太陽能制冷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

太陽能制冷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

夏季太陽能熱量過剩情況太陽能是一種廣泛分布和使用清潔的可支配能源。它預(yù)計將在未來的社會能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮更重要的作用。其中利用太陽能進(jìn)行供熱、采暖和制冷是實現(xiàn)規(guī)模化、低成本利用太陽能的重要途徑。特別是近年來,隨著集中式太陽能熱水和采暖系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用,夏季太陽能熱量過剩現(xiàn)象十分突出,各國學(xué)者[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]都在積極尋找能夠?qū)崿F(xiàn)夏季利用太陽能進(jìn)行空調(diào)制冷的有效方法,目的在于提高太陽能集熱器的全年利用效率,另一方面可以開辟一條利用太陽能解決空調(diào)制冷需求的嶄新技術(shù)途徑[13,14,15,16,17,18,19,20]。太陽能空調(diào)制冷的最大優(yōu)點(diǎn)在于它有很好的季節(jié)匹配性,天氣越熱、越需要制冷的時候,太陽輻射條件越好,太陽能制冷系統(tǒng)的制冷量也越大。1太陽能集熱器簡介利用太陽能實現(xiàn)供熱與制冷的可能技術(shù)途徑如圖1所示,主要包括太陽能轉(zhuǎn)換為熱能,利用熱能供熱制冷;以及將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,利用電能驅(qū)動相關(guān)設(shè)備供熱制冷兩大類型。根據(jù)需求,太陽能制冷過程也可以實現(xiàn)從空調(diào)到冷凍溫區(qū)的不同要求。圖的左側(cè)反映了太陽能收集與轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),其中太陽能集熱器是將太陽輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿难b置,目前主要有平板式、真空管式和聚焦式集熱器3種類型,獲得的集熱溫度依次升高。依據(jù)太陽能集熱器集熱溫度的不同,可直接用于熱水供應(yīng)以及采暖等,還可以驅(qū)動吸收式、吸附式、噴射式、除濕空調(diào),朗肯循環(huán),化學(xué)反應(yīng)等過程獲得制冷效應(yīng)。還可以將太陽輻射通過光伏效應(yīng)或者通過熱發(fā)電等途徑轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?之后通過電能驅(qū)動蒸汽壓縮制冷循環(huán)、斯特林循環(huán)以及熱電效應(yīng)實現(xiàn)制冷過程。另外,通過特定的可逆吸熱和放熱反應(yīng),以太陽能為熱源也能夠?qū)崿F(xiàn)特定場合下的制冷要求。在各種太陽能制冷轉(zhuǎn)換途徑當(dāng)中,太陽能熱驅(qū)動空調(diào)能夠和當(dāng)前廣泛應(yīng)用的太陽能熱水和采暖系統(tǒng)緊密結(jié)合,構(gòu)成太陽能綜合利用系統(tǒng)從而實現(xiàn)太陽能利用與季節(jié)變化的最佳匹配。即利用一套太陽能集熱器做到冬季采暖、夏季空調(diào)、四季熱水供應(yīng)等,因而可與建筑結(jié)合在建筑能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要的作用,這也是實現(xiàn)太陽能規(guī)模化、低成本利用的理想途徑之一。2太陽能熱轉(zhuǎn)換驅(qū)動的空調(diào)系統(tǒng)表1給出了目前最常用的太陽能熱驅(qū)動空調(diào)及其工作方式。從空調(diào)系統(tǒng)講,主要有吸附式、吸收式、除濕空調(diào)和噴射式制冷四大類,其中前三種研究應(yīng)用最廣。