太陽能光伏冰箱冷柜的研究現(xiàn)狀及前景

劉越

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

近年來，隨著常規(guī)能源的不斷減少和環(huán)境污染的不斷加深，人們正逐步將目光投向了新型環(huán)?？稍偕茉?，如太陽能，風(fēng)能，生物能等。其中，太陽能是一種清潔環(huán)保、容易獲取而且儲量豐富的可再生能源。同時(shí)，它也是將來最有希望代替其他能源的綠色能源。太陽能的利用有助于解決不可再生能源日益枯竭所導(dǎo)致的能源危機(jī)問題。

太陽能利用主要分為熱利用和電利用。熱利用是將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能加以利用，如太陽能熱水器、太陽能海水淡化系統(tǒng)、太陽能爐等。太陽能熱利用技術(shù)雖然設(shè)備比較簡單，但受時(shí)間和天氣的影響較大。因而，太陽能的熱利用需要增加蓄熱設(shè)備，也就增加了成本。同時(shí)，熱輸送在實(shí)際中不容易實(shí)現(xiàn)。電利用是將太陽能轉(zhuǎn)化成電能加以利用。由于太陽能轉(zhuǎn)化成電能的過程中輸入能量的代價(jià)為零，排放污染為零，且電力輸送較為方便。因而，太陽能轉(zhuǎn)化成電能加以利用是太陽能利用最理想的形式。轉(zhuǎn)換的電能可以用于空調(diào)、照明、冰箱冷柜等場合。這其中，太陽能光伏冰箱冷柜系統(tǒng)具有良好的季節(jié)匹配性，即天氣溫度越高，太陽能輻射量越大，系統(tǒng)制冷量越大。這一優(yōu)勢使太陽能光冰箱冷柜受到越來越多人的重視。

1 太陽能光伏冰箱冷柜系統(tǒng)工作原理

太陽能光伏冰箱冷柜是利用光伏轉(zhuǎn)換裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為電能來驅(qū)動冰箱冷柜制冷。根據(jù)驅(qū)動負(fù)載的電流形式不同，太陽能光伏冰箱冷柜可分為太陽能光伏直流冰箱冷柜和太陽能光伏交流冰箱冷柜。如圖1所示，太陽能光伏冰箱冷柜一般由太陽能電池板、控制器、蓄電池和冰箱冷柜四部分組成。

圖1 太陽能光伏制冷示意圖

如果是交流系統(tǒng)則控制器應(yīng)包括逆變器功能或是單獨(dú)增設(shè)一個(gè)逆變器。直流制冷系統(tǒng)不需要逆變器，也就沒有能量多次變換產(chǎn)生的損失，在光伏交流冰箱冷柜中，逆變器所消耗的電能占到太陽能電池轉(zhuǎn)換電能的20%[1]。因此目前研究的大多為太陽能光伏直流冰箱冷柜系統(tǒng)，其工作原理是：在白天陽光充足時(shí)，太陽能電池板將接收太陽輻射能轉(zhuǎn)化成直流電輸出，一部分直流電驅(qū)動直流壓縮機(jī)運(yùn)行，使制冷系統(tǒng)工作；另一部分電儲存到蓄電池里；在夜間或陰雨天，通過蓄電池里的電能驅(qū)動系統(tǒng)制冷。

2 太陽能光伏冰箱冷柜制冷研究進(jìn)展

2.1 國內(nèi)研究進(jìn)展

朱軍山[2]等人在前人研究的基礎(chǔ)上選用科龍BC/D-190L冷柜作為太陽能冷柜的主體，研發(fā)出了一款太陽能冷柜如圖2所示。該冷柜的光伏電池選用的是Shell公司的產(chǎn)品，其峰值功率為300W，白天平均產(chǎn)電功率為120W，日平均產(chǎn)電量為0.9kWh。蓄電池容量為150AH,可蓄存(3～4)天的耗電。壓縮機(jī)選用的是德國DANFOSS直流壓縮機(jī)，最大COP值可達(dá)2.0，且有保護(hù)和調(diào)速功能。經(jīng)過研究測試，該冷柜溫度可在-18℃～5℃之間調(diào)節(jié)，平均正常使用時(shí)間達(dá)97%以上。

