浅析太阳能光伏驱动冰蓄冷田头冷库的应用与发展

罗 志 高 ，卓 献 荣 ，陈 秋 丽 ，李 康 敏 ，罗 媚 ，李 国 权

（1. 仲恺农业工程学院城乡建设学院，广州 510225；2. 广州市通用新产品开发有限公司，广州 510277）

近几年来，果蔬原产地冷库（俗称“田头冷库”）的建造数量随着果蔬产业发展，电商销售的爆发式增长，尤其在冷库种类上，已经从原有的仓储保鲜功能，向生产加工、包装、物流配送等功能发展。从冷链物流运输的角度出发，“田头冷库”是实现产地鲜活农产品从产地到消费市场，高效对接的保鲜冷链第一环节，但因传统“田头冷库”的运行电耗所占保鲜成本比例大、供配电扩容成本高，其推广应用受到局限［1-2］。

太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源之一，是化石能源的主要替代能源之一。太阳能光伏系统的容量范围很大，小到0.3W～2W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站；其应用形式也多种多样，使用范围涉及家用、交通、通信、空间应用等诸多领域。太阳能光伏发电被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术［3］。近年来，太阳能制冷在太阳能辐射资源与用冷需求匹配性较高，采用太阳能驱动制冷已成为太阳能利用研究热点与重点之一。

因此，研究太阳能光伏驱动冰蓄冷“田头冷库”的系统，以太阳能光伏直接变频驱动技术以替代蓄电池和逆变器，利用太阳能光伏发电代替供电电网，为“田头冷库”系统运行提供所需的电力，摆脱供电电网的限制，这对降低“田头冷库”的运行成本，实现“田头冷库”的源头保鲜功能，推进现代化农业发展具有重要的现实意义。

1 研究现状分析

1.1 太阳能制冷研究现状

太阳能制冷系统形式多样，就太阳能应用来说，主要有太阳能光热制冷与太阳能光伏制冷。太阳能光热制冷是收集太阳辐射能加热传热工质来驱动制冷系统，主要有吸附式制冷、吸收式制冷、喷射制冷和其他制冷方式。太阳能光伏制冷是利用光伏组件将太阳能转化为电能驱动制冷机组运行的制冷模式，制冷机组工作方式主要有蒸汽压缩式制冷、半导体制冷、热声式制冷和磁致式制冷等。太阳能制冷的分类如图1所示。

图1 太阳能制冷方式的分类

1.2 太阳能光伏制冷研究现状

太阳能光伏发电将太阳能转化为高品位电能，可直接用于驱动工农业生产设备及人们日常生活中的各种电器，具有广阔的发展前景。因此太阳能光伏发电是全球优先发展的可再生能源。太阳能光伏发电在可再生能源利用中的占比逐年增加，图2给出了全球可再生能源增长情况。

图2 2006-2011年间全球可再生能源年平均增长率

图2给出了2006-2011 年间全球可再生能源年平均增长率情况，太阳能光伏发电量的平均增长率达到58%，且仅2011 年的光伏发电量就增加了74%，光伏发电是所有可再生能源增长最快的。全球的光伏发电装机容量也是逐年增加，从1995年的约0.6GW增加至2012 年的约100GW，增长近170 倍。全球光伏发电年装机容量如图3所示。

图3 1995年-2012年间全球光伏发电装机容量

目前，光伏产量及光伏电池转化效率不断增加，光伏组件成本逐年减少。《2015中国新能源发电分析报告》显示，2009 年-2014 年全球光伏组件成本下降了75%，全球大型光伏电站平均度电成本从2010 年的1.97 元/千瓦时下降到2014 年的0.98 元/千瓦时，度电成本减少了一半，其中分布式光伏电站度电成本减少幅度超过60%。与此同时，光伏组件光电转化效率却逐年提高，2015 年多晶硅与单晶硅组件的光电效率分别提高到了18.7%和20.4%［4］。随着太阳能光伏技术的发展，太阳能光伏发电成本终将降到与化石燃料发电成本竞争水准。

综上所述，随着光伏组件成本的有效降低及光电转换效率的提高，光伏发电在未来能源结构中占有重要的地位。因此，太阳能光伏制冷的研究近年来呈现出较好的发展态势。

太阳能光伏制冷不仅包含了采用太阳能光伏阵列发电驱动传统蒸汽压缩式制冷机组运行制冷，还包括了新型的太阳能光伏半导体制冷、热声制冷及磁致制冷。现阶段制冷效率较低且技术有待完善的半导体制冷、热声制冷及磁致制冷产业化发展及规模化利用受到制约。因此采用太阳能光伏发电驱动制冷效率高、结构简单紧凑、技术成熟的蒸汽压缩式制冷系统成为了太阳能光伏制冷研究的重点与热点，太阳能光伏驱动蒸汽压缩式制冷模式在未来制冷领域占有重要的地位。