它們的工作原理是利用太陽能集熱器產(chǎn)生的熱能驅(qū)動制冷裝置產(chǎn)生冷凍水或調(diào)節(jié)空氣送往建筑環(huán)境內(nèi)進(jìn)行空調(diào)。具體如下。(1)太陽能吸收式制冷:用太陽能集熱器收集太陽能來驅(qū)動吸收式制冷系統(tǒng),是目前為止示范應(yīng)用最多的太陽能空調(diào)方式。應(yīng)用多為溴化鋰-水系統(tǒng),也有的采用氨-水系統(tǒng)。(2)太陽能吸附式制冷:利用吸附制冷原理,以太陽能為熱源,采用的工質(zhì)對通常為活性炭-甲醇、分子篩-水、硅膠-水及氯化鈣-氨等,可利用太陽能集熱器將吸附床加熱后用于脫附制冷劑,通過加熱脫附-冷凝-吸附-蒸發(fā)等幾個環(huán)節(jié)實現(xiàn)制冷。(3)太陽能除濕空調(diào)系統(tǒng):是一種開放循環(huán)的吸附式制冷系統(tǒng)。基本特征是干燥劑除濕和蒸發(fā)冷卻,也是一種適合于利用太陽能的空調(diào)系統(tǒng)。(4)太陽能蒸汽噴射式制冷:通過太陽能集熱器加熱使低沸點(diǎn)工質(zhì)變?yōu)楦邏赫羝?通過噴管時因流出速度高、壓力低,在吸入室周圍吸引蒸發(fā)器內(nèi)生成的低壓蒸汽進(jìn)入混合室,同時制冷劑在蒸發(fā)器中汽化而達(dá)到制冷效果。上述幾種太陽能熱能轉(zhuǎn)換驅(qū)動的空調(diào)制冷方式中,目前為止太陽能溴化鋰-水吸收式空調(diào)方式示范應(yīng)用最多,以歐洲為主。另外,吸附式制冷方式由于驅(qū)動熱源要求溫度低,近年來在我國和歐洲發(fā)展很快。除濕空調(diào)技術(shù)以開放循環(huán)方式工作,系統(tǒng)可靠性高,在處理空調(diào)潛熱負(fù)荷方面具有優(yōu)勢。圖2所示為太陽能熱驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)太陽能集熱器與制冷方式之間的理論匹配關(guān)系(實際集熱器效率要低一些)。這里主要考慮了常見的平板式、真空管式和空氣集熱器幾種類型。除濕空調(diào)在開放環(huán)境中工作,主要用于濕度的處理,需要的熱源溫度最低,因此可匹配選用空氣集熱器和平板式太陽能集熱器。其次是吸附式制冷,可在60～85℃熱源溫度下運(yùn)行。如果集熱溫度可達(dá)85℃以上,可驅(qū)動單效吸收式制冷過程。如果集熱溫度能達(dá)到150℃左右,則可以選用具有較高運(yùn)行效率的太陽能雙效吸收式制冷方式。另外,以空調(diào)特點(diǎn)而言,除濕空調(diào)是對處理空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)的空氣調(diào)節(jié)手段,能夠直接把空氣處理到理想的溫濕度條件。而吸附制冷、吸收制冷和噴射制冷則主要是獲得冷凍水為目的,進(jìn)一步通過風(fēng)機(jī)盤管或輻射末端對環(huán)境溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。前者在處理潛熱負(fù)荷方面具有優(yōu)勢,但對空氣降溫處理方面能力有限,某些情況下,需要其他制冷方式結(jié)合處理實現(xiàn)顯熱、潛熱分級處理,達(dá)到理想空調(diào)效果。3太陽能熱水制造由于太陽能制冷具有季節(jié)匹配性好、使用清潔等突出優(yōu)點(diǎn),近年來國內(nèi)外在太陽能空調(diào)制冷領(lǐng)域的研究非常活躍,主要體現(xiàn)在如下方面。3.1太陽能生物空調(diào)機(jī)組目前廣泛應(yīng)用的太陽能集熱器類型主要是真空管和平板式集熱器,為非聚焦類集熱裝置,通常用于太陽能熱水和采暖系統(tǒng),集熱溫度通常在40～100℃之間。對傳統(tǒng)的單效吸收式空調(diào)而言,一個白天能夠保證85℃以上集熱溫度的時間有限,因此需要與輔助熱源加熱相結(jié)合。為了提高太陽能制冷過程中太陽輻射能源的貢獻(xiàn)率,開發(fā)適合太陽能集熱器溫位的制冷機(jī)組、特別是小容量的制冷機(jī)組是研究的熱點(diǎn)。