太陽能製冷

太陽能製冷

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20 世紀70 年代以來，受石油危機的影響，許多國家加強了對於可再生能源的支持。太陽能科技突飛猛進，研究領域不斷擴大，取得了一批較為重要的成果，如複合拋物面鏡聚光集熱器、真空管集熱器、非晶硅太陽能電池、太陽能熱發電、光解水制氫等。1992 年聯合國在巴西召開“世界環境與發展大會”，會議通過了《里約熱內盧環境與發展宣言》、《21 世紀議程》等一系列重要文件。1992 年以後，世界太陽能利用又進入一個發展期，其特點是太陽能利用與世界可持續發展和環境保護緊密結合併注重科技成果轉化為生產力，發展太陽能產業，擴大太陽能利用領域和規模。1996年以來世界光伏發電高速發展，太陽能電池年產量以30%～40%的年增長率高速發展，應用範圍越來越廣，2000 年世界光伏電池總產量達287.65MW，約有一半左右用於“太陽屋頂”和併網系統。

根據不同的能量轉換方式，太陽能驅動製冷主要有以下兩種方式，一是先實現光─電轉換，再以電力製冷；二是進行光─熱轉換，再以熱能製冷。

它是利用光伏轉換裝置將太陽能轉化成電能后，再用於驅動半導體製冷系統或常規壓縮式製冷系統實現製冷的方法，即光電半導體製冷和光電壓縮式製冷。這種製冷方式的前提是將太陽能轉換為電能，其關鍵是光電轉換技術，必須採用光電轉換接受器，即光電池，它的工作原理是光伏效應。

太陽能半導體製冷。太陽能半導體製冷是利用太陽能電池產生的電能來供給半導體製冷裝置，實現熱能傳遞的特殊製冷方式。半導體製冷的理論基礎是固體的熱電效應，即當直流電通過兩種不同導電材料構成的迴路時，結點上將產生吸熱或放熱現象。如何改進材料的性能，尋找更為理想的材料，成為了太陽能半導體製冷的重要問題。太陽能半導體製冷在國防、科研、醫療衛生等領域廣泛地用作電子器件、儀錶的冷卻器，或用在低溫測儀、器械中，或製作小型恆溫器等。目前太陽能半導體製冷裝置的效率還比較低，COP 一般約0.2～0.3，遠低於壓縮式製冷。

光電壓縮式製冷。光電壓縮式製冷過程首先利用光伏轉換裝置將太陽能轉化成電能，製冷的過程是常規壓縮式製冷。光電壓縮式製冷的優點是可採用技術成熟且效率高的壓縮式製冷技術便可以方便地獲取冷量。光電壓縮式製冷系統在日照好又缺少電力設施的一些國家和地區已得到應用，如非洲國家用於生活和藥品冷藏。但其成本比常規製冷循環高約3～4 倍。隨著光伏轉換裝置效率的提高和成本的降低，光電式太陽能製冷產品將有廣闊的發展前景。

太陽能光熱轉換製冷，首先是將太陽能轉換成熱能，再利用熱能作為外界補償來實現製冷目的。光─熱轉換實現製冷主要從以下幾個方向進行，即太陽能吸收式製冷、太陽能吸附式製冷、太陽能除濕製冷、太陽能蒸汽壓縮式製冷和太陽能蒸汽噴射式製冷。其中太陽能吸收式製冷已經進入了應用階段，而太陽能吸附式製冷還處在試驗研究階段。

太陽能吸收式製冷的研究。太陽能吸收式製冷的研究最接近於實用化，其最常規的配置是：採用集熱器來收集太陽能，用來驅動單效、雙效或雙級吸收式製冷機，工質對主要採用溴化鋰- 水，當太陽能不足時可採用燃油或燃煤鍋爐來進行輔助加熱。系統主要構成與普通的吸收式製冷系統基本相同，唯一的區別就是在發生器處的熱源是太陽能而不是通常的鍋爐加熱產生的高溫蒸汽、熱水或高溫廢氣等熱源。

太陽能吸附式製冷。太陽能吸附式製冷系統的製冷原理是利用吸附床中的固體吸附劑對製冷劑的周期性吸附、解吸附過程實現製冷循環。太陽能吸附式製冷系統主要由太陽能吸附集熱器、冷凝器、儲液器、蒸發器、閥門等組成。常用的吸附劑對製冷劑工質對 有活性炭- 甲醇、活性炭- 氨、氯化鈣- 氨、硅膠- 水、金屬氫化物- 氫等。太陽能吸附式製冷具有系統結構簡單、無運動部件、雜訊小、無須考慮腐蝕等優點，而且它的造價和運行費用都比較低。

