太阳能制冷技术的现状及发展

太阳能制冷技术的现状及发展

1 引言

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源。在太阳能热利用领域中，不仅有太阳能热水和太阳能采暖，而且还有太阳能制冷空调。换句话说，在太阳能转换成热能后，人们不仅可以利用这部分热能提供热水和采暖，而且还可以利用这部分热能提供制冷空调。从节能和环保的角度考虑，用太阳能替代或部分替代常规能源驱动空调系统，正日益受到各国的重视。当前，世界各国都在加紧进行太阳能空调技术的研究。据调查，已经或正在建立太阳能空调系统的国家和地区有意大利、西班牙、德国、美国、日本、韩国、新加坡、等，这是由于发达地区的空调能耗在全年民用能耗中比发展中国家占有更大的比重[1][2]。因此，利用太阳能进行空调，对节约常规能源、保护自然环境都具有十分重要的意义。

2 我国太阳能制冷技术的发展现状

世界上第一台投入商业运营的太阳能制冷机是由美国印第安那州Ankle Industries生产的3-TR ‘Solaria’,当时这台制冷机在太阳能制冷界众所周知[3]。而在我国，太阳能制冷和空调的研究可以追溯到20世纪70年代后期，当时不少科研机构、高等院校和企业纷纷投入人力和物力研制太阳能制冷空调，其实多数是小型的氨-水吸收式制冷实验样机。由于当时还有许多技术难题未能解决，太阳能制冷空调项目因一时难以看到成效而得不到支持，研究的队伍和规模大大缩小，仅存少数单位仍坚持基础性研究和机组实验。“九五”计划期间，国家科委把“太阳能空调”列为重点科技攻关项目，计划建成示范性系统，以促进太阳能空调的推广应用。中科院广州能源研究所和北京太阳能研究所承担了该项项目，在南方和北方各建立了一座大型实用性太阳能空调系统[4]。

3 太阳能空调的工作原理及其类型

3．1 太阳能制冷的工作原理

所谓制冷，就是使某一系统的温度低于周围环境介质的温度并维持这个低温。为了使这一系统达到并维持所需要的低温，就得不断地从它们中间取出热量

，转移到环境介质去。这个不断地从被冷却系统取出热量并转移热量的过程，就是制冷过程。

根据热力学第二定律，热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而不能自发地从低温物体传向高温物体。人工制冷过程，就是在外界的补偿下将低温物体的热量向高温物体传送的过程[5]。

从理论上讲，太阳能制冷可以通过太阳能光电转换制冷和太阳能光热转换制冷两种途径实现。

太阳能光电转换制冷，首先是通过太阳能电池将太阳能转换成电能，再用电能驱动常规的压缩式制冷机。在目前太阳能电池成本较高的情况下，对于相同的制冷功率，太阳能光电转换制冷系统的成本要比太阳能光热转换制冷系统的成本要高出许多倍，目前尚难推广应用。

太阳能光热转换制冷，即本文介绍的太阳能制冷，首先是将太阳能转换成热能（或机械能），再利用热能（或机械能）作为外界的补偿，使系统达到并维持所需的低温[6]。

3．2太阳能制冷空调的类型

3．2．1太阳能吸收式制冷系统

这种系统最常规的配置是：采用平板或热管型真空管集热器来收集太阳能，用来驱动单效、双效或双级吸收式制冷机，工质主要采用LiBr-H2O，当太阳能不足时可采用燃油或燃媒锅炉来进行辅助加热，如图1所示。

该系统的工作原理是利用太阳能集热器采集热量加热热水，再以热水加热发生器中的溶液产生冷凝蒸汽，制冷剂经过冷却、冷凝和节流降压在蒸发器中由液体汽化吸热实现制冷，之后制冷剂蒸汽被吸收器中的吸收溶液吸收，吸收完成后再由泵加压将含有制冷剂的溶液送入发生器进行加热蒸发，完成一个制冷循环。

吸收式制冷技术是出现最早的制冷方法，技术相对成熟。目前太阳能溴化锂吸收式制冷机已广泛得应用在大型空调领域。例如我国首座大型太阳能空调系统，制冷能力可达100kW，冷媒水温度6~9℃，热源水温在60~75℃，能很正常地制冷，COP初步预算大于0.4，可以满足面积超过600m2的办公和会议室的空调需求[7]。

3．2．2太阳能吸附式制冷系统

吸附式制冷是利用物质的物态变化来达到制冷的目的。用于吸附式制冷系统的吸附式制冷系统的吸附剂-制冷剂组合可以有不同的选择，例如：沸石-水，活性碳-甲醇等。这些物质均无毒、无害，也不会破坏大气臭氧层。

太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、蒸发储液器、风机盘管、

冷媒水泵等部分组成，如图2所示。

图2 太阳能吸附式制冷系统

白天太阳辐射充足时，太阳能吸附集热器吸收太阳辐射能后，吸附床温度升高，使冷却剂从吸附剂中解吸，太阳能吸附集热器内压力升高。解吸出来的制冷剂进入冷凝器，经冷却介质（水或空气）冷却后凝结为液态，进入蒸发储液器。这样，太阳能就转化为代表制冷能力的吸附势能储备起来，实现化学吸收潜能的储存。

