| 一、引言
利用可再生能源和其它余熱可有效緩解世界范圍內(nèi)的能源緊張和環(huán)境污染問題，太陽能是一種清潔、可再生能源，長期以來一直受到科技界的重視。太陽能制冷之所以能成為制冷技術(shù)研究的熱點是因為它具有自己獨特的優(yōu)點。首先是節(jié)能，國際上用于民用空調(diào)所耗電能占民用總電耗的50%，太陽能制冷用于空調(diào)，將大大減小電力消耗、節(jié)約能源；其次是環(huán)保，根據(jù)《蒙特利爾議定書》，目前壓縮式制冷機主要使用的CFC類工質(zhì)因為對大氣臭氧層有破壞作用應(yīng)停止使用，太陽能制冷一般采用非氟烴類的物質(zhì)作為制冷劑，臭氧層破壞系數(shù)和溫室效應(yīng)系數(shù)均為零，適合當前環(huán)保要求，同時減少燃燒化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境污染。
二、各種形式的太陽能制冷技術(shù)
（一）太陽能吸收式制冷技術(shù)
1、太陽能吸收式制冷原理和特點
吸收式制冷是利用溶液濃度的變化來獲取冷量的裝置，即制冷劑在一定壓力下蒸發(fā)吸熱，再利用吸收劑吸收制冷劑蒸汽。自蒸發(fā)器出來的低壓蒸汽進入吸收器并被吸收劑強烈吸收，吸收過程中放出的熱量被冷卻水帶走，形成的濃溶液由泵送入發(fā)生器中被熱源加熱后蒸發(fā)產(chǎn)生高壓蒸汽進入冷凝器冷卻，而稀溶液減壓回流到吸收器完成一個循環(huán)。它相當于用吸收器和發(fā)生器代替壓縮機，消耗的是熱能。熱源可以利用太陽能、低壓蒸汽、熱水、燃氣等多種形式。
吸收式制冷系統(tǒng)的特點與所使用的制冷劑有關(guān)，常用于吸收式制冷機中的制冷劑大致可分為水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四個大類。吸收式空調(diào)采用溴化鋰或氨水制冷機方案，雖然技術(shù)相對成熟，但系統(tǒng)成本比壓縮式高，主要用于大型空調(diào)，如中央空調(diào)等。
2、太陽能吸收式制冷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展
太陽能吸收式制冷是最早發(fā)展起來的，起源于1932年，但因成本高、效率低，沒什么商業(yè)價值。后來隨著科技的進步，吸收式制冷研究逐漸得到了發(fā)展。由于1992年世界性能源危機的影響，吸收制冷受到了發(fā)達國家的重視，吸收式制冷產(chǎn)業(yè)也得到了普及和發(fā)展。
太陽能吸收式制冷由于利用太陽能，所以其發(fā)生溫度低，即便采用特殊的集熱器，也只有100℃多一些。因此，其制冷循環(huán)方式都是采用單效方式。陳瀅等人提出了一種新型的單效雙級吸收式制冷循環(huán)，該循環(huán)采用增大熱源溫差的思路，增加了一個發(fā)生器和一個換熱器。模擬計算表明，其COP值可達到0.42-0.62之間，熱源出口溫度可降到55℃。采用單效雙級制冷循環(huán)雖然COP值高，但其系統(tǒng)復雜，初投資高，因此陳光明等人又提出了采用熱變器原理的單效單級循環(huán)，新循環(huán)比傳統(tǒng)循環(huán)多了一個壓縮機。
其系統(tǒng)循環(huán)如圖2所示：從發(fā)生器出來的制冷劑蒸汽分為兩路，一路送入冷凝器，一路經(jīng)壓縮機壓縮后，又回到發(fā)生器換熱，再進入冷凝器，這里壓縮機實際上起到了熱變換器的作用。由于進入冷凝器和發(fā)生器的熱負荷降低，所以系統(tǒng)的COP值增加了。這個循環(huán)雖然巧妙，但在實際應(yīng)用中難以保證壓縮機的正常運行。
（二）太陽能吸附式制冷技術(shù)
