冷量输出。

图2　制冷性能系数COP随室内环境温度的变化

图3　天津地区2014年8月21日太阳辐射强度、光伏电池电压及蓄电池电压的变化情况

图4　光伏电池输出功率、压缩机输入功率及制冷量的变化情况

图5为室内环境温度、蒸发器两侧的平均温度及制冷系数的变化情况。蒸发温度约为15℃，运行工况采用制冷系统单独运行时的参数，制冷剂充注量、压缩机转速、循环水流速保持一致。易看出制冷系统运行工况很稳定，该天气下COP在2.5左右波动，并没有明显受到光伏电池输出功率变化。

图5　室内环境温度、蒸发器两侧的平均温度及制冷系数的变化情况

系统经过10h运行，蓄电池电压由25.3V增长到25.6V，说明系统长时间运行，蓄电池存储了部分电量。对该天气下系统能耗进行计算，得出结果列于表1。

表1　晴间多云天气条件下系统能耗统计

图6　天津地区2014年8月22日太阳辐射强度、光伏电池电压及蓄电池电压的变化情况

2.2.2 多云转阴条件

该条件测试日期为8月22日，时间为8：15～18：15，太阳能辐照强度、光伏电池电压及蓄电池电压的变化情况变化如图 6。与晴天相比，该天气更好地表现出太阳辐射随机波动的特性。该条件下光伏电池电压变化较大，蓄电池电压仍相对平稳，峰值出现时刻为 13：27，并未表现出与太阳能辐照强度峰值和光伏电池电压峰值的一致性。

图7为光伏电池输出功率、压缩机输入功率及制冷量随时间的变化关系。该天气下光伏电池板输出功率与输出电压变化规律基本一致；压缩机输入功率在130W附近波动；制冷量相对晴天制冷量略小。与晴天类似，结合图6电压可知，当输入光伏电池功率小于压缩机功率时（如上午8：15～9：42、中午11：54～13：00和下午13：57～18：15），蓄电池电压表现出下降趋势；而当输入功率大于压缩机功率时，蓄电池电压又呈现上升趋势。蓄电池的充放电对系统总能量充分起到了削峰填谷的作用。

图8为室内环境温度、蒸发器两侧平均温度及制冷系数的变化情况。与晴天条件下相似，该天气下制冷系统运行工况稳定。蒸发器两侧工质平均温度波动小，制冷剂蒸发温度在15.5℃左右。制冷剂充注量为 110g，压缩机转速依然为 6500r/min，循环水流量保持在27g/s左右。COP则相对较小，主要原因为室内环境温度略高于晴天对应值。

图7　光伏电池输出功率、压缩机输入功率及制冷量的变化情况

系统经过10h运行，蓄电池电压从26.5V降到24.9V，说明蓄电池释放了部分电量。对该天气下系统能耗进行计算，得出结果列于表2。

2.2.3 蓄电池单独测试条件

为了研究系统在连续阴雨天情况下能够维持负载工作多长时间的问题，设置初始状态蓄电池为满电量，考虑到系统工作连续性，实验选择在连续 3天内进行。

图9为2014年8月16日、17日和18日蓄电池工作时电压变化曲线，可以看出放电压降呈阶梯型且压降越来越快。最后电压不能再降，因为此时压缩机输入电压为 21.9V，实验发现压缩机输入电压低于21.9V会导致其无法正常工作。

表2　多云转阴天气条件下系统能耗统计

图9　蓄电池电压的变化情况

图10与图11给出系统运行时的相关参数。系统仍按照制冷剂充注量110g、压缩机转速6500r/min等调试最佳工况参数运行。由图10可知，制冷量约为 320W，压缩机输入功率整体保持稳定并随时间逐渐下降，由最初130W到最后不足120W，说明蓄电池通过控制器提供给压缩机功率逐渐减小。由图11可知，当环境温度变化时，制冷剂蒸发温度大致呈现一致的变化趋势。制冷量主要受环境温度影响，温度高时制冷量小，温度低时则相反。COP在2.5左右，其中第一天开始阶段有一定波动，主要是受到制冷量波动的影响。

