太阳能制冷技术的发展和应用

太阳能制冷技术的发展和应用[摘要]太阳能制冷是近几年发展起来的一种新型太阳能利用技术，利用太阳能进行制冷可以有效降低常规制冷方法而带来的巨额能源消耗，并减轻由于燃烧化石能源发电所带来的环境污染。目前太阳能制冷技术研究的热点是太阳能吸收式制冷、太阳能喷射式制冷和太阳能吸附式制冷。[关键词]太阳能吸收式制冷；吸附式制冷；溶液除湿制冷；喷射式制冷；太阳能集热器SuperficialDiscussingDevelopmentandApplicationofTheSolarRefrigeration【Abstract】Solarrefrigerationisasortofnewsolarusingtechnologydevelopingnearseveralyears.Thesolarrefrigerationcaneffectivelyreducemintconsumeofenergysourcesowingtogeneralequipmentofrefrigeration，anditcanalleviatetheenvironmentpollutionduetoburningthefossilenergysources.Nowthehottopicofthesolarrefrigerationisaboutthesolarabsorptionrefrigerationandthesolaradsorptionrefrigerationaswellastheejectrefrigeration.【Keywords】Solarabsorptionrefrigeration;Adsorptionrefrigeration;Ejectrefrigeration前言太阳能是分布广泛、使用清洁的可再生能源,有望在未来社会能源结构中发挥更加重要的作用。其中利用太阳能进行供热、采暖和制冷是实现规模化、低成本利用太阳能的重要途径。各国学者都在积极寻找能够实现夏季利用太阳能进行空调制冷的有效方法,目的在于提高太阳能集热器的全年利用效率,同时可以开辟一条利用太阳能解决空调制冷需求的崭新技术途径。太阳能制冷具有以下几个优点。首先是节能,据统计,国际上用于民用空调所耗电能约占民用总电耗的50%。而太阳能是取之不尽,用之不竭的。太阳能制冷用于空调,将大大的减少电力消耗,节约能源;其次是环保,太阳能制冷一般采用非氟烃类的物质作为制冷剂，以减少燃烧化石能源发电带来的环境污染，臭氧层破坏系数和温室效应系数均为零，适合当前环保要求。太阳能制冷的另外一个优势是热量的供给和冷量的需求在季节和数量上高度匹配。太阳辐射越强、气温越高,冷量需求也越大。太阳能制冷还可以设计成多能源系统,充分利用余热、废气、天然气等其他能源。1.太阳能吸收式制冷技术1.1太阳能吸收式制冷技术的原理吸收式制冷是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置,即制冷剂在一定压力下蒸发吸热,再利用吸收剂吸收冷剂蒸汽。系统简图如图1所示。自蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器,被吸收剂强烈吸收,吸收过程中放出的热量被冷却水带走,形成的浓溶液由泵送入发生器中,被热源加热后蒸发,产生高压蒸汽,进入冷凝器冷却,而稀溶液减压回流到吸收器,完成一个循环。它相当于用吸收器和发生器代替压缩机,消耗的是热能。热源可以利用太阳能、低压蒸汽、热水、燃气等多种形式。吸收式制冷系统的特点与所使用的制冷剂有关,常用于吸收式制冷机中的制冷剂大致可分为水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四个大类。水系工质对是目前研究最热门的课题之一，对它的研究主要是针对现今大量生产的商用LiBr吸收式制冷机依然存在的易结晶、腐蚀性强及蒸发温度只能在零度以上等缺陷。氨系工质对中包括了最为古老的氨水工质对和近期开始受重视的以甲氨为制冷剂的工质对，由于氨水工质对具有互溶极强、液氨蒸发潜热大等优点,它至今仍被广泛用于各类吸收式制冷机。