太陽能冰箱研究及應用前景分析
http://www.xibaipo.cc 2009-03-18 15:29 中企顧問網
本文導讀：作為冰箱消費大國，中國每年都有上千萬臺冰箱進入市場，冰箱在給人民生活帶來便利的同時，也消耗了大量的電力資源。
作為冰箱消費大國，中國每年都有上千萬臺冰箱進入市場，冰箱在給人民生活帶來便利的同時，也消耗了大量的電力資源。據統計，目前中國冰箱保有量為1.3億臺，家用冰箱的城市普及率已超過90%，農村普及率也已超過16%，其年用電量達6000億度，占居民總用電量的25%～45%。同時，目前中國仍以煤為主要資源進行電力生產，生產過程中會排放出大量的二氧化碳和其他有害氣體。在常規能源日漸耗盡和生態環境日益惡化這兩大危機的夾擊下，推廣太陽能冰箱可以使有害氣體的排放量得到大幅削減，有利于減輕對大氣的污染，并將推動國內能源的可持續利用。
太陽能制冷技術的現狀
太陽能制冷是太陽能利用的一個重要方面，人們在這一領域已經進行了大量研究。目前，實現太陽能制冷主要有兩種形式：一種是光電轉換制冷，實際上是太陽能發電的一種應用，先實現光電轉換，再利用太陽能電池驅動冰箱的壓縮式制冷系統；另一種是太陽能光熱轉換制冷，其研究方向主要包括太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷和太陽能噴射式制冷。
1.吸收式制冷系統。自蒸發器出來的低壓蒸氣進入吸收器，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生器中，被熱源加熱后蒸發，產生高壓蒸氣，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。
2.吸附式制冷系統。工作過程由熱解吸和冷卻吸附組成，基本循環過程是利用太陽能或者其他熱源，使吸附劑和吸附質形成的混合物(或絡合物)在吸附器中發生解吸，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流閥進入蒸發器。制冷劑蒸發時吸收熱量，產生制冷效果，蒸發出來的制冷劑氣體進入吸附發生器，被吸附后形成新的混合物(或絡合物)，從而完成一次吸附制冷循環過程。
3.噴射式制冷系統。制冷劑在換熱器中吸熱后汽化、增壓，產生飽和蒸氣，蒸氣進入噴射器，經過噴嘴高速噴出膨脹，在噴嘴附近產生真空，將蒸發器中的低壓蒸氣吸入噴射器，經過噴射器出來的混合氣體進入冷凝器放熱、凝結，然后冷凝液的一部分通過節流閥進入蒸發器吸收熱量后汽化，這部分工質完成的循環是制冷循環。
光電轉換制冷原理簡單，容易實現，但其太陽能電池成本較高；而光熱轉換制冷雖然技術要求高，但成本低廉。吸收式制冷技術出現的最早，技術相對成熟，目前太陽能溴化鋰吸收式制冷機已廣泛應用在大型空調領域，但是吸收式制冷系統龐大，運行復雜，并且制冷劑存在易結晶、腐蝕性強、蒸發溫度只能在0℃以上等缺點，同時其工作壓力高，具有一定危險性。在噴射式制冷技術中，循環泵是唯一的運行部件，系統設置比較簡單、運行穩定、可靠性高，但噴射制冷效果較低。鑒于此，目前太陽能用于冰箱技術的實現途徑主要是太陽能光電轉換制冷技術和太陽能吸附制冷技術。
太陽能光電制冷冰箱技術