1、吸附式制冷原理和特點
吸附式制冷系統(tǒng)由吸附床、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥等構(gòu)成，如圖3所示：工作過程由熱解吸和冷卻吸附組成，基本循環(huán)過程是利用太陽能或者其他熱源，使吸附劑和吸附質(zhì)形成的混合物(或絡(luò)合物)在吸附床中發(fā)生解吸，放出高溫高壓的制冷劑氣體進入冷凝器，冷凝出來的制冷劑液體由節(jié)流閥進入蒸發(fā)器。制冷劑蒸發(fā)時吸收熱量，產(chǎn)生制冷效果，蒸發(fā)出來的制冷劑氣體進入吸附發(fā)生器，被吸附后形成新的混合物(或絡(luò)合物)，從而完成一次吸附制冷循環(huán)過程?；狙h(huán)是一個間歇式的過程，循環(huán)周期長，COP值低，一般可以用兩個吸附床實現(xiàn)交替連續(xù)制冷，通過切換集熱器的工作狀態(tài)及相應(yīng)的外部加熱冷卻狀態(tài)來實現(xiàn)循環(huán)連續(xù)工作。
吸附式制冷具有結(jié)構(gòu)簡單、一次投資少、運行費用低、使用壽命長、無噪音、無環(huán)境污染、能有效利用低品位熱源等一系列優(yōu)點。與吸收式制冷系統(tǒng)相比，吸附式制冷不存在結(jié)晶問題和分餾問題且能用于振動、傾顛或旋轉(zhuǎn)的場所。
2、太陽能吸附式制冷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展
吸附式制冷依靠固體吸附劑在白天吸收太陽能解吸，晚上則吸附制冷。目前對吸附式制冷技術(shù)的研究主要包括以下幾個方面：（1）吸附劑—制冷劑工質(zhì)對的性能，各種循環(huán)方式的熱力性能和發(fā)生器（吸附床）性能。對吸附劑—制冷劑工質(zhì)對的性能研究已從工質(zhì)對本身特性的研究發(fā)展到放在整個系統(tǒng)中進行。研究的多為沸石—水、活性炭—甲醇和氯化鈣—氨為工質(zhì)對。（2）吸附式制冷循環(huán)方式的研究有基本型、連續(xù)型、連續(xù)回熱型、熱波型和對流熱波型，前三種已有樣機研制成功，后兩種尚處在理論模擬和實驗室階段。最簡單的連續(xù)型循環(huán)是采用雙床結(jié)構(gòu)，一個床吸附，同時另一個床解吸，這樣就得到了連續(xù)制冷，避免了傳統(tǒng)吸附式制冷白天解吸，夜間吸附的間歇性制冷的缺點。（3）吸附床的研究主要是強化它的傳熱，方法有采用高導熱性能的復合吸附劑，如沸石粉與聚苯胺復合吸附劑的導熱性能和吸附性能均遠優(yōu)于沸石顆粒。如果將顆粒狀的吸附劑嵌入膨化的石墨板中，會得到更高的導熱系數(shù)。（4）由于現(xiàn)今國際上的太陽能吸附制冷裝置大多以水或甲醇等低飽和蒸汽壓液體作為制冷劑，如何長期保證系統(tǒng)較高的真空度是太陽能吸附制冷技術(shù)走向應(yīng)用的一個難題。針對這個問題，劉震炎等人研制了一種新型非金屬太陽能制冷管。其殼體采用高透過率的玻璃管，一根冷管即為一個制冷單元，結(jié)構(gòu)簡單，易于模塊化，這些使冷管型太陽能制冷系統(tǒng)具有良好的實用性。
（三）太陽能噴射式制冷技術(shù)
1、噴射式制冷原理和特點
制冷劑在換熱器中吸熱后汽化、增壓，產(chǎn)生飽和蒸汽，蒸汽進入噴射器，經(jīng)過噴嘴高速噴出膨脹，在噴嘴附近產(chǎn)生真空，將蒸發(fā)器中的低壓蒸汽吸入噴射器，經(jīng)過噴射器出來的混合氣體進入冷凝器放熱、凝結(jié)，然后冷凝液的一部分通過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器吸收熱量后汽化，這部分工質(zhì)完成的循環(huán)是制冷循環(huán)。