圖2 太陽能冰箱實(shí)物圖

黃易[3]等人對太陽能光伏冷藏柜制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)出了一款太陽能飲料柜如圖3。該飲料柜在環(huán)境溫度35℃，冷柜內(nèi)的溫度在1℃～7℃范圍內(nèi)變化，符合可樂等飲料的冷藏溫度要求。冷柜降溫過程平均功率198.4W，平均每小時(shí)耗電量0.2 kWh/h，保溫過程的平均功率134.4W，平均每小時(shí)耗電量0.14kWh/h，為降溫過程的70%。

上海交通大學(xué)劉群生[4]等對光伏直流雙溫冰箱系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)出一款太陽能冰箱如圖3，冷凍室的最低溫度可達(dá)-16℃，冷藏室溫區(qū)可達(dá)(0～10)℃。該冰箱在環(huán)境溫度為25℃下工作時(shí)，空箱情況下運(yùn)轉(zhuǎn)率為48%，帶負(fù)載時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)率為49.7%；環(huán)境溫度為31℃時(shí)，空箱運(yùn)轉(zhuǎn)率為63.2%，以上兩種情況冰箱皆可正常工作。在完全無日照的情況下，系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行4天，該冰箱可廣泛應(yīng)用于無電或缺電地區(qū)的食品保鮮、冷凍和疫苗血漿等醫(yī)療制品的冷藏等。

圖3 太陽能光伏直流冰箱系統(tǒng)圖

我國甘肅省科學(xué)院自然能源研究所的鄒今平[5]通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對太陽能電源 12V直流冰箱系統(tǒng)進(jìn)行了研究。所進(jìn)行的直流冰箱負(fù)載與當(dāng)?shù)剌椛錀l件、太陽能電池組件及蓄電池間的匹配實(shí)驗(yàn),為用于邊遠(yuǎn)地區(qū)的疫苗保存、“冷鏈”運(yùn)送疫苗提供了科學(xué)的依據(jù)。

2.2 國外研究進(jìn)展

2000年，美國的SOLUS制冷公司研制出的光伏直流冰箱沒有使用蓄電池，而是采用一種水—丙稀/乙二醇相變材料蓄冷所代替。由于沒有蓄電池，因而使整個(gè)冰箱系統(tǒng)的整機(jī)重量減少了許多。但在正常工作時(shí)需要每天的最少日照時(shí)數(shù)為4小時(shí)。該冰箱容積為105L，名義工作電壓為12V，制冷劑為R134a。經(jīng)在新墨西哥的炎熱沙漠地區(qū)測試，當(dāng)環(huán)境平均溫度為32℃時(shí)，冰箱仍能很好的工作在1.4℃左右；當(dāng)環(huán)境平均溫度為29℃且沒有太陽能出入時(shí)，箱內(nèi)溫度至少可以保持7天[6]。

澳大利亞的羅伯特·查爾斯·阿爾比茲[7]發(fā)明了一種太陽能冰箱，并于1999年在英國、中國等國家申請了發(fā)明專利。該專利描述的太陽能冰箱中包括多個(gè)制冷劑通路，每個(gè)制冷劑通路都是一個(gè)獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，即每個(gè)制冷劑通路中都有一個(gè)變速直流壓縮機(jī)、一個(gè)冷凝器等。每個(gè)制冷劑通路工作在不同的電流值，每個(gè)變速壓縮機(jī)至少配備一塊太陽能電池板。該冰箱中的轉(zhuǎn)換器根據(jù)太陽能電池所產(chǎn)生的電流的大小決定一個(gè)制冷劑通路工作還是多個(gè)制冷劑通路聯(lián)合工作，同時(shí)，轉(zhuǎn)換器還能根據(jù)電流的大小，調(diào)節(jié)變速壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和太陽能電池產(chǎn)生的電流之間的匹配。該冰箱用蓄冷材料蓄冷來取代蓄電池。此發(fā)明所述的冰箱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：早上、傍晚等輻射強(qiáng)度較弱時(shí)，制冷系統(tǒng)也可以充分的利用太陽能電池的電能，對天氣狀況適應(yīng)性好，效率高。但由于冰箱有多個(gè)獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