1.3 太阳能光伏直驱制冷系统研究现状

因为太阳能具有间歇性，在太阳能光伏制冷系统中，为确保输出电能的稳定性，需要能量存储设施来弥补太阳能间歇性的不足。可采用光伏+电网联合供能及光伏+蓄电池复合能源系统两种方式确保电能输出的稳定性，受限于光伏并网的技术与政策，第一种方式适合大型集中供冷系统，而户用光伏冰箱与户用空调则通常采用蓄电池维持电能稳定。因此，市面上85%以上的光伏制冷系统采用光伏+蓄电池复合供能模式，即在Boost升压电路后接上蓄电池用于稳定直流母线电压。但蓄电池的寿命及环保问题是光伏制冷系统规模化与产业化应用的瓶颈。因为蓄电池使用寿命只有3～5年，在光伏制冷系统15-20年的生命周期内需要更换蓄电池3～5次，且蓄电池价格较高，因此在整个系统的投资运行成本中，蓄电池的成本占比较大。2009年Moth等采用RETScreen 4模拟计算了印度斋普尔（Jaipur）地区的光伏冰箱的经济性能［5］。计算条件为压缩机每天工作15h，每周工作7 天；光伏组件和蓄电池的生命周期分别为24年和5 年，蓄电池和逆变器的工作效率分别为80%和90%，蓄电池的最大放电深度为65%，温室气体排放年限为21 年。结果表明，如果不采用碳排放方法计算，系统不具有经济性能。

2000年突尼斯的Adnene Cherif等动态模拟了不带蓄电池的交流压缩机的光伏冰箱。对该冰箱在不同天气条件的性能进行分析对比，还分析了系统在变负载情况时光伏组件供能的可靠性，最后与采用蓄电池的传统光伏冰箱进行了对比分析。系统采用了带最大功率点跟踪（MPPT）的DC/DC控制器，确保光伏组件工作在最大功率点，采用带脉宽调整器（PWM）的DC/AC逆变器控制和优化各个部件。通过分析还可以看出，当光伏组件功率为200W，负载为1000Wh/天，每年需要的能量为179kW·h，可存储的能量为115 kW·h，满足率为87%。

基于环保优先与经济可行，2007年希腊的Petros J. Axaopoulos等率先尝试摒弃蓄电池、控制器和逆变器，直接采用光伏组件驱动直流变速制冰机，采用新型控制器控制四个直流变频压缩机并联工作［6］。采用复合压缩机系统可大大降低压缩机启动的功率，降低压缩机的辐照度阈值下限。采用具有最大功率点控制策略的控制器，提高了系统效率，光伏组件实际转化效率为9.2 %，压缩机的太阳能辐照度阂值下限由至少400W/m2下降到150W/m2。采用峰值功率为440Wp的直流变频压缩机运行后，单天最大制冰量为17kg。

2 太阳能光伏制冷面临的问题及应用前景

2.1 太阳能光伏制冷研究及应用存在的问题

经国内外学者持续研究表明［7-10］，太阳能光伏制冷在产品结构、系统运行效率和制冷性能方面不断获得改进和发展，且光伏制冷研究己取得较好的成果并走上了产业化的发展道路。但太阳能间歇性这个核心问题仍然困扰着光伏制冷的研究与应用。为克服这个难题，现阶段主要采取并网发电和蓄电池辅助这两种办法来确保光伏组件输出电能的稳定性。但是采取的并网发电和蓄电池辅助的办法都有局限性，主要体现在以下两个方面：

（1）光伏+并网模式驱动制冷系统是依靠电网容量来消除太阳能的波动与间歇性对光伏阵列输出电能的影响。目前并网技术己十分成熟，在电网大容量的包容下，制冷系统能稳定可靠运行。但由于光伏阵列输出的电能具有很大的波动性，接入电网后对电网的电能势必造成一定的冲击，因此从电力安全角度考虑，电网是不允许较多的小型分布式光伏电站接入电网。因此采用并网蓄能驱动制冷系统的模式受限于电网接纳程度。

（2）光伏+蓄电池模式驱动制冷系统是利用蓄电池维持光伏阵列输出电能的稳定性并存储光伏阵列产生的剩余电能。目前光伏发电、蓄电池储能及蒸汽压缩机制冷均属于十分成熟的技术，市面上大部分的光伏空调均采用此种模式。配备蓄电池后，增加了系统设计制造的复杂性及投资和维护成本，在经济性方面无法与市电驱动的空调相比。适用于无电网且十分炎热的沙漠、孤岛和河谷等对制冷需求大于经济性能的特殊地方及领域。蓄电池成本过高，生命周期短及污染环境等问题也制约了光伏空调的发展。

在全球能源紧缺及环境保护的主旨下，光伏发电势必会在未来世界能源结构中占有重要地位，因此光伏制冷也将是制冷领域的重要组成部分。解决目前的光伏制冷储能难这一技术难题将成为光伏制冷研究工作的首要任务。

