[科普中国]-太阳能冷却制冷

实现途径

太阳能冷却制冷实现方法，主要有两大途径：

一是利用太阳能集热器等实现光热转换，以热制冷；二是利用光电转换器等实现光电转换，以电制冷。后者是先把太阳能转化为电能，再利用电来制冷，如光电式、热电式制冷等。但是由于其成本太高，目前研究应用较少。而吸收式、吸附式、喷射式等光热制冷方式研究和应用较多，其中，吸收式和喷射式制冷都已进入应用阶段，吸附式还处于研究阶段。1

系统组成太阳能冷却制冷系统组成主要由太阳能集热装置、热驱动制冷装置和辅助热源组成。太阳能集热装置的主要构件就是太阳能集热器，还包括储热器和调节装置口太阳能集热器是用特殊的吸收装置将太阳的辐射能转换为热能，常用集热器为平板式和真空管式，采用水作为介质。真空管式效率相对较高，介质温度可以达到150℃。

热驱动制冷装置为吸收式制冷机、吸附式制冷机、喷射式制冷机。辅助热源是在太阳能不足时为热驭动制冷装置提供热能的常规供热装置。太阳能集热器吸收太阳能，并转换成为热能，由储热器将热能储存起来，这部分热能同辅助热源提供的热能一起被用来驱动制冷机，为建筑提供冷量。2

优点太阳能冷却制冷具有以下几个优点。

1、节能

据统计，国际上用于民用空调所耗电能约占民用总电耗的50%，而太阳能是取之不尽，用之不竭的。太阳能制冷用于空调，将大大的减少电力消耗，节约能源。

2、环保

根据《蒙特利尔议定书》，目前压缩式制冷机主要使用的CFC类工质，对大气臭氧层有破坏作用，应停止使用(美、欧等已停止生产和使用)。各国都在研究CFC类工质的替代物质及替代制冷技术。而太阳能制冷一般采用非氟氯烃类物质作为制冷剂，臭氧层破坏系数(ODP )和温室效应系数(GWP)均为零，适合当前环保要求，同时使用太阳能制冷技术还可以减少燃烧化石能源发电所带来的环境污染。

3、热量的供给和冷量的需求在季节和数量上高度匹配

太阳辐射越强、气温越高，冷量需求也越大。但太阳能制冷系统的应用比加热系统要少，一些利用太阳能加热的建筑物已设计、建成和工作了相当长的时间，有比较成熟的使用经验。而太阳能制冷问题，如何合理的选择制冷机的热源温度、冷水温度和冷却水温度，它不像常规制冷系统那样可以根据比较成熟的经验和理论去选择某个较为经济合理的数值，而必须考虑集热器效率。2

分类吸收式制冷1、原理

吸收式太阳能制冷系统是利用太阳能提供的热能带动吸收式制冷机制冷口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，再利用吸收剂吸收冷剂燕气液态制冷剂在蒸发器中吸热产生的低温冷冻水用于制冷，然后低压制冷剂蒸气进入吸收器，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，被太阳能驱动热源加热后蒸发，产生高压蒸气，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、工质选择

吸收式制冷系统的工质，对制冷系统性能的影响很大。进行选择时，通常依照下列原则。

①制冷工质的挥发性要比吸收溶液的挥发性好，而且吸收溶液的挥发性要尽可能小，以免吸收溶液随制冷工质在发生器中一起蒸发，然后进入冷凝器，从而造成阻塞或降低性能系数。

②制冷工质和吸收溶液之间的亲和力小，加热时制冷工质可以从其中分离出去。

③制冷工质和吸收溶液无毒、无腐蚀作用，且稳定性好。

④制冷工质的蒸发潜热大，传热性能好，从而减少制冷工质的循环流量。

⑤制冷工质和吸收溶液的黏性低，流动压阻小。

根据以上原则，目前使用最多的制冷工质组合是NH3-H2O和H2O-LiBr两种。

3、效率

太阳能制冷系统的总效率是由太阳能集热器效率和配套的制冷机效率决定的。当系统的能量全部由太阳能集热器提供，且仅仅考虑系统的热能效率时，系统的总效率应为

η=制冷机效率×太阳能集热器的效率=COP×ηc

式中

COP——制冷机的性能系数；

ηc——太阳能集热器的效率。

吸收式制冷机的性能系数随太阳能驱动热源温度的升高而增大。

集热器效率随着太阳辐射强度的上升而增大；而随着介质(水)温度的上升，集热器的热损失增大，即集热器的效率降低。2

吸附式制冷1、特点

虽然太阳能吸附制冷系统的CDP值很少超过0. 15。但是与吸收式制冷相比，吸附式制冷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；它所使用的是无污染或少污染的工质对；设备结构简单、可靠；操作简便；无运动部件、使用寿命长、运转费用低、无噪声。吸收式制冷机绝大部分适用于大中型系统，不适用于小型空调，而固体吸附式制冷工艺却适用于小型装置，能够单独由太阳能驱动运行，冷凝器用空气自然冷却，在家庭小型应用，改善生活条件及边远地区医疗、冷藏等方面具有良好的应用前景。