在我國，太陽能製冷及空調的研究始於20世紀70 年代後期，其中多數是小型的氨- 水吸收式製冷試驗樣機。例如：天津大學1975 年研製的連續式氨- 水吸收式太陽能製冰機，日產冰量可達5.4kg；北京師範學院1977 年研製成功1.5m2 干板型間歇式太陽能製冰機，每天可製冰6.8～8kg；華中工學院研製了採光面積為1.5m2，冰箱容積為70L，以氨- 水為工質對的小型太陽能製冷裝置。1987 年，中國科學院廣州能源研究所與香港理工學院合作在深圳建成了一套科研與實用相結合的示範性太陽能空調與熱水綜合系統。

集熱面積120m2，製冷能力14kW，空調面積為80m2。採用了3 種中溫集熱器和兩台日本生產的單級溴化鋰吸收式製冷機。“九五”計劃期間，國家科委把“太陽能空調”列為重點科技攻關項目。1998 年在廣東省江門市建成的一套大型太陽能熱水示範系統建造在一棟24 層的綜合大樓上，採用平板型集熱器和一台100kW的兩級吸收式製冷機。1999 年在山東省乳山市科普公園的太陽能館又建成了一套大型太陽能空調及供熱綜合示範系統，系統採用熱管式太陽能集熱器和100kW的單級溴化鋰製冷機。國家科技攻關項目北京天普太陽能集團的新能源示範大樓2003 年正式建成，總建築面積8000m2，系統採用熱管式真空管集熱器和U型管式真空管集熱器，空調製冷採用一台200kW的單級溴化鋰製冷機，並採用一台地源熱泵機組作為輔助。2006 年7月份，由長沙遠大空調公司自主開發研製的太陽能空調已經落戶天津華苑軟體園。此太陽能系統由兩台製冷量5815kW 太陽能直燃機、166 個集熱模塊、陽光跟蹤系統及相關控制系統構成，為建築面積12 萬m2 大廈提供製冷、採暖。

國內近期關於此項工作的研究方面，大連理工大學的徐士鳴教授等研究了以空氣為攜熱介質的開式太陽能吸收式製冷系統特性並取得了多項研究成果；中國科學院廣州能源研究所在太陽能空調系統的整合設計方面進行了開拓性的工作；華中理工大學的舒水明教授主要進行了太陽能吸收式製冷系統蓄能技術方面問題的研究；上海交通大學的王如竹、劉艷玲提出了一種太陽能燃氣聯合驅動的雙效溴化鋰吸收式空調。

在國外，1983 年世界上最早的大型太陽能吸收式製冷系統在阿拉伯半島國家科威特安裝完成，該系統為建築面積530m2 科威特國防部辦公樓提供製冷。1995 年約旦大學的M.HAMMAD等人研製了改進了的第二代太陽能驅動溴化鋰製冷機。1998 年5 月由北京桑達公司為德國斯圖加特Meissner & Wurst 公司建造的太陽能吸收式空調系統建成。國外各種研究同樣集中於尋求新的工質對、太陽能集熱器的結構與循環性能的關係、系統能量平衡研究、製冷與制熱聯合工作研究等方面。

相對於太陽能吸收式空調，太陽能吸附式空調的發展相對比較薄弱，起步也比較晚。歐洲在這方面依靠歐盟研究基金，在二十一世紀初，聯合歐洲幾個國家的研究所，做了一些這方面的研究工作。

在德國的弗萊堡，有一套示範運行項目，目前已經運行良久。由此項目衍生出來新的太陽能製冷公司，於2007年推出相應的產品，經過幾年的發展，產品逐步成熟，現在已經在商業化的階段。