太陽能光電制冷冰箱主要包括太陽能光伏冰箱和太陽能半導體冰箱。太陽能光伏冰箱是在普通傳統壓縮式冰箱基礎上研制成的，由太陽電池、控制器、蓄電池和冰箱等部件組成。由于太陽能光伏冰箱的內部結構與傳統冰箱相同，只是供電裝置改為太陽能電池，因此實現起來相對簡單。
國外文獻報道顯示，很多實驗結果表明，把傳統交流冰箱改制成適用于光伏太陽能系統的直流冰箱后，各部件可以正常運行，冰箱可以正常工作。而在國內，針對太陽能光電制冷冰箱的研究也不少，并有一定進展。《太陽能學報》2007年報道了劉群生等對一種光伏直流冰箱系統運行性能的研究結果，該系統的唯一動力源為太陽能，采用直流壓縮機，系統中配有蓄電池。實驗結果表明：該冰箱冷凍室的最低溫度可達-16℃，冷藏室可達0~10℃，在25℃的環境溫度下工作時，運轉率為48%。早在1997年，黃福林就將新型全數字式SPWM調制方式應用在太陽光電制冷冰箱的變頻電路，并實現了冰箱溫度的自動控制。
在太陽能半導體冰箱的研究方面，甘肅自然能源研究所鄒今平及羅斌等，都曾撰文介紹太陽能電池驅動的半導體制冷冰箱系統的基本結構，建立了太陽能電池驅動的半導體冰箱的理論模型，并對系統性能進行了數值模擬，分析了太陽輻射強度和環境風速變化對太陽能半導體制冷系統性能的影響。
太陽能吸附制冷冰箱技術
21世紀90年代，中國已經開始對太陽能吸附制冷冰箱的研究，但是大多數還局限在實驗室，尚未達到預期的實用化程度，主要原因是受到制取溫度高及太陽能的時間局限性的影響。同時，太陽能吸附制冷冰箱室外吸附床和室內制冷器之間需要管路連接，也是影響太陽能吸附制冷冰箱進入批量生產階段的主要障礙。
為了解決以上各種缺陷，國內研究人員從系統循環機理、吸附制冷工質對的選擇、太陽能冰箱的性能、內外特性分析及優化設計等諸多方面對太陽能固體吸附式制冷技術進行了詳細分析研究。上海交通大學制冷所熱環境研究室孫長江經過數年潛心研究，按照批量生產所要求的工藝和流程，制造了兩臺太陽能吸附式冰箱。實驗結果表明該冰箱性能較為穩定，證明這種太陽能冰箱在技術上已經具備了成熟的生產制造條件。
在太陽能吸附冰箱中，吸附工質對的選擇非常重要。國內研究人員嘗試研究不同的吸附工質對的吸附特性，其中包括CoF2-NH3、SrCl2-NH3、活性炭-甲醇、活性炭-乙醇等。實驗結果表明，CoF2-NH3工質對的單位吸附量大，達到最大吸附量時的溫度要求低，吸附周期短，并且多次重復吸附后既不結塊、也不膨脹，為化學吸附式制冷系統的小型化和實用化提供了新的可能性；SrCl2-NH3工質對的吸附制冷量大，適宜太陽能或低品位余熱驅動，是性能優良的工質對；活性炭-甲醇工質對較之活性炭-乙醇工質對更適用于太陽能固體吸附式制冰機中。
高效太陽能集熱器是太陽能冰箱的關鍵部件，有非聚焦型太陽能集熱器和聚焦型太陽能集熱器兩類。其中，非聚焦型太陽能集熱器分為平板型、真空管和CPC型三種，這三種集熱器集熱溫度均不高，在250℃以下，屬于低溫或者中溫太陽能集熱器；聚焦型太陽能集熱器分為槽式、碟式和塔式三種，通常情況下，這三種聚焦型集熱器集熱溫度均可達300℃以上，屬于中高溫集熱器。對于太陽能冰箱而言，非聚焦型太陽能集熱器主要應用于太陽能吸附制冷冰箱系統，而聚焦型太陽能集熱器可應用于太陽能光電制冷冰箱系統。目前，國內外對太陽能集熱器的研究和利用多限于中低溫范圍。
太陽能冰箱的開發應用
目前，國內外對太陽能冰箱研究最多也較接近實用化的是太陽能光電制冷冰箱，而對太陽能吸附制冷冰箱的研究，還停留在對太陽能制冷的基礎理論和試驗樣機的研制上。
