太阳能光伏斯特林制冷冰箱实验研究

陈雷，陈曦

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093）

太阳能光伏斯特林制冷冰箱实验研究

陈雷，陈曦

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093）

太阳能光伏冰箱系统以太阳能为源动力，与常规家用冰箱相比有着巨大的优势，不仅不会对环境造成污染，而且适合用于偏远或无电地区，用于保存食物或药品。以太阳能光伏斯特林冰箱系统作为研究对象，对光伏驱动下斯特林冰箱不同控制温区进行比较，分析冰箱内温度变化情况、斯特林制冷机功耗情况及不同环境温度下耗电情况。

太阳能；光伏制冷；斯特林冰箱；功耗

0 引言

世界能源危机和环境污染使得开发利用可再生能源和各种绿色能源，实现可持续发展成为人类必须采取的措施。近年来，太阳能光伏发电技术和产业得到了充足的发展，太阳能光伏发电不仅是当今能源的一个重要补充，更具备成为未来主要能源之一的潜力。斯特林制冷机是以氦气或氢气为工质，在封闭系统中应用回热原理实现气体制冷机循环以获得低温和冷量的机械，整个循环无相变。由于斯特林制冷机具有高效率、无制冷剂污染、制冷温区广、启动电流低、制冷量易调等特点，在环保节能方面具有明显的优势，因而作为冰箱、冰柜，特别是对于小容量的家用冰箱以及低温冰箱的冷源具有相当大的优越性。

目前，国外对于太阳能光伏冰箱研究较为丰富。Berchowitz等[1]利用光伏驱动，设计了一台太阳能斯特林冰箱。Kattakayam等[2-3]对光伏驱动的家用冰箱进行了研究，发现逆变器提供非正弦交流电给冰箱时，冰箱仍可正常进行工作，并绘制了冰箱在晴天稳定运行状态下的能量流图，发现系统主要的能量损失来源于箱体的热量渗透，建议在箱体外侧增加真空绝热板来提高系统性能。还对逆变器、太阳能制冷系统中的蓄电池匹配、充放电特性等做了研究。Kaplanis等[4]把市售交流冰箱改制成适合于光伏太阳能系统的直流冰箱，采用直流调速压缩机，在光伏冰箱的内壁和门的内侧增加了一层绝热材料，发现冰箱一天的耗电量明显降低，并对冰箱的调速等运行特性进行了研究。Kim等[5]直接用光电转换效率和压缩式制冷系统效率的乘积来评价光伏直流制冷系统。Hermes等[6]在环境温度为21℃和32℃对斯特林冰箱进行实验和热力学分析。国内对于太阳能光伏冰箱系统的研究起步相对较晚，但近年来也逐渐引起科研人员的关注。黄福林[7-8]对一种太阳能电源调频冰箱的驱动进行了研究，并对太阳能光伏冰箱系统的太阳能电池阵列和蓄电池的设计等电力匹配特性进行了进一步研究。刘群生等[9-10]对太阳能光伏直流冰箱系统的能量管理和系统匹配等问题进行了研究分析。结合实验数据，对实验中的太阳能光伏冰箱系统进行了分析，分析了系统中损失的主要环节，指出提高太阳电池的光电转换效率是提高系统效率的主要方法。

太阳能光伏冰箱可广泛应用于偏远的山区、游牧地区、岛屿、边防哨所等地区的食品和药品的储存与冷藏。因此，提出一种太阳能光伏斯特林制冷冰箱。

1 系统的组成及运行原理

太阳能光伏斯特林制冷冰箱系统是由太阳能板、控制器、蓄电池和斯特林冰箱等主要部件组成的。白天在太阳照射充足时，太阳能板吸收太阳能并转换为直流电输入给冰箱，冰箱内有逆变器再转换为交流电驱动斯特林压缩机运行，使制冷系统工作；同时多余的电能则储存进蓄电池中。另外，太阳能光伏系统配有的控制器可以实现对蓄电池过充和过放的保护功能。在太阳照射不充足时，由太阳能电池板供电同时由蓄电池进行供电。在阴天或者夜间，太阳能电池板没有电量输出，由蓄电池单独为冰箱供电。

该斯特林冰箱为twinbird公司产品，型号FPSCC925，其压缩机为交流压缩机，采用氦气作为制冷工质。冰箱容积为25 L，温度控制有cool-1、cool-2、cool-3、freeze-1和freeze-2等5个挡位，名义设计温度分别为10℃、6℃、3℃、-7℃和-18℃。该冰箱的额定输入电压为12 VDC，内部有逆变器转换为交流电驱动压缩机运行。