2、原理

太阳能吸附式制冷系统主要由吸附床(即集热器)、冷凝器、蒸发器和阀门等构成。其基本的工作过程包括吸热解吸和冷却吸附。具体工作流程为：白天，吸附床被太阳能加热，吸附质便从吸附剂中解吸脱附，当吸附质蒸汽压力达到冷凝压力后，进入冷凝器冷凝，然后凝结液经节流阀进入蒸发器并储存起来；到晚上，吸附床被环境空气冷却，吸附剂开始吸附制冷剂蒸汽，当系统压力下降到蒸发温度下的饱和压力时，蒸发器中的液体开始蒸发制冷，而产生的蒸汽继续被吸附剂吸附，直到吸附结束，至此完成一个吸附制冷循环。

由此可见，太阳能吸附式制冷系统的循环过程是间歇式的。系统运行时，白天为加热解吸过程，晚上为吸附制冷过程，晚上制成的冰块在白天供用户使用。

3、工质

工质的性能是影响吸附式制冷系统性能、效率和成本的重要因素之一。通过优化选择吸附一制冷工质可以增大单位质量工质的制冷量，提高系统的制冷系数，减小设备尺寸，缩短循环时间，使整机的性能有较大的提高，还可以配合不同的热源、制冷工况、设备结构的特殊要求。所以太阳能驱动的吸附式制冷系统能否得到应用，很大程度上取决于所选用的工质。

已研究的吸附工质体系主要有：沸石体系、活性炭体系、硅胶体系、氯化钙体系等。在上述的工质中，沸石分子筛一水、活性炭一氨或甲醇、硅胶一水、氯化钙一氨等已在实际的太阳能吸附式制冷系统中得到应用，目前应用较多的是前两者。2

蒸汽喷射式制冷1、原理

太阳能蒸汽喷射式制冷系统包括太阳能集热循环和喷射式制冷循环。在太阳能集热循环中，被太阳能加热的水通过平板集热器、储热水槽，将低沸点工质(CFC-11 , HCFC-123, R22、水等)加热，使之成为高压制冷剂蒸气。而温度降低了的水又回到集热器中被重新加热。

喷射制冷循环的过程是：由储热水槽出来的高压制冷剂蒸气(可称为工作蒸气)通过喷嘴时，由于出流速度高，在喷嘴附近产生真空，从而将蒸发器中的低压制冷剂蒸气引吸到吸入室，与工作蒸气混合。此混合气流通过扩压器后，速度降低、压力增加，随后流人冷凝器被冷凝。而冷凝后的液体分为两部分，一部分经膨胀阀降压后，在蒸发器中汽化，因吸收冷冻水的热量而达到制冷的目的；另一部分则通过循环泵升压后返回到储热水槽中加热为高压制冷剂蒸气，如此不断循环。

2、效率

太阳能喷射制冷系统的总效率由太阳能集热器效率和配套的喷射制冷机效率决定。当制冷系统的能量全部由太阳能集热器提供，循环泵消耗的机械能相对较少，可忽略不计，而仅仅考虑系统的热能效率时，系统的总效率应为仍可用

η=制冷机效率×太阳能集热器的效率=COP×ηc

式中

COP——喷射式制冷系统的性能系数；

ηc——太阳能集热器的效率。

3、改进方法

太阳能喷射制冷方式同其他制冷方式相比，其性能系数偏低，因而在经济性上不具有竞争力。只有提高它的系统性能，才有可能开发出实用的制冷产品，复合式喷射制冷循环是近年来比较引人注目的方案。

目前改进的方法有吸收一喷射复合制冷系统、热管喷射式制冷系统和太阳能吸附一喷射联合制冷系统。2

压缩式制冷这种系统是利用集热器加热，形成高压蒸汽，然后推动汽轮机转动，从而带动压缩机完成制冷任务的。由于压缩机是在制冷装置中最为广泛和成熟的装置，因此，此系统具有运行稳定、易于控制等优点。

整个系统分为三部分，上边为太阳能集热循环，左边为热机循环(即低压蒸汽推动汽轮机对外做功)，右边是蒸汽压缩式制冷机循环。

在太阳能集热循环中，被太阳能加热的集热介质吸收太阳能，温度升高到约102℃；然后通过预热器、锅炉(换热器)和汽液分离器、经几次放热后，温度降低为约96℃。然后再进入太阳能集热器，进行下一个循环，如此周而复始，不断将太阳能传递到热机循环中。2