小型太陽(yáng)能光伏直流車載冰箱的實(shí)驗(yàn)性能研究

黃 潔，雷明鏡，張 華

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

近年來(lái)環(huán)保和節(jié)能日益成為制冷研究的焦點(diǎn)，而太陽(yáng)能作為21 世紀(jì)最具有開發(fā)潛力的新能源之一尤其受關(guān)注。伴隨著光伏電池的快速發(fā)展，對(duì)太陽(yáng)能光伏直流冰箱系統(tǒng)的研究也成為綠色制冷技術(shù)的一個(gè)新方向［1-3］。Kattakayam 等［4］對(duì)普通家用冰箱進(jìn)行改造，使其成為適合于光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)的直流冰箱，采用直流變頻壓縮機(jī)，增加冰箱保溫層，并對(duì)冰箱的變頻運(yùn)行特性進(jìn)行了討論。劉群生等［5］采用直流變頻壓縮機(jī)研究了一個(gè)光伏直流冰箱帶負(fù)載和空載時(shí)的冷藏/冷凍特性和系統(tǒng)能量分析。本文設(shè)計(jì)一種小型太陽(yáng)能光伏直流車載冰箱系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)研究，并分析討論系統(tǒng)能量分布及應(yīng)用可行性。

1 太陽(yáng)能車載冰箱制冷系統(tǒng)

太陽(yáng)能車載冰箱制冷系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、制冷系統(tǒng)與冰箱殼體、無(wú)刷直流電動(dòng)壓縮機(jī)與蓄電池等連接而成。但是由于太陽(yáng)輻射不是固定的［3］，僅有蓄電池是不能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，還需要一套自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制和保護(hù)，從而防止太陽(yáng)能電池的輸出隨太陽(yáng)輻射的變化而發(fā)生太大的變化，故本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)配備有控制器。實(shí)驗(yàn)中采用直流壓縮機(jī)冰箱，制冷工質(zhì)為R134a，其臭氧消耗潛能ODP = 0，不消耗臭氧層，容積為45 L，只有一室，可冷藏或冷凍。冰箱所需電源為DC12V-24V，平均功率60 W。根據(jù)系統(tǒng)要求，計(jì)算得出相匹配的太陽(yáng)能電池板、蓄電池和控制器的選用參數(shù)，結(jié)果分別如表1、2 和3 所示。太陽(yáng)能光伏直流車載冰箱系統(tǒng)實(shí)物如圖1 所示。

表 2 蓄電池參數(shù)Tab. 2 Parameters of the battery

表 3 控制器參數(shù)Tab. 3 Parameters of the controller

圖 1 太陽(yáng)能光伏直流車載冰箱系統(tǒng)實(shí)物Fig. 1 Solar photovoltaic DC car-refrigerator system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

本實(shí)驗(yàn)利用一臺(tái)直流冰箱作為一個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)能光伏直流制冷系統(tǒng)的負(fù)載，這樣會(huì)使系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而且得到的結(jié)論也不失一般性。實(shí)驗(yàn)是在上海地區(qū)4 月份連續(xù)晴天期間進(jìn)行的。

開機(jī)前將冰箱的溫度設(shè)為0 ℃，以檢測(cè)冰箱制冷性能和測(cè)量運(yùn)轉(zhuǎn)率等。圖2（a）為從開機(jī)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)冰箱電流變化。從圖中可以看出，制冷時(shí)間和光照度有關(guān)。冰箱穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，每隔一段時(shí)間制冷一次。上午9:30～10:30 左右，由于光照度相對(duì)較弱，太陽(yáng)能板需要較長(zhǎng)的時(shí)間給蓄電池充電，制冷所需時(shí)間較長(zhǎng)，而中午光照度較強(qiáng)，因此冰箱制冷時(shí)間相對(duì)較短。

圖2（b）為從開機(jī)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)冰箱溫度的變化。從圖中可以看出，剛開機(jī)時(shí)溫度為室溫，冰箱工作后開始制冷，溫度逐漸下降并趨于0 ℃。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，溫度在0 ℃附近上、下波動(dòng)，波動(dòng)范圍上限為5 ℃，下限為-3 ℃，且和圖中冰箱制冷時(shí)間相對(duì)應(yīng)。冰箱的溫度控制啟停完全達(dá)到預(yù)期效果。圖2（c）、（d）分別為從開機(jī)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)蓄電池電壓、負(fù)載功率變化。將圖2（d）與圖2（a）、（b）、（c）對(duì)比可知，一旦達(dá)到預(yù)先設(shè)定溫度0 ℃，冰箱即停止運(yùn)行，負(fù)載為0；當(dāng)溫度升高到4 ℃時(shí)，冰箱即再次啟動(dòng)，如此循環(huán)形成啟停周期。

圖 2 從開機(jī)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)冰箱電流、冰箱溫度、蓄電池電壓、負(fù)載功率的變化Fig. 2 Changes of the current，the temperature in refrigerator，the voltage in battery，the load power from start-up to stable operation