太陽能光電制冷冰箱一般采用常規的冰箱外接太陽能發電裝置，研究重點在太陽能電池的充放電特性，由于對冰箱壓縮機光伏特性考慮較少，對太陽能光電制冷冰箱各部件匹配性的研究也不夠完善，并且太陽能吸熱裝置的效率非常低，因而整個系統的效率尚不能與傳統冰箱相比，成本也比傳統冰箱高的多。在太陽能吸附式制冷冰箱方面，當前研究較多的是吸附劑—制冷劑工質對的性能，需要解決吸附床傳熱性能如何進一步強化，吸附床、集熱器白天集熱和夜間散熱之間的關系如何有效的解決，如何將夜間的制冷量有效地貯存到白天使用等問題。
筆者認為目前在太陽能冰箱應用開發中亟待進一步解決的關鍵技術如下：
1.高效太陽能集熱器技術
太陽能集熱器是太陽能轉化為熱能的裝置，在太陽能冰箱系統中占有重要地位，其效率和價格會直接影響到整個太陽能冰箱的效率和經濟性。為了提高太陽能集熱器的效率，當前的研究大多局限于吸收器和聚光裝置結構的改進，而對集熱器吸熱本質的研究投入較少，而吸熱的本質體現在材料的光學特性，即對某個波段的光的吸收能力。因此，筆者認為，吸收器及其表面吸收涂層材料的研制將是提高太陽能冰箱集熱器效率的關鍵所在，在技術上還有很多值得改進和發展的地方，如在吸熱器表面涂上對太陽輻射具有很高光譜吸比的涂層，以保持最大限度采集太陽輻射能；或者根據材料的輻射特性合理選用吸熱面材料以使其在0.3~3μm的波長范圍內的光譜吸收比接近于1。
2.高效太陽能蓄能技術
為了克服太陽能的時間性所導致冰箱白天和夜里工作狀況不能一致的缺陷，在系統設計時，應設計一個合理的蓄能裝置，以便把白天產生的能量部分蓄存起來，供晚上或陰雨天使用，真正實現全天候制冷，以達到與常規冰箱一樣的效果。當前，太陽能光電蓄能主要有如下幾種，即電容器蓄能、鉛蓄電池蓄能、鎳氫電池蓄電和鉀離子電池蓄電。以上各種蓄能電池的應用技術已經較為成熟，只是蓄能容量偏小，如何提高該類型電池的容量是今后的研究方向。
太陽能吸附制冷冰箱目前已采用和正在研究的蓄能技術，主要是利用工作介質狀態變化過程所具有的顯熱、潛熱效應或化學反應過程的反應熱來進行能量儲存。由于潛熱蓄冷技術是利用物質相變時需要吸收或放出熱量的特性來儲存或釋放能量，同吸附式制冷原理相同，因此潛熱蓄能技術的研究對太陽能吸附制冷冰箱的蓄能來說具有實際意義。另外，對于太陽能吸附制冷冰箱的蓄能技術，要從對工質對本身特性的研究發展到放在整個系統中進行，并對吸附制冷裝置的結構做進一步改進。
太陽能冰箱的應用前景
傳統冰箱的使用需要消耗大量常規能源，間接對環境造成的污染越來越嚴重。從中國現階段的能源供應情況和環境保護需求來看，開發使用清潔能源的冰箱將是大勢所趨。另外，中國有許多偏遠地區和游牧民族至今尚未被納入供電網絡，還沒有條件使用電冰箱保存食品，這些也為太陽能冰箱的開發提供了潛在市場。
但是，現階段也存在種種因素限制著太陽能冰箱制冷技術的廣泛應用。一方面，由于太陽能的利用效率低、價格高，并且受時效影響，對于居住相對集中的樓房，集熱器的安裝將受到很大的限制；另一方面，太陽能制冷有多種形式，但就目前的研究現狀來看，各種不同形式的制冷系統均存在不足。如何進一步提高系統的運行效率以及各種制冷循環的聯合運行都是將來研究的重點領域。隨著太陽能冰箱系統設計所需的新材料、新技術的發展，在政府節能環保和家電下鄉政策的支持下，太陽能在冰箱制冷中的研究應用一定會取得很大的發展。