结合以上分析可得，在光伏制冷系统中，若采用某种技术成熟且价格低廉的产品代替蓄电池存储能量并能同时解决太阳的波动性与间歇性对制冷系统的影响，那么太阳能光伏“田头冷库”将会具有广阔的应用前景。众所周知，冰蓄冷系统具有技术成熟、蓄冷能力强且价格低廉等优点。若能充分利用白天太阳能资源实现高效光伏直驱制冰蓄冷，而夜间利用白天存储的冷量供冷，实现蓄冰代替蓄电，不仅节省蓄电池的投资运行成本，还能有效减少光一电一冷之间的能量转换存储损失，克服太阳辐照间歇性对光伏制冷系统工作稳定性与持久性的影响，有效提高光伏制冷效率。

2.2 太阳能光伏制冷应用前景

随着光伏光电转换效率的提高及光伏成本的下降，分布式光伏能源系统的利用将逐步增加，且在国家与电网鼓励分布式光伏能源产生的电能就地消纳的环境下，未来分布式光伏能源在光伏能源结构中占比较大［11］。因此，采用分布式光伏能源驱动的价格低廉、技术成熟的冰蓄冷替代蓄电池储能的“田头冷库”在经济性、便利性以及环保性等方面，与市电驱动的“田头冷库”相比具有一定的竞争优势。此外，分布式光伏能源驱动冰蓄冷冷库系统在供冷需求量较大、人烟稀少且无电网的热带偏远地区具有非常好的利用价值。因此，采用分布式太阳能光伏能源驱动制冷机组供冷具有较好的应用，且制冷系统中采用冰蓄冷替代蓄电池储能可带来较好的经济效益。

目前，各国正在积极探索可再生能源的利用与大力开发，随着我国政府补贴项目的不断出台和完善，平价上网也将不再是遥远的梦想。在民用领域，太阳能光伏发电用户通过“自发自用，余电上网”的方式，除了满足自身对电能的需求外，剩余的太阳能发电量可以通过电网转售给国家。由于我国人口众多，人均耕地使用面积不到世界平均水平的一半，有大量的土地因为无法耕种而被闲置，我们正好用来做太阳能光伏驱动冰蓄冷田头冷库的开发与应用。另一方面随着光伏发电原材料价格进一步降低，技术进一步研发成熟，太阳能光伏驱动系统的成本投入也将越来越低。通过在太阳能资源丰富的地区建设太阳能光伏驱动冰蓄冷田头冷库，将可以有效利用这些土地资源。在此条件之下，民用光伏发电系统必将得到快速发展。其次，随着国家节能减排政策的逐步落实，碳交易和碳排放逐步形成市场规模，在大型企业屋顶及公用建筑设施中，使用太阳能光伏驱动冰蓄冷技术将可以减少对化石燃料发电的依赖，从而减少污染物的排放，对提升田头冷库的环境质量具有重要意义。最后，太阳能光伏驱动冰蓄冷田头冷库在我国有着广泛的应用前景。在我国广袤的山区农田，边远民族地区和一些边防哨所、岗亭，甚至海岛等，电力电网难以覆盖的区域，食品供给与保存困难的地方，太阳能光伏驱动冰蓄冷田头冷库就显现出其独特的优势。未来，我国公用太阳能光伏产业将快速发展，其快速发展势头将得到世界的瞩目。

综上所述，本文旨在提出采用独立分布式光伏驱动冰蓄冷“田头冷库”的冰蓄冷替代蓄电池储能、光伏能源稳定供电来实现高效蓄能、换能及高品质供能。获得制冷效率高且价格低廉，具有即开即用特性的全天候持续高效稳定运行的光伏制冷系统，实现太阳能的最大化利用，确保分布式光伏能源直接驱动的制冰蓄冷系统全天候持续高效运行，具备更高的经济效益。为今后分布式能源驱动冰蓄冷“田头冷库”规模化应用提供科学机理及合理的技术支撑。

3 结论

通过对太阳能光伏驱动冰蓄冷田头冷库的应用前景进行分析，可以得出其具有较好的发展前景，在太阳能光伏制冷领域，为解决太阳能瞬时性与间歇性对制冷性能的影响，提出光伏直驱冰蓄冷技术，即制冷系统变频运转始终工作在太阳能光伏阵列输出的最大功率点，其运行工况自适应于随太阳辐照度波动而时刻变化的输出功率。为降低光伏制冷储能装置的成本，率先提出采用冰蓄冷替代蓄电池储能，有望解决分布式光伏“田头冷库”制冷系统产业化发展的难题，将为未来我国在农业能源产业发展提供重要保障。

太阳能光伏发电的规模可控，整个系统具有良好的移动性和极强的适应性，由于太阳能光伏驱动冰蓄冷“田头冷库”的存在，使得“田头冷库”较之常规冷库具有一定的优势，系统完全由太阳能供电而不消耗电网电能，是真正意义上的“绿色冷库”，特别适用于偏远山区，无电地区，以及边远游牧民族某些用电难以到达的“田头冷库”场合使用，对食品保鲜以及疫苗等医疗卫生用品的冷藏有重要意义，有利于人与自然的和谐相处及能源与环境的协调发展，具有良好的社会效益、环境效益和经济效益。