太阳能制冷

太阳能制冷技术研究进展

李志鹏

（吉林延吉延边大学农学院133002）

摘要：太阳能制冷技术一方面可以节约能源，一方面可以避免传统制冷方法对臭氧层的破坏，因而日益受到人们的重视。

关键词：太阳能；制冷；原理；进展

1 前言

当前，人类面临着能源危机、臭氧层破坏以及温室效应等诸多能源和环境问题，因此开发可再生能源与减少环境污染走可持续发展之路已在世界范围内取得共识。利用太阳能和其它废热可有效缓解世界范围内的能源紧张和环境污染，而太阳能制冷正是太阳能利用的一个重要方面。太阳能应用于制冷技术领域有其独特得优点，一方面利用太阳能驱动制冷可以节约电能的消耗，这间接的减少了化石能源的消耗；另一方面，太阳能驱动的制冷系统一般采用非氟烃类的物质作为制冷剂，对臭氧层无破坏也不会引起温室效应，同时减少消耗化石能源发电带来的环境污染。

实现太阳能制冷主要有两个途径：一是太阳能光热转换，利用热能制冷；一是太阳能光电转换，利用电能制冷。其中，利用热能制冷的主要方式有：太阳能吸收式制冷、吸附式制冷、除湿式制冷以及蒸汽喷射式制冷；利用光电转换制冷的方式主要有，利用光伏原理将太阳能转化为电能，利用电能驱动蒸汽压缩制冷系统制冷，还可以将太阳能发电和半导体制冷相结合，利用半导体的帕尔贴效应实现太阳能制冷。光电制冷由于成本很高，目前的研究及应用都较少，对于这类太阳能制冷技术本文不做讨论，以下分别对几种太阳能光热制冷技术兹综述如下。

2 各种形式的太阳能制冷技术

2.1 太阳能吸收式制冷技术的原理及进展

太阳能吸收式制冷是最早发展起来的，起源于上世纪30 年代，但因成本高，效率低，没什么商业价值。后来随着科技的进步，吸收式制冷研究逐渐得到了发展。由于70 年代世界性能源危机的影响，吸收制冷受到了发达国家的重视，吸收式制冷产业也得到了普及和发展。

太阳能吸收式制冷机较常使用的有氨—水吸收式制冷机和溴化锂—水吸收式制冷机。吸收式制冷过程如下：集热器内的溶液经太阳能加热，氨或溴化锂蒸发后经冷凝器冷却进入冰箱中的蒸发器储存，制冷时蒸发器中的氨或溴化锂溶液汽化回到集热器( 此时为吸收器) 为稀溶液所吸收，从而达到制冷的目的。氨—水吸收式制冷机由于热力系数较低，且须设置精馏装置，所以设备比较复杂，但可以获得零度以下的低温。而溴化锂—水吸收式制冷机一般只能用于零度以上的情况，常用于空调上，而且腐蚀性较强，另外必须考虑真空度的要求。进入90年代，溴化锂吸收式制冷机在国内已成为成熟的产品，而且形成了一个颇具规模的产业。

太阳能吸收式制冷由于利用太阳能，所以其发生温度低，即便采用特殊的集热器，也只有100℃多一些。因此，其制冷循环方式都是采用单效方式。再细分下去，有单效单级和单效双级两种。迄今为止，国外的太阳能制冷空调系统通常都采用热水型单级吸收式溴化锂制冷机。该类制冷机在热源温度足够高及冷却水温度比较低的场合，性能良好；若热源温度降低而冷却水温度较高，它的效率将大大下降，甚至不能正常制冷。因此国外太阳能空调制冷系统普遍采用高温运行的方式，有的甚至在120℃~ 130℃下运行，需要采用聚光式集热器，这就影响了太阳能制冷空调的推广使用。单级吸收式制冷机还有一个很大的缺点，就是热源的可利用温差小，一般只有6℃~ 8℃。

为了适应低温余热和太阳能的利用，W. B. Ma等人[l]对双级溴化锂—水吸收

式制冷机进行了理论分析和初步的实验研究，指出双级溴化锂—水吸收式制冷机可有效利用太阳能，有着广阔的市场前景。这种新型的两级吸收式制冷机有两个显著的特点，一是所要求的热源温度低，在75℃到86℃之间都可运行，当冷凝水温为32℃时，COP 值可达到0. 38。二是热源的可利用温差大，热源出口温度低至64℃。此系统对热源温度有较宽的适应范围，有利于制冷机在较低的太阳辐射强度和不稳定的太阳能输入情况下，适应其引起的温度波动，实现稳定的运行。中国科学院广州能源研究所则从l982年开始进行了新型热水型两级吸收式溴化锂制冷机的研制工作。l997 年，又为国家“九五”科技攻关项目“太阳能空调及供热示范系统”研制了一台l00KW 的两级吸收式制冷机[2]，并成功地应用于太阳能系统中。他们在24 层高楼上安装了这种系统，制冷和供热联合运行，采用改进后的平板式集热器，运行效果良好。系统的热源温度甚至可低到65℃。