人们对氨水工质对的研究主要是针对它的一些致命的缺陷，如：COP较溴化锂小、工作压力高、具有一定的危险性、有毒、氨和水之间沸点相差不够大、需要精馏等。吸收式空调采用溴化锂或氨水制冷机方案，虽然图1太阳能吸收制冷系统简图技术相对成熟,但系统成本比压缩式高，主要用于大型空调，如中央空调等。1.2太阳能吸收式制冷技术的研究现状ArifIleri对以R22-DMETEG为工质对的太阳能单效吸收式空调系统的年性能进行了理论分析，系统设计制冷量为100kW，采用400m2高效集热器。结果表明，与常规的锅炉和电空调相比，太阳能吸收式制冷系统能够节省380%冬季采暖、91%夏季制冷的耗能，年运行成本节省约50%。R.J.Romero等对采用LiBr/H20和三重氢氧化物水溶液(NaOH:KOH:CsOH=40:30:24)为工质的太阳能单效吸收式制冷系统的性能进行了对比。结果表明，与采用LiBr/H20相比，采用三重氢氧化物水溶液为工质时，系统具有更好的性能系数，但还有很多不足:要求的热源温度高，发生器温度需要在130-160℃;由于粘性较大，导致传热传质系数较低:高温下的腐蚀性较大。I.Pilatowsky等对采用一甲胺一水的太阳能单效吸收式制冷系统的性能进行了理论研究。结果表明，一甲胺一水是很好的工质对，蒸发温度可达(-5)-100C，可应用于亚热带地区，用于牛奶冷藏等场合。马来西亚大学的等三位学者,提出了一个使用真空管集热器的太阳能驱动的单效溴化锂吸收式制冷仿真系统。系统制冷功率为3.5KW,通过TRNSYS进行仿真优化计算,确定水箱容量、集热面积、集热器倾角等参数。我国的研究工作人员在开发结合太阳能热水系统的吸收式制冷系统方面也做了大量工作。最有代表性的是广州能源所研制的两级吸收式溴化锂空调机组,与传统单效吸收制冷机相比,驱动热源温度大幅降低(65℃以上),因而与太阳能集热器能够更好地匹配工作。上海交通大学的王如竹和刘艳玲提出了一种小型双效太阳能溴化锂吸收式制冷系统,制冷量为10KW。系统将燃气直燃型双效澳化铿机组与热管式真空管集热器相结合,在普通燃气双效循环运行的基础上,引入了太阳能热水作为低压发生器的辅助驱动能源,可以实现夏季制冷、冬季供暖以及全年提供生活热水的功能。2.吸附式制冷技术吸附式制冷可采用低品位热能作为驱动能源，特别适合采用能量密度低的太阳能以及废热；它所使用的是无污染或少污染的工质对；设备结构简单、可靠；操作简便；无运动部件、使用寿命长、运转费用低廉、无噪声，适用于无电地区、有大量低品位余热排放的工业过程及有颠簸震动的移动式机械上。因此，吸附式制冷技术引起世界各国科技工作着的广泛关注。2.1吸附式制冷技术的原理和特点太阳能吸附式制冷实际上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剂-制冷剂组合可以有不同的选择，例如：沸石-水。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1图2广州能源所开发的两级吸收式空调所示。其操作过程是间歇的，包括吸附和脱附两个过程。(1)受热脱附过程。吸附床内充满了吸附剂，吸附有制冷剂，冷凝器与冷却系统相连，一般冷却介质为水。工作时太阳能集热器对吸附床加热，制冷剂获得能量Qd克服吸附剂的吸引力从吸附剂表面脱附，进入右边管道，系统压力增加。当压力与冷凝器中对应温度下的饱和压力相等时，制冷剂开始液化冷凝放出潜热Qc，冷凝成液态并流到蒸发器中贮存起来，脱附过程结束。(2)吸附过程。冷却系统对吸附床进行冷却，温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，吸附剂放出吸附热Qa，并重新吸附制冷剂蒸汽，管道内压力降低。蒸发器中的制冷剂因压力瞬间降低而蒸发吸热Q0，达到制冷效果，制冷剂达到吸附床，吸附过程结束。在此过程中，蒸发器吸收冷媒水的热量，吸附床放热。白天太阳辐射充足时，吸附床吸收太阳辐射后，温度升高，使制冷剂从吸附剂中解吸，吸附床内压力升高。