1、太阳能制冷吸收式制冷吸收式制冷蒸汽喷射式制冷蒸汽喷射式制冷溶液除湿冷却制冷溶液除湿冷却制冷太阳能集热器太阳能集热器吸附式制冷吸附式制冷太阳能制冷技术概述及研究进展太阳能制冷技术概述及研究进展124563太阳能制冷技术的展望太阳能制冷技术的展望7 太阳能是分布广泛、使用清洁的可再生能源,有望在未来社会能源结构中发挥更加重要的作用。其中利用太阳能进行供热、采暖和制冷是实现规模化、低成本利用太阳能的重要途径。各国学者都在积极寻找能够实现夏季利用太阳能进行空调制冷的有效方法,目的在于提高太阳能集热器的全年利用效率,同时可以开辟一条利用太阳能解决空调制冷需求的崭新技术途径。1.太阳能及制冷技术概述及研究
2、进展太阳能及制冷技术概述及研究进展研究背景研究背景u 节能：国际上用于民用空调所耗电能占民用总电耗的50%，太阳能制冷用于空调，将大大的减小电力消耗，节约能源；u 良好的季节匹配性,天气越热、越需要制冷的时候,太阳辐射条件越好,太阳能制冷系统的制冷量也越大。u 环保：太阳能制冷一般采用非氟烃类的物质作为制冷剂，臭氧层破坏系数和温室效应系数均为零，适合当前环保要求。太阳能制冷的优点太阳能制冷的优点实现太阳能制冷有两条途径：实现太阳能制冷有两条途径：太阳能光电转换制冷 首先通过太阳能电池将太阳能转换成电能，再用电能驱动常规的制冷压缩机。主要包括太阳能光伏制冷和太阳能压缩式制冷。太阳能光热转换制冷
3、首先将太阳能转换成热能，再利用热能作为外界的补偿，使系统能够达到制冷的目的。主要包括太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷，太阳能溶液除湿冷却制冷。我国的研究工作人员在开发结合太阳能热水系统的吸收式制冷系统方面也做了大量工作。最有代表性的是广州能源所研制的两级吸收式溴化锂空调机组,与传统单效吸收制冷机相比,驱动热源温度大幅降低(65以上),因而与太阳能集热器能够更好地匹配工作。广州能源所开发的两级吸收式空调 长沙远大公司研制了利用槽式太阳能集热器驱动的双效吸收式空调,与常规燃气结合,提高了太阳能制冷的转化效率并在天津等地进行了示范应用。另外,国内有关单位,如北京太阳能研究所、天普
4、公司、海尔集团等也分别进行了太阳能吸收式空调系统的应用。国外最有名的太阳能吸收式空调产品是日本Yasaki公司的系列产品,报道最小制冷量为5k w,是目前用于太阳能空调领域最多的产品。上海交通大学应用了采用复合干燥剂材料的两级转轮除湿空调机组(图7),由于采用了物理吸附、化学吸附耦合的复合干燥剂材料,同时经过对吸附表面的处理,使得除湿空调循环的动态吸湿率大幅提高,同时对再生热源温度的要求得以降低。另一方面采取了级间冷却的方法,提高了系统效率。系统可利用5 0以上的热源驱动,热力COP大于1,与普通太阳能集热器结合,能够将4 0%以上的太阳辐射能量转变为空调能力输出。系统目前已在江苏江阴万龙源太
5、阳能科技公司示范运行。太阳能两级转轮除湿系统 此外,德国SolarNext A G公司,日本Nishyodo和Mayekawa公司也报道了他们的太阳能吸附式空调产品，下图为德国某建筑使用的Nishyodo公司105KW的硅胶一水吸附式制冷机组。这些机组的最大特点是要求驱动热源温度低,与集热器工作温度匹配好。德国Freiberg应用的日本Nishyodo公司吸附空调机组 吸收式制冷是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置,即制冷剂在一定压力下蒸发吸热,再利用吸收剂吸收制冷剂蒸汽。自蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器,被吸收剂强烈吸收,吸收过程中放出的热量被冷却水带走,形成的浓溶液由泵送入发生器中,被热源
6、加热后蒸发,产生高压蒸汽,进入冷凝器冷却,而稀溶液减压回流到吸收器,完成一个循环。2 2.吸收式制冷吸收式制冷热交换器用冷需求蒸发器冷水回水吸收器燃料发生器冷凝器吸收式制冷机工作原理吸收式制冷机工作原理荏原吸收式制冷机原理图 吸收式制冷机使用的工质是 2 种沸点相差较大的物质组成的二元溶液，其中沸点低的物质是制冷剂，沸点高的物质是吸收剂。以水作为制冷剂的工质对：水溴化锂、水氯化锂、水碘化锂、水氯化钙。以氨作为制冷剂的工质对：氨水、乙胺水、甲胺水以及硫氰酸钠氨等。以醇作制冷剂的工质对：制冷剂通常选用甲醇，主要有甲醇溴化锂、甲醇溴化锌、及甲醇溴化锂溴化锌三元溶液工质对等。以氟利昂作为制冷剂工质对：