當前以消費大量電力驅動傳統冰箱的技術已日趨完善，單純從高效、節能、省電方面對冰箱進行技術革新已很難有大的突破，但太陽能冰箱還有較大的發展空間，將是未來冰箱業的一個發展方向。太陽能冰箱的開發是冰箱行業的一次重大革新，對于帶動整個冰箱產業技術鏈的升級換代具有巨大的推動作用，并將為環保、節能減排等做出巨大貢獻。
太陽能制冷技術的現狀
太陽能制冷是太陽能利用的一個重要方面，人們在這一領域已經進行了大量研究。目前，實現太陽能制冷主要有兩種形式：一種是光電轉換制冷，實際上是太陽能發電的一種應用，先實現光電轉換，再利用太陽能電池驅動冰箱的壓縮式制冷系統；另一種是太陽能光熱轉換制冷，其研究方向主要包括太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷和太陽能噴射式制冷。
1.吸收式制冷系統。自蒸發器出來的低壓蒸氣進入吸收器，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生器中，被熱源加熱后蒸發，產生高壓蒸氣，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。
2.吸附式制冷系統。工作過程由熱解吸和冷卻吸附組成，基本循環過程是利用太陽能或者其他熱源，使吸附劑和吸附質形成的混合物(或絡合物)在吸附器中發生解吸，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流閥進入蒸發器。制冷劑蒸發時吸收熱量，產生制冷效果，蒸發出來的制冷劑氣體進入吸附發生器，被吸附后形成新的混合物(或絡合物)，從而完成一次吸附制冷循環過程。
3.噴射式制冷系統。制冷劑在換熱器中吸熱后汽化、增壓，產生飽和蒸氣，蒸氣進入噴射器，經過噴嘴高速噴出膨脹，在噴嘴附近產生真空，將蒸發器中的低壓蒸氣吸入噴射器，經過噴射器出來的混合氣體進入冷凝器放熱、凝結，然后冷凝液的一部分通過節流閥進入蒸發器吸收熱量后汽化，這部分工質完成的循環是制冷循環。
光電轉換制冷原理簡單，容易實現，但其太陽能電池成本較高；而光熱轉換制冷雖然技術要求高，但成本低廉。吸收式制冷技術出現的最早，技術相對成熟，目前太陽能溴化鋰吸收式制冷機已廣泛應用在大型空調領域，但是吸收式制冷系統龐大，運行復雜，并且制冷劑存在易結晶、腐蝕性強、蒸發溫度只能在0℃以上等缺點，同時其工作壓力高，具有一定危險性。在噴射式制冷技術中，循環泵是唯一的運行部件，系統設置比較簡單、運行穩定、可靠性高，但噴射制冷效果較低。鑒于此，目前太陽能用于冰箱技術的實現途徑主要是太陽能光電轉換制冷技術和太陽能吸附制冷技術。
太陽能光電制冷冰箱技術
太陽能光電制冷冰箱主要包括太陽能光伏冰箱和太陽能半導體冰箱。太陽能光伏冰箱是在普通傳統壓縮式冰箱基礎上研制成的，由太陽電池、控制器、蓄電池和冰箱等部件組成。由于太陽能光伏冰箱的內部結構與傳統冰箱相同，只是供電裝置改為太陽能電池，因此實現起來相對簡單。