陈滢等人[3]提出了一种新型的单效双级吸收式制冷循环，该循环采用增大热源温差的思路，增加了一个发生器和一个换热器。模拟计算表明，其COP 值可达到0. 42 ~ 0. 62 之间，热源出口温度可降到55℃。

采用单效双级制冷循环虽然COP 值高，但其系统复杂，初投资高。因此陈光明等人[4]又提出了采用热变器原理的单效单级循环。新循环比传统循环多了一个压缩机。其循环如下：从发生器出来的制冷剂蒸汽分为两路，一路送入冷凝器，一路经压缩机压缩后，又回到发生器换热，再进入冷凝器。这里压缩机实际上起到了热变换器的作用。由于进入冷凝器和发生器的热负荷降低，所以系统的COP 值增加了。这个循环虽然巧妙，但在实际应用中难以保证压缩机的正常运行。

2.2 太阳能吸附式制冷技术的原理及进展

一个基本的太阳能吸附式制冷系统主要由发生器、冷凝器、蒸发器、阀门等

部分组成。太阳能吸附式制冷系统的工作过程：白天吸附床充分吸收太阳能，温度升高，使制冷剂从吸附剂中解吸出来，这就造成吸附床内压力升高。解吸出的制冷剂进入冷凝器，被冷却介质冷却之后变为液体由节流阀进入蒸发器。到了晚上，吸附床被冷却，当压力下降到蒸发温度下的饱和压力时，蒸发器中的液体因压力骤降而沸腾，达到蒸发制冷目的。蒸发出来的气体被吸附床吸附重新生成混合物，从而完成整个循环。

太阳能吸附式制冷系统具有结构简单、初投资少、运行费用低、寿命长、安全性好等特点。存在的问题有：吸附剂导热性能差、设计尺寸较大以及制冷过程不连续等。

目前，国内外对于吸附式制冷系统的研究主要集中在三个方面：吸附剂一制冷剂工质对的性能研究、制冷循环方式的研究、发生器的研究。

在吸附剂一制冷剂工质对的性能研究方面，Anyanwu.E.F.等对沸石一水、活性炭一氨以及活性炭一甲醇三种工质对作了深入研究后发现，活性炭一氨适合作吸附式制冰机、食物贮藏之用，沸石一水是太阳能吸附式空调系统的理想工质。孙志坚等对硅胶一水工质对进行了研究，认为其可用于吸附式空调系统中。李明等经过实验研究后发现，活性炭一甲醇工质对适于吸附式制冰机，另外在条件相同的情况下。以活性炭一甲醇为工质对能制出冰，而以活性炭一酒精却不能。

太阳能吸附式制冷循环方式，除了以上提到的基本方式外，还包括连续回热型、热波型和对流热波型。对于制冷循环方式的研究，可以采用计算机模拟对系统的性能记性预测。

对于发生器（吸附床）的研究，主要是集中在对吸附剂传热传质性能的强化上。吸附床的传热传质特性对吸附式制冷系统有较大的影响。一方面，吸附床的传热效率和传质特性直接影响制冷系统对热源的利用；另一方面，传热传质越快，循环周期越短，则单位时间制冷量越大。因此，提高吸附床的传热传质性能是吸

附式制冷效率提高的关键。其中比较常用的方法有：一、在床中嵌入金属肋片，二、在吸附剂中添加金属颗粒。李春华等[5]的研究表明，在吸附床中嵌入合适的金属肋片或提高吸附剂的导热系数均可大大减小床内的温度梯度，并且，嵌入肋片的方法更为行之有效；肋片的热容对吸附床的温升有很大负面影响，应选取热容较小的金属。同时肋片间距也要适当，一般6cm左右较合适。朱冬生等[6]研究了吸附床与吸附剂（聚苯胺）颗粒表面的接触热阻，分析了在接触热阻的同时对吸附床内吸附剂的传质过程没有影响。这里是通过减小热阻的方式来强化床层的传热效果。李东明等[7]建立了吸附床的热力学计算模型，该模型在考虑了床内温度、压力、质量相互作用的基础上，给出了内部节点和边界节点的有限差分方程，利用数值计算方法给出了在太阳能辐射强度变化时方程的合理解，为吸附床内动态特性的进一步分析奠定了基础。