7、其中主要是R21、R22与四乙醇二甲基乙醚等有机物组成的工质对。2.1 吸收式制冷吸收式制冷常用的工质对常用的工质对u 吸收式制冷以自然存在的水或氨等为制冷剂，对环境和大气臭氧层无害。u 制冷机在真空状态下运行，结构简单，安全可靠，安装方便。u 以热能为驱动能源，除了利用锅炉蒸气、燃料产生的热能外，还可以利用余热、废热、太阳能等低品位热能以实现制冷的目的。u 整套装置除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静，振动小。u LiBr吸收式制冷机依然存在的易结晶、腐蚀性强及蒸发温度只能在零度以上等缺陷。2.2太阳能吸收式制冷系统特点太阳能吸收式制冷系统特点 基本循环过程是利用太阳能或者其他热源,使
8、吸附剂和吸附质形成的混合物(或络合物)在吸附器中发生解吸,放出高温高压的制冷剂气体进入冷凝器,冷凝出来的制冷剂液体由节流阀进入蒸发器。制冷剂蒸发时吸收热量,产生制冷效果,蒸发出来的制冷剂气体进入吸附发生器,被吸附后形成新的混合物(或络合物),从而完成一次吸附制冷循环过程。基本循环是一个间歇式的过程,循环周期长,COP值低,一般可以用两个吸附床实现交替连续制冷,通过切换两床的工作状态及相应的外部加热冷却状态来实现循环连续工作。3 3.吸附式制冷吸附式制冷 下图所示为上海交通大学开发的太阳能硅胶一水吸附式空调机组,可依靠普通太阳能集热器阵列产生的热水驱动制冷循环。机组是由两个单吸附床结构复合而成的
9、双床连续制冷系统,为了提高系统的制冷功率及低温热源驱动下的工作性能,机组采用了回质与回热循环措施,同时采用了双蒸发器结构实现了连续制冷量输出。在额定工况下(对应于8 5的热水,冷冻水出口温度10),机组制冷功率为8.5k w,热力COP为0.4，用于太阳能制冷。可用6080热水驱动,典型晴天条件下,能实现连续8 h制冷。各国学者们对吸附式制冷也进行了长期的实验研究，循环工质对通常选择活性炭甲醇，少数也采用硅胶-水。孙志坚等对以硅胶水作为工质对的可行性进行了研究，认为将硅胶水工质对用于吸附式空调系统在技术上是可行的。Anyanwu E.E.等对活性炭-氨、沸石-水以及活性炭-甲醇三种工质对作研究
10、后认为，沸石-水是用于太阳能吸附式空调系统的最佳工质，而活性炭-氨则更适合作制冰机、食物贮藏之用。吸附式制冷缺点吸附式制冷缺点 固体吸附剂为多微孔介质,比表面大,导热性能很低,因而吸附/解吸所需时间长;单位质量吸附剂的制冷功率较小,使得吸附制冷机尺寸较大;吸附制冷虽然可以采用回热,然而仍有大量的热量损失,使得系统制冷性能系数(COP)值不够高。吸附式制冷优点吸附式制冷优点 具有结构简单、可靠、操作简便；使用寿命长、无噪音；它所使用的是无污染或少污染的工质对；可采用低品位热能作为驱动能源,特别是适合采用能量密度低的太阳能；吸附式制冷不存在结晶问题和分馏问题且能用于振动、倾颠或旋转的场所；一个设计
11、良好的固体吸附式制冷系统其价格效用比可优于蒸汽压缩式制冷系统。3 3 喷射式制冷喷射式制冷 喷射式制冷系统的原理如图所示。制冷剂在换热器中吸热后汽化，增压,产生饱和蒸汽,蒸汽进入喷射器,经过喷嘴高速喷出膨胀,在喷嘴附近产生真空,将蒸发器中的低压蒸汽吸入喷射器（使用回热器7和增压器10可以提高喷射器以及系统工作效率）,经过喷射器出来的混合气体进入冷凝器放热，凝结,然后冷凝液的一部分通过节流阀进入蒸发器吸收热量后汽化,这部分工质完成的循环是制冷循环。另一部分通过循环泵升压后进入换热器,重新吸热汽化,该循环称为动力循环。表1列举了喷射式制冷研究主要成果。在最初的喷射式制冷研究中,人们多使用氟里昂(氟
12、氯烷)制冷剂,如Zeren和Holmes使用R12,Hahdi等使用了R11。虽然取得了较好的效果,但是随着大气臭氧层保护问题的日益紧迫,更多的人将目光投向了对环境友好的制冷剂。R142b、R141b、HCFC-123等成为了关注的焦点。蒸气喷射式制冷机除采用水作为工作介质外，还可以用其它制冷剂做工作介质，比如用低沸点的氟里昂制冷剂，可以获得更低的制冷温度。另外，将蒸气喷射式制冷系统中的喷射器与压缩机组合使用，喷射器作为压缩机入口前的增压器，这样可以用单级压缩制冷机制取更低的温度。蒸气喷射式制冷机的特点：蒸气喷射式制冷机的特点：热能为补偿能量形式；结构简单，加工方便；没有运动部件；同其它制冷方