圖3（a）、（b）、（c）分別為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)冰箱電流、負(fù)載功率和冰箱溫度的變化。從圖3（a）中可見，冰箱制冷周期比較穩(wěn)定。第一個(gè)周期是從10:56 至11:41 共計(jì)45 min，運(yùn)行時(shí)間為21 min，停運(yùn)時(shí)間為24 min；第二個(gè)周期是從11:42 至12:38 共計(jì)46 min，運(yùn)行時(shí)間為23 min，停運(yùn)時(shí)間為23 min；第三個(gè)周期是從12:39 至13:33 共計(jì)54 min，運(yùn)行時(shí)間為32 min，停運(yùn)時(shí)間為22 min；

圖 3 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)冰箱電流、負(fù)載功率、冰箱溫度變化Fig. 3 Changes of the current，the load power，the temperature during the stable operation process

第四個(gè)周期是從13:33 至14:24 共51 min，運(yùn)行時(shí)間為33 min，停運(yùn)時(shí)間為19 min。故可計(jì)算出冰箱在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)平均運(yùn)行率為56%。而且，實(shí)驗(yàn)使用的蓄電池容量為100 Ah，完全無(wú)日照的情況下冰箱實(shí)際穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間達(dá)到34 h，基本達(dá)到使用要求。

從圖3（b）中可以看到，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)每個(gè)周期壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載均有上升趨勢(shì)，即從62 W（第一個(gè)周期）上升到65 W（第二個(gè)周期）、70 W（第三個(gè)周期）、75 W（第四個(gè)周期）。這是因?yàn)榇藭r(shí)大氣溫度是上升的，導(dǎo)致冰箱負(fù)載也有上升趨勢(shì)。而且，從圖3（b）中14:25 時(shí)的負(fù)載功率比第四個(gè)周期壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載功率（75 W）要低也可印證上述現(xiàn)象。

從圖3（c）中可以看出，每到0 ℃，冰箱都能按預(yù)期設(shè)定停機(jī)，但是冰箱的溫控器繼續(xù)顯示溫度下降至-2 ℃。這和預(yù)定的0 ℃有一定的誤差。這是由于冰箱上安裝的溫控器不夠精確存在遲緩導(dǎo)致。

圖4 為從開機(jī)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)蓄電池充電電流的變化。運(yùn)行過(guò)程中由于蓄電池充電電流是電池板供應(yīng)負(fù)載電流后剩余的，所以其大小與電池板的發(fā)電能力和負(fù)載電流有關(guān)。

圖 4 從開機(jī)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)蓄電池充電電流的變化Fig. 4 Changes of the charging current from start-up to stable operation

3 系統(tǒng)能量分析

通過(guò)分析系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的能量消耗，找出能量消耗較多的環(huán)節(jié)和部位，并對(duì)其用能情況作出評(píng)價(jià)，指出過(guò)程用能改進(jìn)的潛力和方向［6］。

由于負(fù)載冰箱中沒(méi)有冷凝器風(fēng)扇，所以負(fù)載功耗Pl為壓縮機(jī)功耗，其計(jì)算式為

式中，Il、Ul分別為冰箱電流和電壓。

本實(shí)驗(yàn)中Il、Ul平均值分別為4.67 A、12.4 V，故Pl= 57.91 W。

蓄電池充電功率計(jì)算式為

式中，Ib、Ub分 別為蓄電池充電電流和充電電壓。

本實(shí)驗(yàn)中Ib、Ub平 均值分別為3.02 A、12.4 V，故Pb= 37.45 W。

太陽(yáng)能電池板輸出功率Ps計(jì) 算式為

式中，Is、Us分 別為太陽(yáng)能電池板輸出電流、工作電壓。

本實(shí)驗(yàn)中Is平均值為7.69 A，取電池最佳工作電壓為17.2 V，故Ps= 132.27 W。

本實(shí)驗(yàn)中無(wú)專門的裝置測(cè)試控制器和線路功耗，兩者總功耗是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算得到?？偣腜c可表示為

因此，Pc= 36.91 W。

根據(jù)上述計(jì)算可以得出太陽(yáng)能光伏冰箱系統(tǒng)能量分配，結(jié)果如表4 所示。

表 4 太陽(yáng)能光伏冰箱系統(tǒng)能量分配Tab. 4 Energy distribution of the solar photovoltaic DC car-refrigerator system

4 結(jié) 論

在戶外晴朗的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)冰箱實(shí)現(xiàn)冷藏功能、預(yù)設(shè)溫度為0 ℃時(shí)，壓縮機(jī)輸入功率平均為60 W，平均運(yùn)行率為56%；在完全無(wú)日照情況下并由蓄電池供電時(shí)，冰箱可連續(xù)運(yùn)行34 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行狀況可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。該制冷系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)是可移動(dòng)性強(qiáng)，可廣泛用于汽車、缺電地區(qū)（偏遠(yuǎn)山區(qū)、邊防哨所等）的食品保鮮、冷凍和疫苗血漿等醫(yī)療制品的冷藏等。