太阳能光伏系统实验配置应满足系统电压和功率要求，蓄电池输出电压应与冰箱额定电压（12 VDC）相配，并且在完全没有光照条件下能够使冰箱正常运行。控制器（系统电压12 VDC）可以有效实现蓄电池的过充、过放、防回流和过热保护，延长蓄电池的使用寿命。该系统选用一块100 W太阳能电池板进行供电。

该系统的各部分连接以及数据采集点布置情况如图1所示，实验地点为上海，为了使太阳能电池板更好的接收太阳辐射，安装方向朝南，根据上海地处北纬31.20°，高度角采用32°，实验过程中倾角不变。图1中数据采集仪采用Agilent34970A，温度传感器为T型热电偶。其中温度传感器1点的位置与斯特林冰箱内置温度传感器位置相同，即1点稳定温度为名义设计温度；测试点2和测试点5为冰箱内两侧壁面温度；测试点4为冰箱内空气温度；测试点3为底部壁面温度；测试点6为顶部壁面温度；测试点7为1点对面壁面温度。采用UT200数字钳式万用表测量斯特林压缩机的输入交流电压和交流电流。

图1 光伏冰箱系统示意图Fig.1 Schematic illustration of the photovoltaic refrigerator

2 实验结果及分析

2.1 -7℃工况光伏冰箱测试

实验是在上海地区7月末连续晴天期间进行的。将冰箱置于室外，环境温度为38℃。实验前将冰箱打开使冰箱内各处温度与环境温度相同之后，关闭冰箱盖，启动光伏斯特林制冷冰箱系统。

图2为挡位freeze-1时冰箱内各点及环境的温度变化情况，从实验数据可以看出，在运行180 min之后，测试点1达到-7℃。同时，测试点4显示温度为-1.2℃。产生壁面与空气温差主要因为外界环境温度与内部温差较大及冰箱的绝热性能决定的。

图3为图2条件下斯特林压缩机输入交流电压、交流电流和功率变化情况。开机约10 min内，电压和电流逐步升高。这是因为随着制冷系统中高低压压差的建立，压缩机电压和电流逐步增大之后电压和电流平缓。在此过程中，电压为9.00~9.10 VAC，电流为4.90~5.15 A。在运行140 min以后，电压和电流开始下降；在运行180 min后，两者基本保持不变，电压为8 V，电流为4.30 A，压缩机功率为34.5 W左右。

图2 光伏冰箱内温度变化曲线Fig.2 Variationsof temperature in PV refrigerator

图3 压缩机电压、电流及功率变化情况曲线Fig.3 Variationsof voltage，currentand powerof compression

2.2 光伏冰箱不同挡位测试

为进一步了解该冰箱利用太阳能光伏系统的性能，进行不同挡位的实验，以及在相同环境下使用外接电源直接驱动冰箱的实验，从而进行比较。实验中，同样对冰箱内部的温度、压缩机输入交流电压和交流电流进行了测量。将太阳能驱动下不同挡位温度和功率变化情况进行了比较。

当系统达到稳定后，测试点1温度（即名义设计温度）、冰箱内空气平均温度和最大温差（冰箱盖壁面温度与测试点1温度之差）如表1所示。其中挡位freeze-2测试点1温度未达到名义设计温度。

表1 系统稳定后不同挡位光伏冰箱内温度情况Table1 Tem perature in PV refrigerator atdifferent steps after the system is stable

图4为利用太阳能光伏驱动下，不同挡位测试点1的温度变化情况。图中5组实验均是在环境温度为38℃时进行的。从图中可以看出，冰箱开始运行到55 min，5条曲线基本重合，说明在这段时间内5个挡位的制冷效果基本相同。前4个挡位分别在55 min、75 min、85 min、180 min时，冰箱内测试点1到达名义设计温度；freeze-2并未达到名义设计温度，在温度达到-12℃时，不再下降。

图5为利用太阳能光伏驱动下，不同挡位压缩机功率变化情况。冰箱开始运行到55 min，freeze-1和freeze-2功率较大，cool-2和cool-3功率较低，原因可能是由于freeze-1和freeze-2均是在11～13点进行测试的，cool-2和cool-3是在15～17点进行测试的，由于正午时的光照强度高，输入电压高、功率高。5条曲线的变化情况基本一致，与图4的温度变化情况相吻合，freeze-2曲线显示功率一直在46 W。