圖3所示為上海交通大學(xué)開發(fā)的太陽能硅膠-水吸附式空調(diào)機(jī)組,可依靠普通太陽能集熱器陣列產(chǎn)生的熱水驅(qū)動制冷循環(huán)。機(jī)組是由兩個單吸附床結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的雙床連續(xù)制冷系統(tǒng),為了提高系統(tǒng)的制冷功率及低溫?zé)嵩打?qū)動下的工作性能,機(jī)組采用了回質(zhì)與回?zé)嵫h(huán)措施,同時采用了雙蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了連續(xù)制冷量輸出。在額定工況下(對應(yīng)于85℃的熱水,冷凍水出口溫度10℃),機(jī)組制冷功率為8.5kW,熱力COP為0.4。用于太陽能制冷,可利用60～80℃熱水驅(qū)動,典型晴天條件下,能實現(xiàn)連續(xù)8h制冷。目前制冷量10kW產(chǎn)品已小批量生產(chǎn)。此機(jī)組已在建筑太陽能空調(diào)、太陽能低溫儲糧系統(tǒng)獲得應(yīng)用。此外,德國SolarNextAG公司,日本Nishyodo和Mayekawa公司也報道了他們的太陽能吸附式空調(diào)產(chǎn)品。圖4為德國某建筑使用的Nishyodo公司105kW的硅膠-水吸附式制冷機(jī)組。這些機(jī)組的最大特點(diǎn)是要求驅(qū)動熱源溫度低,與集熱器工作溫度匹配好。3.1.2空調(diào)變異性能除濕空調(diào)是各類空調(diào)方式中要求熱源溫度最低的,完全依靠干燥劑除濕和蒸發(fā)冷卻原理工作,環(huán)保無污染。除濕空調(diào)依采用干燥劑的不同,分為溶液除濕空調(diào)和固體除濕空調(diào)兩類。目前研究主要集中在兩個方面:一是干燥劑材料強(qiáng)化吸濕機(jī)理和吸附表面設(shè)計,二是除濕空調(diào)循環(huán)優(yōu)化與系統(tǒng)構(gòu)建與實施。上海交通大學(xué)應(yīng)用了采用復(fù)合干燥劑材料的兩級轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)機(jī)組(圖5),由于采用了物理吸附、化學(xué)吸附耦合的復(fù)合干燥劑材料,同時經(jīng)過對吸附表面的處理,使得除濕空調(diào)循環(huán)的動態(tài)吸濕率大幅提高,同時對再生熱源溫度的要求得以降低。另一方面采取了級間冷卻的方法,提高了系統(tǒng)效率。系統(tǒng)可利用50℃以上的熱源驅(qū)動,熱力COP大于1,與普通太陽能集熱器結(jié)合,能夠?qū)?0%以上的太陽輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭照{(diào)能力輸出。系統(tǒng)目前已在江蘇江陰萬龍源太陽能科技公司示范運(yùn)行。在國外,太陽能固體除濕空調(diào)系統(tǒng)在德國、葡萄牙、意大利、西班牙、美國等也有示范應(yīng)用。圖6所示為西班牙Mataro某圖書館的太陽能空氣集熱器驅(qū)動的除濕空調(diào)機(jī)組。太陽能溶液除濕空調(diào)的研究應(yīng)用主要集中在德國、澳大利亞、意大利等國家。依靠溶液的濃度差可以實現(xiàn)空調(diào)除濕能力蓄存,且能量儲存不存在與周圍環(huán)境的溫差熱損失,易于長期儲存。Grossman等曾長期示范運(yùn)行太陽能溶液除濕空調(diào)機(jī)組,以平板太陽能集熱器提供再生熱源,溶液除濕空調(diào)負(fù)擔(dān)潛熱負(fù)荷,熱泵系統(tǒng)負(fù)責(zé)主要的顯熱負(fù)荷,在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下運(yùn)行效果較為理想,如圖7所示。國內(nèi)東南大學(xué)、清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)在溶液除濕空調(diào)方面也開展了大量工作。東南大學(xué)在再生器和內(nèi)冷型除濕器傳熱傳質(zhì)研究等方面成果富有成效。