太阳能制冷技术的研究现状和存在的问题

太阳能制冷技术的研究现状和存在的问题李根—制作南京航空航天大学一、太阳能及制冷技术概述太阳能是一种取之不尽,用之不竭的清洁能源,据统计,到达地球表面的平均太阳辐射强度为1367kW/m2,地球表面获得的太阳能可达173000kW。目前,太阳能已应用于发电、生活用热等领域,在煤炭、石油、天然气、矿藏等不可再生能源终将枯竭、建筑能耗日益增大、空调节能越来越受到重视的今天,太阳能空调制冷技术的研究与应用必有更广阔的前景。•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。特别是，近年来随着集中式太阳能热水和采暖系统的规模化应用，夏季太阳能热量过剩现象十分突出，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，目的在于可以提高太阳能集热器的全年利用效率，另一方面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。太阳能空调制冷的最大优点在于它有很好的季节匹配性，天气越热、越需要制冷的时候，太阳辐射条件越好，太阳能制冷系统的制冷量也越大。二、太阳能空调制冷技术途径利用太阳能实现供热与制冷的可能技术途径主要包括太阳能转换为热能，利用热能供热制冷，以及将太阳能转换为电能，利用电能驱动相关设备供热制冷两大类型。根据需求，太阳能制冷过程也可以实现从空调到冷冻温区的不同要求。图的左侧反映了太阳能收集与转换环节，其中太阳能集热器是将太阳辐射转变为热能的装置，目前主要有平板式、真空管式和聚焦式集热器三种类型，获得的集热温度依次升高。依据太阳能集热器集热温度的不同，可直接用于热水供应以及采暖等，还可以驱动吸收式、吸附式、喷射式、除湿空调，朗肯循环、化学反应等过程获得制冷效应。也可以将太阳辐射通过光伏效应或通过热发电等途径转变为电能，之后通过电能驱动蒸汽压缩制冷循环、斯特林循环以及热电效应实现制冷过程。另外，通过特定的可逆吸热和放热反应，以太阳能为热源，也能够实现特定场合下的制冷要求。在各种太阳能制冷转换途径当中，太阳能热驱动空调能够和当前广泛应用的太阳能热水和采暖系统紧密结合，构成太阳能综合利用系统，从而实现太阳能利用与季节变化的最佳匹配。即利用一套太阳能集热器做到冬季采暧、夏季空调、四季热水供应等，因而可与建筑结合在建筑能源结构中发挥重要的作用，这也是实现太阳能规模化、低成本应用的理想途径之一。三、太阳能空调制冷技术应用研究现状近几年,国内、外众多学者在太阳能空调制冷技术方面进行了深入的研究。太阳能制冷主要有两种方式,一是先实现光-电转换,再用电力驱动常规压缩机进行制冷,原理简单,容易实现,但成本高;二是利用太阳的热能为驱动力进行制冷,技术要求高,但成本低,无噪声,无污染,是目前太阳能在空调中应用的主要方式。四、太阳能吸收式空调制冷技术1、太阳能吸收式制冷技术吸收式制冷是根据吸收剂强烈的吸收制冷剂的特性,利用热能驱动溶液进行制冷。根据吸收剂的不同,可分为氨-水吸收式制冷和溴化锂-水吸收式制冷两种。将太阳能引入吸收式制冷系统作为驱动热能,可大大降低系统的运行成本,改善其运行性能。目前,国内所研究、开发的吸收式太阳能空调系统大都采用常规的闭式循环。2、太阳能液体除湿空调系统太阳能液体除湿是将环境空气或室内回风送入除湿器,使之与除湿溶液接触,空气中部分水分被除去,对干燥后的空气再绝热加湿,从而达到空气调节的目的;被稀释的除湿溶液在再生器中得到再生,从而完成一个循环过程。目前在太阳能吸收式制冷系统中,太阳能液体除湿空调系统由于采用太阳能为热源,除湿溶液可以循环使用,因此这种系统环保、节能且运行成本低廉,已经成为现代太阳能空调制冷技术中研究的主要方向和热点课题。但另一方面,系统的一次性投资比较大,所以设计结构合理、性能优良的除湿和再生设备、选择性能良好的除湿溶液、对现有系统进一步优化和小型化都是研究的重点。五、太阳能吸附式空调制冷技术1、固定床吸附式制冷技术吸附式制冷是利用固体吸附剂对制冷剂的吸附作用来制冷,常用的有分子筛-水、活性炭-甲醇吸附式制冷。由于太阳能吸附式制冷系统一般在负压下工作,使用一段时间后,制冷性能会变坏,最终停止工作。2、开式太阳能固体吸附式空调制冷系统太阳能吸附式制冷是以太阳能为驱动热源,以某种具有多孔性的固体作为吸附剂,某种气体作为制冷剂,形成吸附制冷工质对,在固体吸附剂对气体吸附物吸附的同时,流体吸附物不断地蒸发成可供吸附的气体,蒸发过程对外界吸热实现制冷。3、太阳能喷射式空调制冷技术喷射式制冷系统中循环泵是唯一的运动部件,系统设置比吸收式简单、运行稳定,可靠性较高。但其缺点是制冷效率较低。六、当今制冷新技术图1，硅胶--水吸附式空调机组图2德国Freiberg应用的日本Nishyodo公司吸附空调机组图3太阳能两级转轮除湿空调系统图4班牙Mataro太阳能空气集热器驱动除湿空调机组图5以色列海法应用的太阳能溶液除湿空调图6远大公司的太阳能辅助双效吸收式空调图7广州能源所开发的两级吸收式空调七、太阳能空调制冷技术的应用前景在世界能源日益紧张、空调能耗逐年增加的情况下,采用更为节能的空调系统是人类的共同需求。以太阳能为驱动热源的空调制冷系统,既节约了能源,还不使用破坏大气层的氟里昂等有害物质,是名副其实的绿色空调。在节能和环保方面有很大的发展潜力。太阳能空调制冷系统多是建立在太阳能集热器基础上,一方面,由于太阳能的利用效率低、价格高,并且受时效影响,对于居住相对集中的楼房来说,如果楼房的设计没有考虑到太阳能空调,集热器的安装将受到很大的限制;另一方面,太阳能制冷有多种形式,但就目前的研究现状来看,各种不同形式的制冷系统都多少存在着不足,所以限制了太阳能空调制冷技术的广泛应用。如何进一步提高系统的运行效率,以及各种制冷循环的联合运行都是将来研究的重点领域。随着太阳能空调系统设计制造的软硬件系统、技术标准、配套设备的发展,并依托绿色建筑这个发展的建筑市场,太阳能在空调制冷中的研究应用一定会有很大的发展。八、结语太阳能用于空调制冷技术很有发展前景,并且是大势所趋,但用于太阳能转换的设备投资较高,其技术尚需进一步完善,而且还缺乏一些对系统的操作运行有实际经验的建筑师、施工者和设计者,给太阳能制冷技术的发展和应用带来一定困难,因此,目前急需解决的问题有:降低系统成本,减小系统体积,提高系统运行的稳定性和可靠性,提高系统的效率和性能系数,提高系统自动化程度等。我国是发展中国家,地域辽阔,人口众多,电力资源分布严重不均衡,但是大多数地方,特别是西部贫困地区阳光照射充足,随着人们生活水平的提高,对空调的需求将大大增加,而太阳能制冷正好满足这种需求,因此必有广阔的发展和应用前景。