图10　压缩机输入功率及制冷量的变化情况

图11　室内环境温度、蒸发器两侧平均温度及制冷系数的变化情况

系统经过3天运行测试，在外界环境为28.7～33.9℃情况下，蓄电池能维持负载工作约23h。对该测试条件下的系统能耗进行计算，得出结果列于表3。

表3　蓄电池单独测试条件下系统能耗统计

3　结果与讨论

针对晴间多云、多云转阴以及蓄电池单独测试3种条件分别进行了实验，从运行测试及分析可以得出如下结果。

考虑系统本身较小，线路较短，因此忽略电路及其他损耗，该系统连续运行 10h，晴间多云条件下，光电转换效率约为7.5%，平均COP为2.47，系统总效率为0.16，光伏电池输出1.48kW·h电能，其中 86%供给压缩机，7%存到蓄电池，7%被控制器消耗；多云转阴条件下，光电转换效率约为8.0%，平均COP为2.39，系统总效率为0.25，光伏电池输出1.02kW·h电能，为系统提供73%的能量，余下27%由蓄电池供给压缩机和控制器。蓄电池单独测试条件下，平均COP为2.56，3天中系统运行23h，蓄电池输出3.11kW·h电能，其中约有93%供给压缩机，余下7%被控制器消耗。

需要说明的是，系统运行时天气条件不尽相同，该实验中晴天条件并不理想，多有云层飘过，因而光伏电池输出电量受到一定影响。此外，在前两组实验中，制冷系统运行10h，针对不同用户制冷需求不同，例如轿车司机与公路收费站员工等人员需要制冷系统运行时间为8h或者更少，因此本实验系统运行方案按照尽可能大的制冷需求进行试验。若按每天8h制冷，压缩机功率与本实验相同来近似分析，则计算过程如下。

晴间多云天气条件下负载输入为

同样太阳辐射条件下，该系统存入蓄电池电量值为

而在多云转阴天气条件下负载输入为

同样的太阳辐射条件下，此时蓄电池存入电量值为

即该条件下蓄电池释放0.12kW·h电量。

由此，将按照8h制冷设计的系统能耗情况列于表4。

表4　两种天气条件下制冷8h系统能耗统计

在光伏电池运行10h、制冷系统运行8h情况下，负载消耗在两种天气下分别减少0.25kW·h和0.26kW·h，其中晴间多云天气下存入蓄电池的电能相对10h运行制冷系统增多250%；而多云转阴天气条件下系统蓄电池消耗电能相对10h运行制冷系统的情况下减少68%。相对本实验制冷运行10h而言，系统经过8h连续制冷，消耗了更少能量，故能将更多能量存入蓄电池，增强了夜间或者连续阴雨天气时持续供电能力。

4　结　论

该文通过对基于太阳能光伏发电的微型制冷系统在不同实验条件下的测试及分析，得出如下结论。

（1）晴间多云条件下该制冷系统连续运行10h，并能将多余电能存入蓄电池以供备用。

（2）多云转阴条件下该系统总效率较晴转多云天气下效率略高，光伏为系统提供了73%的能量，余下部分由蓄电池为系统提供。

（3）蓄电池单独测试该系统共计运行23h，按照制冷系统每天正常运转8h来计算，蓄电池可以维持系统运行大约3天时间。

（4）参考实际情况，计算了光伏电池运行10h，制冷系统运行8h方案下的系统能量消耗，该系统能将更多能量存到蓄电池，增强了在夜间和连续阴雨天气下的供电能力。

（5）对于该实验制冷系统本身，不足之处为制冷剂平均蒸发温度在15℃左右，然而此温度可以更低一些，如调节运行参数使之达到 5℃可能对用户更具吸引力，因为较大温差下蒸发器两侧换热效果会更加理想，也更加适宜实际应用。

［1］杨娟娟.微型制冷系统性能实验研究及高效换热器研制［D］.北京：北京工业大学，2010.