另一部分通過循環(huán)泵升壓后進入換熱器，重新吸熱汽化，他們所做的循環(huán)稱為動力循環(huán)。
噴射式制冷系統(tǒng)中循環(huán)泵是運動部件，系統(tǒng)設(shè)置比吸收式制冷系統(tǒng)簡單、運行穩(wěn)定、可靠性較高等優(yōu)點；缺點是性能系數(shù)較低。
2、太陽能噴射式制冷研究現(xiàn)狀及發(fā)展
噴射式制冷是太陽能經(jīng)集熱器產(chǎn)生一定壓力的蒸汽來完成噴射制冷。噴射式制冷系統(tǒng)簡單，但制冷系數(shù)較低，因而Sokolov針對其COP較低的缺點，設(shè)計了增壓噴射循環(huán)和壓縮噴射混合循環(huán)兩種解決方案以消耗少量電能為代價，換取系統(tǒng)性能系數(shù)的大幅提高。Sokolov的工作促進了太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的研究，將噴射器與其他系統(tǒng)結(jié)合使用，可以有效的改進工藝過程、降低能耗或者在不增加系統(tǒng)復雜性的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出新的更高效的制冷系統(tǒng)。有一種新的太陽能吸收—噴射復合制冷系統(tǒng)如圖5所示，它把吸收式制冷和噴射式制冷兩者合二為一，既保持單效吸收式制冷系統(tǒng)流程簡單的特點，又彌補了噴射式制冷效率低的缺點。它在吸收循環(huán)基礎(chǔ)上，增加氣、液噴射器，打破了吸收循環(huán)的制約關(guān)系，使發(fā)生器濃度和吸收器濃度成為兩個可以選擇的參量，在熱源溫度不變時，比單一吸收循環(huán)效率顯著提高。
三、太陽能制冷技術(shù)的展望
與蒸汽壓縮式制冷相比，太陽能制冷技術(shù)目前不是很成熟，但是因為其環(huán)保節(jié)能的特點，決定其具有良好的發(fā)展前景。目前，制約其廣泛應(yīng)用的主要原因是成本較高。太陽能制冷要降低成本，一方面要大力開發(fā)高效太陽能集熱板，提高熱力學性能；另一方面，走產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路。為此，可以與熱水器的應(yīng)用相結(jié)合(如太陽能冰箱-熱水合機)，太陽能制冷與太陽能熱水器結(jié)合，實行聯(lián)產(chǎn)。太陽能熱水器的熱銷可以看出太陽能的廣闊前景。2000年我國太陽能熱水器的年產(chǎn)量達到640萬平方米，比1999年增長率40%，太陽能熱水器累計擁有量超過2600萬平方米，而戶用比例只有3%，與日本的20%、以色列的80%相比，市場發(fā)展?jié)摿薮?。同時家用空調(diào)和冰箱的需求也是一個巨大的市場，美國家庭家用空調(diào)的持有量為40%，我國還遠沒有達到，尤其中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)，太陽能資源豐富，利用方便，隨著人們生活水平的提高，對制冷空調(diào)的需求越來越多，太陽能制冷將會大有用武之地，必定會為廣大制冷企業(yè)帶來無限的商機。
四、結(jié)論
太陽能吸收式制冷系統(tǒng)龐大，運行復雜。吸附式制冷則停留在實驗室階段，因此對吸收式制冷的小型化和吸附式制冷的實用化是研究的熱點。太陽能是取之不盡用之不竭的綠色能源，提高太陽能的利用效率和太陽能制冷技術(shù)的實用化是今后重點研究的方向。隨著綠色建筑的興起，與其相結(jié)合的太陽能吸附式制冷、吸附—噴射式制冷、新型的噴射式制冷如熱管噴射式制冷技術(shù)必然會有迅速的發(fā)展。 |
返回頂部