2.3 太阳能喷射式制冷技术的原理及进展

喷射式制冷是太阳能经集热器产生一定压力的蒸汽来完成喷射制冷。喷射式制冷系统简单，但制冷系数较低，因而出现了用电能辅助提高喷射器的引射压力以提高系统性能的趋势。利用太阳能集热器获得较高温度的热水为热源，采用低沸点工质辅以机械压缩喷射制冷循环称为太阳能增强型喷射制冷系统。此系统主要以提高引射流压力来提高喷射器性能，它综合了机械压缩式制冷循环和蒸汽喷射式制冷循环的优点，具有较高的热经济性，其COP 比传统的喷射制冷高50%。

除此之外，S. B. Riffat 和A. HoIt 提出了一种非常新颖的制冷系统—热管喷射式制冷系统[8]。基本的热管喷射式制冷系统有热管、喷射器、蒸发器、节流阀或毛细管组成，发生段的工质吸收太阳能蒸发，通过喷嘴成为高速气流，吸引来自蒸发段的蒸汽，混合升压到冷凝段，凝结成液体，一部分通过毛细作用流向发生段，一部分通过节流阀到蒸发段，整个装置依靠工质在蒸发段蒸发吸热达

到制冷效果。

现在常常把喷射式制冷与吸收式和吸附式制冷结合起来，以得到更好的制冷系统。有一种新的太阳能吸收—喷射复合制冷系统，它把吸收式制冷和喷射式制冷两者合二为一，既保持单效吸收式制冷系统流程简单的特点，又弥补了喷射式制冷效率低的缺点。它在吸收循环基础上，增加气、液喷射器，打破了吸收循环的制约关系，使发生器浓度和吸收器浓度成为两个可以选择的参量，在热源温度不变时，比单一吸收循环效率显著提高。

另外把吸附与喷射相结合，又可得到太阳能吸附—喷射联合制冷系统。它利用了吸附制冷和喷射制冷对太阳能需求的时间差而实现系统的连续制冷。并且对吸附热的有效回收和制冷系数的提高有一定作用。

3 结论

吸收式制冷系统庞大，运行复杂。吸附式制冷则停留在实验室阶段，因此对吸收式制冷的小型化和吸附式制冷的实用化是研究的热点。太阳能是取之不尽用之不竭的绿色能源，提高太阳能的利用效率和太阳能制冷技术的实用化是今后重点研究的方向。随着绿色建筑的兴起，与其相结合的太阳能吸附式制冷、吸附—喷射式制冷、新型的喷射式制冷如热管喷射式制冷技术必然会有迅速的发展。参考文献：

[1] W. B. Ma, S M Deng. TheoreticaI anaIysis of Iow - tem -perature hot source driven two - stage LiBr / H2O absorption refrigeration system. Int. J. Refrig. V oI. 19 No. 2, 141 ~146, 1996.

[2] 李戬洪,马伟斌,江晴等.100KW 太阳能制冷空调系统[ J ] . 太阳能学报, 1999, ( 3 ) : 239 ~ 243.

[3] 陈滢,朱玉群.低温热源驱动的单效/ 双级( SE / DL ) 吸收式制冷循环[ J ] . 太阳能学报, 2002, ( 1 ) : 101 ~ 107.

[4] 陈光明, 冯仰浦，王剑峰等. 一个用太阳能驱动的新型吸收制冷循环[ J ] . 低温工程, 1999, ( 1 ) : 50 ~ 55.

[5] 李春华，王如竹，卢永庄等. 太阳能固体吸附—喷射制冷联合循环系统研究[ J ] . 工程热物理学报, 2001, ( 4 ) :414 ~ 416.

[6] 朱冬生,钱承耀,李兴武等.太阳能吸收—喷射复合制冷系统研究[ J ] . 太阳能学报, 1996, ( 1 ) : 75 ~ 80.

[7] 李东明, 汪立军,康新宇等.太阳能吸附器中强化热传导性能的实验研究[J]. 太阳能学报, 1998, ( 2 ) : 190 ~ 196.

[8] S. B. Riffat and D HershgaI. SoIar - powered compression- enhanced ejector air conditioner. SoIar Energy, V oI. 50No. 6, 183 ~ 194, 1993.