［2］王东芳，吴玉庭，杨娟娟，等.微型制冷系统性能试验研究［J］.工程热物理学报，2011（5）：851-854.

［3］陈观生.基于光伏电池和直流压缩机的太阳能冰箱可行性分析［J］.广东工业大学学报，2006（2）：38-41.

［4］曹娟华，戴源德，杜海存，等.太阳能光伏冰箱技术的应用分析［J］.江西能源，2009（1）：40-42.

［5］杨双，刘忠宝，马清波，等.太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统的可行性分析［J］.制冷与空调，2010（6）：68-71.

［6］KATTAKAYAM T A，SRINIVASAN K.Experimental investigation on a series-parallel cluster of photovoltaic panels［J］.Solar Energy，1997（4）：231-240.

［7］KATTAKAYAM T A，SRINIVASAN K.Thermal performance characterization of a photovoltaic driven domestic refrigerator［J］.International Journal of Refrigeration，2000（3）：190-196.

［8］KATTAKAYAM T A，SRINIVASAN K.Lead acid batteries in solar refrigeration systems［J］.Renewable Energy：An International Journal，2004（8）：1243.

［9］TOURE S，FASSINOU W F.Technical note cold storage and autonomy in a three compartments photovoltaic solar refrigerator：experimental and thermodynamic study［J］.Renewable Energy，1999（4）：587-602.

［10］刘群生，付鑫，张鹏，等.太阳能光伏直流冰箱系统性能研究［J］.太阳能学报，2007（2）：184-188.

［11］EWERT M K，BERGERON D J，FOSTER R E，et al.Photovoltaic direct-drive，battery-free solar refrigerator field test results［C］//SOLAR 2002 Conference：Including -31st ASES Annual Conference，and 27th National Passive Solar Conference（SOLAR2002），Reno，Nevada，USA，2002.

［12］刘群生.太阳能光伏直流冰箱的能量管理和系统匹配研究［D］.上海：上海交通大学，2007.

［13］胡金杰，雷海燕，戴传山.微型压缩式热泵制冷系统的研究进展［J］.化工进展，2014，33（12）：3133-3138.

［14］JEONG S.How difficult is it to make a micro refrigerator？［J］.International Journal of Refrigeration，2004，3：309-313.

［15］杨宇飞，袁卫星.光伏直接驱动的蒸汽压缩式制冷系统仿真［J］.太阳能学报，2012（9）：1553-1559.

An experimental study on the performance of a miniature solar refrigeration system

CHEN Lei，DAI Chuanshan，HU Jinjie，LEI Haiyan
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Ministry of Education of China，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

An obvious advantage by combining the uses of solar power generation and refrigeration systems is that the electric power available and the cooling demand can be highly matched in season and quantity.However，the performance and stability of a miniature refrigeration system are also easily affected by the change of environmental parameters.An experimental model of a miniature solar refrigeration system（MSRS）based on the combination of photovoltaic and battery was proposed.The experimental analysis of MSRS was carried out.The results operated continuously for 10 hours under a fine and cloudy day showed that the output of photovoltaic cells is 1.48kW·h power，of which 86% is supplied to the compressor，7% is stored to the battery，7% is consumed by the controller，however，while under a cloudy day，the photovoltaic cell outputs is 1.02kW·h power，which provides 73% of the energy for the system，the remaining 27% is provided by the battery.Under the condition using battery alone，the system has been running for 7，12 and 4 hours respectively within three days，the battery outputs 3.11kW·h power，about 93% of which is supplied to the compressor，the remaining 7% is consumed by the controller.The matching relationship between cooling capacity requirement with power available for the present system was analyzed，which provided the experimental basis forthe application of MSRS in the future.

PV generation；miniature refrigeration system；design；solar energy；renewable energy

TB 65；TK 511

A

1000-6613（2016）09-2752-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.017

2016-01-27；修改稿日期：2016-02-29。

陈雷（1991—），男，硕士研究生，主要从事太阳能微型制冷相关研究。联系人：戴传山，教授，主要从事微尺度强化传热、多相流等相关研究。E-mail csdai@tju.edu.cn。