德國的Socrates Kaplanis[8]等將市場上銷售的交流冰箱改造成適用于太陽能光伏制冷系統(tǒng)的直流變速冰箱。該冰箱采用直流變速壓縮機(jī)，同時(shí)加厚了冰箱的箱壁厚度，并對冰箱的調(diào)速等運(yùn)行特性進(jìn)行了研究。太陽能光伏系統(tǒng)如圖4。

圖4 光伏直流變速冰箱系統(tǒng)圖

科特迪瓦的Siaka Toure[9]等對一種不用蓄電池的醫(yī)用直流冰箱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，此冰箱有三個(gè)隔間，一個(gè)用于制冰儲藏冷量；一個(gè)用于疫苗與藥品儲藏；一個(gè)用于滿足醫(yī)療人員的生活冷藏需求，以便在光照不強(qiáng)或無光照情況時(shí)冰箱可以連續(xù)運(yùn)行幾天。同時(shí)，對冰箱內(nèi)的水的質(zhì)量多少進(jìn)行了匹配，最后進(jìn)行了火用分析，得出系統(tǒng)火用效率為17%。

此外，Themachan A.Kattakayam, K.Srinivasan[10]等對應(yīng)用于太陽能冰箱冷柜系統(tǒng)中的太陽能電池的匹配原則等進(jìn)行了研究。以上研究對太陽能光伏冰箱冷柜的推廣使用，形成商業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

3 太陽能光伏冰箱冷柜面臨的問題及應(yīng)用前景

目前，制約太陽能光伏制冷冰箱冷柜發(fā)展的是太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率較低和太陽能電池板價(jià)格較高兩大問題。這使得太陽能光伏冰箱冷柜的價(jià)格是普通常規(guī)冰箱冷柜價(jià)格的3倍到4倍[11]。近些年來，在各國政府的大力支持下，太陽能電池工業(yè)迅速發(fā)展，每年增長率為30%[12]。世界各國的研究人員都在致力于提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的研究。目前工業(yè)化的硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)20%[13]左右。另據(jù)報(bào)道，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最大值：單晶硅為25.7%、多晶硅為19.8%、非晶硅為14.5%[1]。據(jù)CNN報(bào)導(dǎo)，休斯公司研究人員利用太空太陽能電池研究成果，制成一種在地球上使用的太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)32.3%[14]。日本學(xué)者經(jīng)過研究，已經(jīng)達(dá)到在鍺和硅片上形成結(jié)晶，并使每1平方厘米單晶上的能量轉(zhuǎn)換率分別達(dá)到30.9%和17.9%[15]。太陽能半導(dǎo)體制熱/制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5。轉(zhuǎn)換效率的增大提高了能源的利用效率，降低了系統(tǒng)的成本。太陽能光伏冰箱冷柜技術(shù)在以后的研究中應(yīng)從提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)行系統(tǒng)能量的優(yōu)化以及系統(tǒng)運(yùn)行的有效配置和優(yōu)化匹配入手，來降低生產(chǎn)成本，提高制冷效率[16]。

圖5 太陽能半導(dǎo)體制熱/制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)冰箱冷柜需要消耗大量不可再生能源且造成環(huán)境污染，開發(fā)一款節(jié)能環(huán)保的冰箱冷柜將是大勢所趨。太陽能光伏冰箱冷柜在我國有著廣泛的應(yīng)用前景。在我國山區(qū)，游牧民族地區(qū)和一些邊防哨所、崗?fù)さ葓鏊?，電力難以送達(dá)，食品保存困難，太陽能光伏冰箱冷柜就顯現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢。

4 總結(jié)

目前，雖然太陽能光伏冰箱冷柜與普通冰箱冷柜相比，其制冷效率較低和價(jià)格較高，但相信隨著人們對太陽能光伏冰箱冷柜以及太陽能電池的不斷深入的研究，太陽能光伏冰箱冷柜將會有更加廣闊的市場前景，并將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

[1] 楊雙,劉忠寶,馬清波,等. 太陽能光伏直流蓄冷冰箱系統(tǒng)的可行性分析[J]. 制冷與空調(diào), 2010(6): 68-71.

[2] 朱軍山,徐岳生,劉彩池等. 一種實(shí)用型的太陽能冰箱研究[J]. 家電科技, 2005(6): 52-53.

[3] 黃易,張華,徐世林. 太陽能光伏驅(qū)動冷柜的研制[J]. 制冷技術(shù), 2008(4): 9-11.