图4 冰箱内不同挡位温度变化情况曲线Fig.4 Variationsof temperature in refrigeratoratdifferentsteps

图5 不同挡位压缩机功率变化情况曲线Fig.5 Comparison of variationsof compression atdifferent steps

根据图5可以算出冰箱不同挡位降温和保温过程的功率变化。降温过程耗电量、稳定运行单位时间耗电量和日耗电量（系统运行24 h），如表2所列。

表2 光伏冰箱不同挡位功率及耗电量Table2 Power and power consum ption of PV refrigerator at different steps

2.3 对比实验及分析

图6为相同环境温度（38℃）下，挡位为cool-3外接电源和太阳能光伏发电压缩机功率变化对比。两条曲线表明，开始运行10 min功率逐渐升高平缓。外接电源功率变化率高，平缓时功率为48 W，70 min达到稳定；光伏发电平缓时功率为40 W，90 min冰箱达到稳定。造成功率差别的主要原因是实验时太阳辐射强度较低，蓄电池电量低造成的。

图6 cool-3压缩机功率变化对比曲线Fig.6 Comparison of variationsof compression atstep cool-3

经过实验数据分析，该系统不论是直通电源还是光伏发电，在相同环境温度下，冰箱达到稳定时，耗电量基本相同，如表3所列。

表3 环境温度为38℃和23℃时冰箱耗电量Table.3 Power consum ption of refrigerator in ambientair at38℃and 23℃

环境温度为38℃比23℃耗电量高的主要原因有两点：一方面是由于环境温度高，压缩机温度升高，散热效率降低，冰箱制冷效率降低；另一方面是随着环境温度升高，冰箱内空间向环境的漏热量增大。

3 结论

通过对太阳能光伏斯特林冰箱系统的相关实验研究，得出结论：

（1）在环境温度为38℃，挡位freeze-1时，斯特林冰箱内最低温度-7℃，满足冰箱要求。降温过程耗电量为0.13 kW·h，保温过程平均功率为34.5 W，日耗电量为0.85 kW·h；

（2）该光伏系统，在无太阳能供电情况下可以提供近1天的正常运行。由于环境温度过高，无法达到freeze-2时名义设计温度。因此，需要改善冰箱隔热材料，提高光伏冰箱制冷性能；

（3）环境温度为38℃时耗电量比环境温度在23℃要高20%~50%，因此在夏季应选用容量较大的蓄电池，保证系统更多天的正常运作。

[1]Berchowitz DM.Stirling coolers for solar refrigerators[C]//In⁃ternationalApplianceTechnicalConference，1996.

[2]Kattakayam TA，Srinivasan K.Thermal performance charac⁃terization ofa photovoltaic driven domestic refrigerator[J].In⁃ternational JournalofRefrigeration，2000，23（3）:190-196.

[3]Kattakayam TA，Srinivasan K.Lead acid batteries in solar re⁃frigeration systems[J].RenewableEnergy，2004，29（8）:1243-1250.

[4]Kaplanis S，Papanastasiou N.The study and performanceofa modified conventional refrigerator to serve as a PV powered one[J].RenewableEnergy，2006，31（6）:771-780.

[5]Kim DS，Ferreira CA I.Solar refrigeration options-a stateof-the-art review[J].International Journal of Refrigeration，2008，31（1）:3-15.

[6]HermesCJL，Barbosa JR.Thermodynamic comparisonofPel⁃tier，Stirling，and vapor compression portable coolers[J].Ap⁃plied Energy，2012，91（1）:51-58.

[7]黄福林.太阳能电源调频冰箱的驱动[J].电工电能新技术，1998，19（2）:41-45.

[8]黄福林.太阳能光伏冰箱系统研究[J].太阳能学报，1998，19（4）:414-419.

[9]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.

[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，2007，28（2）:184-188.

EXPERIMENTAL ANALYSISOFA SOLAR PHOTOVOLTAIC STIRLING FREEZER

CHEN Lei，CHEN Xi
（Schoolof Engergy and Power Engineering，University of Shanghai for science and Technology，Shanghai 200093，China）

Solar photovoltaic freezer takes solar energy as input power，which has great advantages over regular household refrigerators.It can be applied in preserving food ormedicines，especially used in remote power shortage areas w ithout the environmental pollution.In this paper，a solar photovoltaic Stirling freezerwas tested and analyzed.The cooling performances of the Stirling freezer driven by photovoltaic are tested in detailunder different conditions.Variations of temperaturesw ithin the Stirling freezer and power consumptions are alsomeasured and analyzed under differentambient temperatures.

solarenergy；photovoltaic refrigeration；stirling freezer；power consumption

TB651+.5

A

1006-7086（2017）03-0168-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.03.009

2016-10-25

陈雷（1991-），男，上海人，硕士研究生，主要从事空间制冷技术研究。E-mail：chenleishangli@163.com。