解吸出来的制冷剂进入冷凝器，经冷却介质冷却后凝结为液态，进入蒸发器。这样，太阳能转化为代表制冷能力的吸附势储存起来，实现化学吸附潜热的储存。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。与常规压缩式制冷方式相比，太阳能吸附式制冷有着不采用氟利昂作为制冷剂，系统结构简单、运行噪声低、寿命长、安全性好、无需考虑腐蚀等一系列显著优点。2.2太阳能吸附式制冷的研究现状及发展各国学者们也进行了长期的实验研究，其中大多数是对吸附式制冰样机的研究，循环工质对通常选择活性炭－甲醇，少数也采用硅胶-水。表1列出了国内外一些太阳能固体吸收式制冷机的实验结果。图3太阳能吸附式制冷系统图图4所示为上海交通大学开发的太阳能硅胶一水吸附式空调机组,可依靠普通太阳能集热器阵列产生热水驱动制冷循环。机组是由两个单吸附床结构复合而成的双床连续制冷系统,为了提高系统的制冷功率及低温热源驱动下的工作性能,机组采用了回质与回热循环措施,同时采用了双蒸发器结构实现了连续制冷量输出。在额定工况下(对应于85℃的热水,冷冻水出口温度10℃),机组制冷功率为8.5kw,热力COP为0.4。用于太阳能制冷,可利用60-80℃热水驱动,典型晴天条件下,能实现连续8h制冷。目前制冷量10kW产品已小批量生产。表1国内外吸附式试验样机的研究状况图4硅胶一水吸附式空调机组德国SolarNextAG公司,日本Nishyodo和Mayekawa公司也报道了他们的太阳能吸附式空调产品，图5为德国某建筑使用的Nishyodo公司105KW的硅胶一水吸附式制冷机组。这些机组的最大特点是要求驱动热源温度低,与集热器工作温度匹配好。AnyanwuE.E.等对活性炭-氨、沸石-水以及活性炭-甲醇三种工质对作研究后认为，沸石-水是用于太阳能吸附式空调系统的最佳工质，而活性炭-氨则更适合作制冰机、食物贮藏之用。3.太阳能溶液除湿技术3.1太阳能溶液除湿技术原理和特点图6为太阳能溶液除湿冷却系统的流程图,整个流程有2个子循环组成:空气循环和溶液循环.需处理空气(包括回风和新风)经过溶液除湿器后常温冷却,进入直接蒸发冷却器进行降温处理达到房间空调所要求的送风点后进入室内,空气在室内升温、增湿后其中一部分回到除湿器完成空气循环.在空气除湿器中,常温状态下高浓度的除湿溶液与被处理空气直接接触,由于除湿溶液表层的水蒸气分压力比被处理空气水蒸气低得多,所以空气中的水蒸气以扩散传质的方式进入溶液表层,进而被溶液吸收.从除湿器内出来的稀溶液经过溶液热交换器升温后进入太图5德国Freiberg应用的日本Nishyodo公司吸附空调机组阳能集热器内进行进一步的加热温升。被加热的溶液达到再生温度后进入溶液再生器内,在再生器内水蒸气输送过程正好与除湿器相反,温度较高、浓度较低的溶液与环境空气直接接触,此时溶液表层水蒸气分压力高于湿空气表层水蒸气分压力,因而溶液里面的水蒸气不断扩散至空气中,完成除湿溶液的再生过程,再生后的浓溶液流经溶液热交换器降温,并通过冷却水的二次温降,恢复除湿能力后重新进入除湿器内对需处理空气进行除湿完成溶液循环.图1中的电加热器是一种辅助热源,只在阴雨天使用.3.2太阳能溶液除湿技术研究现状国内在溶液除湿冷却系统研究方面起步较晚,但近年来国内各大高校在该领域的研究不断增多,并取得很大的进展。张小松教授领导的科研小组在新型太阳能溶液再生装置和除湿蒸发冷却系统工艺研究上取得了重大理论突破.在利用太阳能进行溶液再生研究方面,研究了一种新的太阳能溶液再生装置,该装置克服了高湿天气对溶液再生性能的不利影响,是一种能在较低再生温度下能实现溶液再生的装置。上海交通大学应用了采用复合干燥剂材料的两级转轮除湿空调机组(图7),由于采用了物理吸附、化学吸附耦合的复合干燥剂材料,同时经过对吸附表面的处理,使得除湿空调循环的动态吸湿率大幅提高,同时对再生热源温度的要求得以降图6太阳能溶液除湿冷却流程图低。另一方面采取了级间冷却的方法,提高了系统效率。系统可利用50℃以上的热源驱动,热力COP大于1,与普