國外文獻報道顯示，很多實驗結果表明，把傳統交流冰箱改制成適用于光伏太陽能系統的直流冰箱后，各部件可以正常運行，冰箱可以正常工作。而在國內，針對太陽能光電制冷冰箱的研究也不少，并有一定進展。《太陽能學報》2007年報道了劉群生等對一種光伏直流冰箱系統運行性能的研究結果，該系統的唯一動力源為太陽能，采用直流壓縮機，系統中配有蓄電池。實驗結果表明：該冰箱冷凍室的最低溫度可達-16℃，冷藏室可達0~10℃，在25℃的環境溫度下工作時，運轉率為48%。早在1997年，黃福林就將新型全數字式SPWM調制方式應用在太陽光電制冷冰箱的變頻電路，并實現了冰箱溫度的自動控制。
在太陽能半導體冰箱的研究方面，甘肅自然能源研究所鄒今平及羅斌等，都曾撰文介紹太陽能電池驅動的半導體制冷冰箱系統的基本結構，建立了太陽能電池驅動的半導體冰箱的理論模型，并對系統性能進行了數值模擬，分析了太陽輻射強度和環境風速變化對太陽能半導體制冷系統性能的影響。
太陽能吸附制冷冰箱技術
21世紀90年代，中國已經開始對太陽能吸附制冷冰箱的研究，但是大多數還局限在實驗室，尚未達到預期的實用化程度，主要原因是受到制取溫度高及太陽能的時間局限性的影響。同時，太陽能吸附制冷冰箱室外吸附床和室內制冷器之間需要管路連接，也是影響太陽能吸附制冷冰箱進入批量生產階段的主要障礙。
為了解決以上各種缺陷，國內研究人員從系統循環機理、吸附制冷工質對的選擇、太陽能冰箱的性能、內外特性分析及優化設計等諸多方面對太陽能固體吸附式制冷技術進行了詳細分析研究。上海交通大學制冷所熱環境研究室孫長江經過數年潛心研究，按照批量生產所要求的工藝和流程，制造了兩臺太陽能吸附式冰箱。實驗結果表明該冰箱性能較為穩定，證明這種太陽能冰箱在技術上已經具備了成熟的生產制造條件。
在太陽能吸附冰箱中，吸附工質對的選擇非常重要。國內研究人員嘗試研究不同的吸附工質對的吸附特性，其中包括CoF2-NH3、SrCl2-NH3、活性炭-甲醇、活性炭-乙醇等。實驗結果表明，CoF2-NH3工質對的單位吸附量大，達到最大吸附量時的溫度要求低，吸附周期短，并且多次重復吸附后既不結塊、也不膨脹，為化學吸附式制冷系統的小型化和實用化提供了新的可能性；SrCl2-NH3工質對的吸附制冷量大，適宜太陽能或低品位余熱驅動，是性能優良的工質對；活性炭-甲醇工質對較之活性炭-乙醇工質對更適用于太陽能固體吸附式制冰機中。
高效太陽能集熱器是太陽能冰箱的關鍵部件，有非聚焦型太陽能集熱器和聚焦型太陽能集熱器兩類。其中，非聚焦型太陽能集熱器分為平板型、真空管和CPC型三種，這三種集熱器集熱溫度均不高，在250℃以下，屬于低溫或者中溫太陽能集熱器；聚焦型太陽能集熱器分為槽式、碟式和塔式三種，通常情況下，這三種聚焦型集熱器集熱溫度均可達300℃以上，屬于中高溫集熱器。對于太陽能冰箱而言，非聚焦型太陽能集熱器主要應用于太陽能吸附制冷冰箱系統，而聚焦型太陽能集熱器可應用于太陽能光電制冷冰箱系統。目前，國內外對太陽能集熱器的研究和利用多限于中低溫范圍。
太陽能冰箱的開發應用
目前，國內外對太陽能冰箱研究最多也較接近實用化的是太陽能光電制冷冰箱，而對太陽能吸附制冷冰箱的研究，還停留在對太陽能制冷的基礎理論和試驗樣機的研制上。
太陽能光電制冷冰箱一般采用常規的冰箱外接太陽能發電裝置，研究重點在太陽能電池的充放電特性，由于對冰箱壓縮機光伏特性考慮較少，對太陽能光電制冷冰箱各部件匹配性的研究也不夠完善，并且太陽能吸熱裝置的效率非常低，因而整個系統的效率尚不能與傳統冰箱相比，成本也比傳統冰箱高的多。在太陽能吸附式制冷冰箱方面，當前研究較多的是吸附劑—制冷劑工質對的性能，需要解決吸附床傳熱性能如何進一步強化，吸附床、集熱器白天集熱和夜間散熱之間的關系如何有效的解決，如何將夜間的制冷量有效地貯存到白天使用等問題。