13、式相比,其性能系数偏低。这种制冷机所需的工作蒸气的压力高，喷射器的流动损失大，因而效率较低。太阳能液体除湿是将环境空气或室内回风送入除湿器,使之与除湿溶液接触,空气中部分水分被除去,对干燥后的空气再绝热加湿,从而达到空气调节的目的;被稀释的除湿溶液在再生器中得到再生,从而完成一个循环过程。4 4、太阳能溶液除湿冷却制冷、太阳能溶液除湿冷却制冷 以色列理工学院Grossman教授等研究小组曾长期示范运行太阳能溶液除湿空调机组,以平板太阳能集热器提供再生热源,溶液除湿空调负担潜热负荷,热泵系统负责主要的显热负荷,在当地气候条件下运行效果较为理想,如下图所示。以色列海法应用的太阳能溶液除湿空调 太阳
14、能溶液除湿空调依靠溶液的浓度差可以实现空调除湿能力蓄存,且能量储存不存在与周围环境的温差热损失,易于长期储存。太阳能制冷技术中的另一个关键因素是太阳能集热器。目前的太阳能集热器主要有平板型和真空管型集热器,真空管集热器分为全玻璃真空管集热器和热管式真空管集热器等多种形式。在太阳能吸热材料方面的研究,我国清华大学,北京太阳能研究所等单位先后研制出一系列优良的选择性涂层材料,如黑钴选择性吸收涂层和铝氮/铝太阳光谱选择性吸收涂层。目前国内外所研制的选择性吸收涂层材料正在向多层化、梯度化方向发展。从已达到的水平来看,光热转换材料的性能还可进一步提高。5.太阳能集热器太阳能集热器 平板式太阳能集热器是由
15、吸热板芯、壳体、透明盖板、保温材料及有关零部件组成。阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，集热板芯将太阳能转化为热能传递给流道中的工质。这样，从集热器底部入口的冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入贮水箱中待用，即为有用能量收益。5.1平板式太阳能集热器工作原理平板式太阳能集热器工作原理5.2热管式真空管太阳能热水器的工作原理热管式真空管太阳能热水器的工作原理 热管式真空管分为下面的蒸发段和上面的冷凝段。下面的蒸发段由内外两层同心玻璃圆管组成，外层圆管为透明玻璃管，太阳能以很高的透射率穿过外层玻璃管。内层玻璃管外表面涂
16、有吸收太阳能的涂层，内外管间是被抽成真空的，以阻止内层吸热后的散失。内层玻璃管内装有易蒸发的液体，太阳光透过外管被内管外表面涂层吸收，内层管内液体受热成为蒸汽。冷凝段插入热水器储水箱中，与水箱的冷水接触。蒸汽被水箱内的冷水冷却为液体，向冷水放出热量加热冷水，凝结液体在重力作用下流回下面的蒸发段进行循环工作。5.35.3平板式集热器和热管式真空管集热器的比较平板式集热器和热管式真空管集热器的比较 由表1可以看出，平板型集热器相比真空管型集热器具有承压性好、与建筑的结合性强、耐用、不易结垢等优点。其在低温下的热性能较好，而目前中国太阳能热水器的主要用途是洗浴和生活用热水，其水温要求一般低于60，在
17、此温度区间平板集热器有较好的效率特性。但是真空管太阳能热水器冬天管内的水在不排空的情况下基本不结冰或不冻坏（特殊情况如雪天也可能冻坏）。平板型太阳能集热器在我国市场的占有率还不足15%，相比其在国外90%以上的市场占有率，平板型太阳能集热器仍然有巨大的市场空间。进一步提高太阳能集热器效率需要最大限度采集太阳能的同时尽可能减少其对流和辐射热损，这可以通过采用优质选择性吸收涂。太阳能空调制冷是夏季太阳能有效利用的最佳方案,有着良好的应用前景。目前理想的太阳能空调方式应该是与普通平板式和真空管式太阳能热水系统结合的热驱动型空调制冷机组。两者的结合,可以较好地解决太阳能供热采暖系统冬季采暖、四季热水供应与夏季空调应用的匹配,最大幅度提高太阳能利用率。太阳能空调制冷技术的发展,近期是结合建筑用能需求,与建筑一体化太阳能供热采暖系统匹配,解决夏季部分建筑空间太阳能制冷空调的问题。特别应该走与普及型太阳能集热器结合的太阳能空调制冷技术路线,如吸附式、吸收式、除湿空调等,并进一步提高效率、降低成本、减少尺寸,不断提高太阳能综合利用效率。总的来看,太阳能集热转换及与之匹配的制冷空调方式和蓄能方式有机结合是未来太阳能制冷空调技术进一步高效化、低成本、规模化应用的关键所在,也是将来一段时间太阳能空调制冷技术领域研究和应用的重点。6.太阳能制冷技术的展望太阳能制冷技术的展望