清華大學(xué)提出的熱濕獨(dú)立處理的熱泵溶液處理新風(fēng)機(jī)組已經(jīng)在一定范圍內(nèi)應(yīng)用。上海交通大學(xué)太陽能制冷研究小組最近提出一種采用級間冷卻的雙級、雙溶液太陽能除濕空調(diào)系統(tǒng),采用特殊設(shè)計的大濃度差、集中再生循環(huán)方式,標(biāo)準(zhǔn)工況下,系統(tǒng)熱力COP由傳統(tǒng)除濕空調(diào)的0.7～0.8左右提高到1.3。其不足是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。3.1.3精餾系統(tǒng)的研究氨水吸收式空調(diào)也是利用太陽能獲得制冷效應(yīng)的重要技術(shù)途徑。早期國內(nèi)外研究報道較多,包括美國能源概念公司以及我國部分單位。其不足是要求有精餾裝置,系統(tǒng)稍復(fù)雜,優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足從冷凍到空調(diào)區(qū)域的溫度要求。德國SolarNextAG公司開發(fā)了10kW的戶用太陽能氨水吸收式空調(diào)機(jī)組,如圖8所示。3.1.4太陽能吸收式空調(diào)溴化鋰-水吸收式空調(diào)由于產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好,技術(shù)也相對成熟,目前與太陽能結(jié)合示范應(yīng)用最多。我國的研究工作人員在開發(fā)結(jié)合太陽能熱水系統(tǒng)的吸收式制冷系統(tǒng)方面也做了大量工作。最有代表性的是廣州能源所研制的兩級吸收式溴化鋰空調(diào)機(jī)組(圖9),與傳統(tǒng)單效吸收制冷機(jī)相比,驅(qū)動熱源溫度大幅降低(65℃以上),因而與太陽能集熱器能夠更好地匹配工作。長沙遠(yuǎn)大公司研制了利用槽式太陽能集熱器驅(qū)動的雙效吸收式空調(diào)(圖10),與常規(guī)燃?xì)饨Y(jié)合,提高了太陽能制冷的轉(zhuǎn)化效率并在天津等地進(jìn)行了示范應(yīng)用。另外,國內(nèi)有關(guān)單位,如北京太陽能研究所、天普公司、海爾集團(tuán)等也分別進(jìn)行了太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。國外最有名的太陽能吸收式空調(diào)產(chǎn)品是日本Yasaki公司的系列產(chǎn)品,報道最小制冷量為5kW,是目前用于太陽能空調(diào)領(lǐng)域最多的產(chǎn)品。3.2太陽能空調(diào)系統(tǒng)的模擬法設(shè)置太陽能空調(diào)制冷技術(shù)的另一方面重要進(jìn)展是集熱器技術(shù)。開發(fā)出適合目前熱驅(qū)動制冷機(jī)驅(qū)動溫度要求的高效太陽能集熱器對推動太陽能空調(diào)技術(shù)進(jìn)展具有積極意義。在提高太陽能集熱器集熱溫度方面,非跟蹤式聚焦太陽能集熱器能夠在較高集熱溫度條件下具有較高的轉(zhuǎn)換效率,結(jié)合單效吸收式空調(diào)機(jī)組應(yīng)用比目前太陽能真空管集熱器具有更好的轉(zhuǎn)換效果(圖11)。另外,與普通家用太陽能熱水器不同,太陽能空調(diào)系統(tǒng)需要較大的太陽能集熱面積,通常布置為太陽能集熱器陣列,傳統(tǒng)的全玻璃真空管集熱器在規(guī)模應(yīng)用方面存在承壓能力小、容易破損等不足,但成本低,具有價格優(yōu)勢。熱管式集熱器陣列流動阻力小、承壓能力強(qiáng),是一種適合工程化的集熱器類型(圖12)。另外真空管式金屬直流管、U形管太陽能集熱器適合閉式承壓雙循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行,也是一種能夠在高溫下保持較高集熱效率的集熱方式,適合用于太陽能空調(diào)系統(tǒng)。