筆者認為目前在太陽能冰箱應用開發中亟待進一步解決的關鍵技術如下：
1.高效太陽能集熱器技術
太陽能集熱器是太陽能轉化為熱能的裝置，在太陽能冰箱系統中占有重要地位，其效率和價格會直接影響到整個太陽能冰箱的效率和經濟性。為了提高太陽能集熱器的效率，當前的研究大多局限于吸收器和聚光裝置結構的改進，而對集熱器吸熱本質的研究投入較少，而吸熱的本質體現在材料的光學特性，即對某個波段的光的吸收能力。因此，筆者認為，吸收器及其表面吸收涂層材料的研制將是提高太陽能冰箱集熱器效率的關鍵所在，在技術上還有很多值得改進和發展的地方，如在吸熱器表面涂上對太陽輻射具有很高光譜吸比的涂層，以保持最大限度采集太陽輻射能；或者根據材料的輻射特性合理選用吸熱面材料以使其在0.3~3μm的波長范圍內的光譜吸收比接近于1。
2.高效太陽能蓄能技術
為了克服太陽能的時間性所導致冰箱白天和夜里工作狀況不能一致的缺陷，在系統設計時，應設計一個合理的蓄能裝置，以便把白天產生的能量部分蓄存起來，供晚上或陰雨天使用，真正實現全天候制冷，以達到與常規冰箱一樣的效果。當前，太陽能光電蓄能主要有如下幾種，即電容器蓄能、鉛蓄電池蓄能、鎳氫電池蓄電和鉀離子電池蓄電。以上各種蓄能電池的應用技術已經較為成熟，只是蓄能容量偏小，如何提高該類型電池的容量是今后的研究方向。
太陽能吸附制冷冰箱目前已采用和正在研究的蓄能技術，主要是利用工作介質狀態變化過程所具有的顯熱、潛熱效應或化學反應過程的反應熱來進行能量儲存。由于潛熱蓄冷技術是利用物質相變時需要吸收或放出熱量的特性來儲存或釋放能量，同吸附式制冷原理相同，因此潛熱蓄能技術的研究對太陽能吸附制冷冰箱的蓄能來說具有實際意義。另外，對于太陽能吸附制冷冰箱的蓄能技術，要從對工質對本身特性的研究發展到放在整個系統中進行，并對吸附制冷裝置的結構做進一步改進。
太陽能冰箱的應用前景
傳統冰箱的使用需要消耗大量常規能源，間接對環境造成的污染越來越嚴重。從中國現階段的能源供應情況和環境保護需求來看，開發使用清潔能源的冰箱將是大勢所趨。另外，中國有許多偏遠地區和游牧民族至今尚未被納入供電網絡，還沒有條件使用電冰箱保存食品，這些也為太陽能冰箱的開發提供了潛在市場。
但是，現階段也存在種種因素限制著太陽能冰箱制冷技術的廣泛應用。一方面，由于太陽能的利用效率低、價格高，并且受時效影響，對于居住相對集中的樓房，集熱器的安裝將受到很大的限制；另一方面，太陽能制冷有多種形式，但就目前的研究現狀來看，各種不同形式的制冷系統均存在不足。如何進一步提高系統的運行效率以及各種制冷循環的聯合運行都是將來研究的重點領域。隨著太陽能冰箱系統設計所需的新材料、新技術的發展，在政府節能環保和家電下鄉政策的支持下，太陽能在冰箱制冷中的研究應用一定會取得很大的發展。
當前以消費大量電力驅動傳統冰箱的技術已日趨完善，單純從高效、節能、省電方面對冰箱進行技術革新已很難有大的突破，但太陽能冰箱還有較大的發展空間，將是未來冰箱業的一個發展方向。太陽能冰箱的開發是冰箱行業的一次重大革新，對于帶動整個冰箱產業技術鏈的升級換代具有巨大的推動作用，并將為環保、節能減排等做出巨大貢獻。