夜间或太阳辐射不足时，环境温度降低，太阳能吸附集热器通过自然冷却后，吸附床的温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，产生制冷效果。产生的冷量一部分以冷媒水的形式从风机盘管（或空调箱）输出，另一部分储存在蒸发储液器中，可在需要时根据实际情况调节制冷量。

作为一种不采用氟利昂的制冷技术，太阳能吸附式制冷成为制冷界研究的热门之一，同时它具有结构简单，运行效率高、不消耗常规能源（如媒、电和化石燃料等），而且噪音小、寿命长、安全性好、无须考虑腐蚀问题等优点。大量研究结果表明，许多先进的吸附式制冷循环具有良好的特性，但系统的性能并未达到实际应用的要求。在考虑吸附式制冷系统的实用化方面，必须以实际运行经济性为目标函数，考虑日量、循环时间、设备耗材与吸附剂耗量、一次性初投资、区域日照特点、用户经济承受能力等因素，运用技术经济的观点进行吸附式制冷系统的技术经济分析。而目前的太阳能固体吸附式制冷系统制冷效率较低，难以与其他形式的制冷系统相比，虽然不断有各种制冷样机成功的报道，但商业化应用仍有较大差距。要达到使用化必须考虑几个方面：吸附速度的影响、集热器与工质对的选取和改善吸附床内的传热/传质性能[8]。

3．2．3 太阳能蒸汽喷射式制冷系统

太阳能蒸汽喷射式制冷系统主要由太阳集热器和蒸汽喷射式制冷机两大部分组成，如图3所示。它们分别依照太阳集热器循环和蒸汽喷射式制冷机循环的规律运行。

图3 太阳能蒸汽喷射式制冷系统

太阳集热器循环由太阳集热器、锅炉、储热水槽等几部分组成。在太阳集热器循环中，水或其他工质先后被太阳集热器和锅炉加热，温度升高，然后再去加热低沸点工质至高压状态。低沸点工质的高压蒸气进入蒸汽喷射式制冷机后放热，温度迅速降低，然后又回到太阳集热器和锅炉再进行加热。如此周而复始，使太阳集热器成为蒸汽喷射式制冷机循环的热源。

蒸汽喷射式制冷机循环由蒸汽喷射器、冷凝器、蒸发器、泵等几部分组成。在蒸汽喷射式制冷机循环中，低沸点工质的高压蒸气通过蒸汽喷射器的喷嘴，因流出速度高、压力低，就吸引蒸发器内生成的低压蒸汽，进入混合室。在混合蒸汽流经扩压室后，速度降低，压力增加，然后进入冷凝器被冷凝成液体，该液态的低沸点工质在蒸发器内蒸发，吸收冷媒水的热量，从而达到制冷的目的[9]。

4 太阳能空调的优点

太阳能空调的最大优点在于季节适应性好：一方面，夏季烈日当头，太阳辐射能量大，迫切需要空调降温；另一方面，由于夏季太阳辐射能量增加，使依靠太阳能来驱动的空调系统可以产生更多的冷量[9]。

除了季节性适应好这个优点外，它还有以下几个优点：

（1） 传统的压缩式制冷机以氟里昂为介质，它对大气层有一定的破坏作用，特别是蒙特里尔协议签订后，国际上将禁用氟氯化合物，迫切要求寻找替代品；而吸收式制冷机以不含禁用品的溴化锂为介质，无臭、无毒、无害，十分有利于保护环境。

（2） 压缩式制冷机的主要部件是压缩机，无论采取何种措施，都仍会有一定的噪声；而吸收式制冷机除了功率很小的屏蔽泵外，无其他运动部件，运转安静，噪声很低。

（3） 同一套太阳能吸收式空调系统可以将夏季制冷、冬季采暖和其他季节提供热水三种功能结合起来，做到一机多用，四季常用，从而可以显著地提高太阳能系统的利用率和经济性。

5 结语

利用太阳能驱动实现制冷这门技术虽然已有不少应用，但仍处于初步应用与实验阶段，其原因在于技术的复杂性与难度，对太阳能的利用效率不高，以及经济性能成本等因素。虽然世界上已有太阳能制冷系统投入商业运营，但是距离大规模的应用还有很大的差距，如何降低太阳能制冷系统的造价使之更加广泛地走向商业化应用是当今太阳能制冷领域的主要研究课题。要解决这一课题主要有以下几方面：（1）研究出更加适应于太阳能利用的制冷机组。（2）加大对太阳能集热器的研究力度，进一步提高当前集热器的集热效率和降低其造价。（3）将太阳能制冷和太阳能供应热水切实合理地整合，真正使高品位和低品位的太阳能辐射各尽其用，达到系统全年的运行[10]。但这门技术确实是一门节能环保技术，利用制冷空调业的可持续发展，对其进行研究并最终使用是必然的。因此，太阳能制冷技术的研究工作还在进行，是当前制冷空调行业乃至整个新能源领域研究的一大热点。