為了開發(fā)出中高溫集熱溫度條件下穩(wěn)定工作的集熱器,高溫集熱條件下性能穩(wěn)定的選擇性涂層材料、表面處理技術(shù)、封接技術(shù)等也是研究攻關(guān)的重點(diǎn)。3.3太陽能空調(diào)、采暖、熱水供應(yīng)單純的太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)由于要用較多的集熱器面積,往往初投資較大,改善系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的途徑就是想辦法提高太陽能集熱器的利用率,如冬季用于建筑采暖、全年供應(yīng)熱水,夏季空調(diào)等。圖13為上海交通大學(xué)發(fā)明實施的太陽能空調(diào)、采暖、熱水供應(yīng)與強(qiáng)化自然通風(fēng)復(fù)合能量利用系統(tǒng),特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能全年高效利用。冬季利用集熱器產(chǎn)生的40℃以上的熱水通過地板輻射采暖末端進(jìn)行供暖,夏季利用60℃以上的熱水驅(qū)動吸附制冷機(jī)進(jìn)行空調(diào)降溫,全年供應(yīng)熱水,過渡季節(jié)利用太陽能加熱強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)改善室內(nèi)熱環(huán)境。該項目入選了國際Wisions可再生能源推廣計劃。復(fù)合能量系統(tǒng)技術(shù)被認(rèn)為是建筑結(jié)合規(guī)?；⒌统杀纠锰柲艿闹匾较?。3.4熱聲制冷、太陽能光伏電池的利用上述太陽能空調(diào)制冷技術(shù)是目前國內(nèi)外應(yīng)用示范和推廣的主流技術(shù)。此外,太陽能噴射制冷、太陽能驅(qū)動的熱聲制冷、太陽能光伏電池驅(qū)動的半導(dǎo)體制冷和蒸汽壓縮制冷等也不斷有研究報道,在某些特殊場合獲得應(yīng)用。值得注意的是,一些被動式太陽能冷卻技術(shù),如太陽能強(qiáng)化自然通風(fēng)、夜間輻射等的應(yīng)用對降低環(huán)境熱負(fù)荷也有積極的作用,與前述主動式太陽能制冷手段結(jié)合也是改善太陽能制冷的重要技術(shù)途徑。3.5太陽能空調(diào)主要技術(shù)比例現(xiàn)狀及分析從目前國內(nèi)外報道情況來看,國外主要是歐洲應(yīng)用和示范的太陽能空調(diào)項目在100個以上,按技術(shù)分類,不同技術(shù)所占比例如圖14所示。其中太陽能吸收式空調(diào)占據(jù)了一半以上,除濕空調(diào)約占28%,吸附式空調(diào)占12%。我國的太陽能空調(diào)應(yīng)用示范項目根據(jù)報道大約20～30個左右,3種主要技術(shù)比例如圖15所示。與歐洲的不同在于我國在吸附式制冷的研究應(yīng)用方面具有特色,有關(guān)工作走在國際前列。4太陽能空調(diào)制冷技術(shù)太陽能空調(diào)制冷是夏季太陽能有效利用的最佳方案,有著良好的應(yīng)用前景。從提高太陽能全年利用率和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度而言,目前理想的太陽能空調(diào)方式應(yīng)該是與普通平板式和真空管式太陽能熱水系統(tǒng)結(jié)合的熱驅(qū)動型空調(diào)制冷機(jī)組。兩者的結(jié)合,可以較好地解決太陽能供熱采暖系統(tǒng)冬季采暖、四季熱水供應(yīng)與夏季空調(diào)應(yīng)用的匹配,最大幅度提高太陽能利用率。特別是與建筑結(jié)合,能夠在建筑用能環(huán)節(jié)發(fā)揮一定的作用。太陽能空調(diào)制冷技術(shù)的發(fā)展,近期是結(jié)合建筑用能需求,與建筑一體化太陽能供熱采暖系統(tǒng)匹配,解決夏季部分建筑空間太陽能制冷空調(diào)的問題。特別應(yīng)該走與普及型太陽能集熱器結(jié)合的太陽能空調(diào)制冷技術(shù)路線,如吸附式、吸收式、除濕空調(diào)等,并進(jìn)一步提高效率、降低成本、減少尺寸,不斷提高太