目前太陽能吸附式空調的技術中有兩大主流：以硅膠/水為工作介質對，以及以沸石/水為工作介質對。

相對於太陽能吸附式空調，吸附式空調在技術上有一些優勢。主要體現在工作介質無腐蝕，維護工作量小，工作溫度區域廣等方面。

作者：王如竹、代彥軍

定價： ¥ 49.00 元

出版社：化學工業出版社

出版日期： 2007年01月

ISBN： 7-5025-9317-9 開本： 16 開

類別：能源化學化工 頁數： 368 頁

簡介

本書結合國內外太陽能製冷空調的研究進展以及作者在近10年以來的研究實踐，就太陽能製冷空調的幾種形式做了詳細介紹和分析，具體內容有：太陽能吸收式製冷(溴化鋰？水,水？氨),太陽能吸附式製冷(物理吸附與化學吸附多種吸附製冷工作對),太陽能熱驅動的除濕蒸發冷卻空調，太陽能驅動的蒸氣噴射製冷和太陽能半導體製冷等。針對各種製冷方式的不同，書中詳細敘述了各自製冷方式的工作原理、設計方法及其性能評價。由於本書主要涉及太陽能熱利用，因此書中還介紹了太陽能熱利用基礎，並介紹了太陽能熱泵。

目錄

第1章太陽能熱利用基礎1

太陽輻射1

太陽概貌1

地球的運動規律3

天球坐標系5

太陽角的計算6

5傾斜面上的太陽光線入射角8

太陽的跟蹤9

太陽能的熱計算10

大氣層外的太陽輻射10

太陽輻射在大氣中的衰減12

到達地表的太陽直射輻射15

散射輻射18

太陽的總輻射20

太陽能資源20

太陽能資源綜述20

我國的太陽能資源20

太陽能熱利用方式22

太陽能熱水系統23

太陽灶24

太陽房26

太陽能空調系統26

太陽能熱發電27

太陽能海水淡化27

參考文獻28

第2章太陽能集熱器29

平板型太陽能集熱器29

平板型集熱器的結構29

平板型集熱器的主要部件30

平板型集熱器的數學模型33

平板型集熱器的性能測試39

真空管太陽能集熱器40

全玻璃真空管集熱器41

金屬吸熱體真空管集熱器42

真空管集熱器效率計算46

真空管集熱器熱性能試驗48

聚焦型太陽能集熱器48

聚焦型集熱器的分類49

聚光器的設計50

拋物面聚焦型集熱器的熱性能55

太陽能空氣集熱器56

太陽能空氣集熱器的分類57

太陽能空氣集熱器的設計和性能計算59

太陽能空氣集熱器的性能測試64

太陽能空氣集熱器的應用64

太陽能熱水器65

太陽能熱水裝置的類型66

太陽能熱水器的性能分析70

太陽能熱水器的防凍措施74

參考文獻75

第3章太陽能製冷與空調76

吸收和吸附式製冷76

吸收和吸附76

吸收式循環88

吸附式製冷循環104

半導體熱電製冷119

熱電製冷的原理119

熱電製冷的特性分析121

多級熱電堆122

蒸氣噴射式製冷循環124

除濕與蒸發冷卻126

液體乾燥劑除濕127

固體乾燥劑除濕131

蒸發冷卻135

參考文獻137

第4章太陽能吸收式空調138

溴化鋰？水吸收式空調系統138

太陽能驅動的單效溴化鋰吸收式製冷空調系統139

太陽能驅動的雙效、兩級溴化鋰吸收式製冷空調系統以及

其他相關的研究166

小結177

氨？水吸收式製冷系統177

太陽能驅動的氨？水吸收式製冷系統的發展178

連續式太陽能驅動的氨？水製冷系統180

間歇式太陽能驅動的氨？水製冷系統183

太陽能驅動的氨？水吸收式製冷系統的前景186

參考文獻187

第5章太陽能吸附式製冷空調190

太陽能吸附式製冷系統的特點及其分類190

太陽能吸附式製冷系統的特點190

太陽能吸附式製冷系統的分類191

活性炭？甲醇吸附式製冷系統192

1活性炭？甲醇工作對192

活性炭？甲醇平板式太陽能吸附式製冰機192

活性炭？甲醇平板式太陽能吸附式製冰機真空管吸附集熱器205

典型的活性炭？甲醇太陽能吸附製冰機212

活性炭？氨吸附式製冷系統215

1活性炭？氨吸附工作對215

活性炭？氨太陽能吸附式製冷系統216

氯化鍶？氨吸附式製冷系統217

氯化鍶？氨吸附工作對217

2SrCl2?NH3太陽能吸附製冰機218

硅膠？水吸附式製冷系統219

硅膠？水吸附工作對219

硅膠？水太陽能吸附製冰機220

太陽能熱水驅動的硅膠？水吸附式冷水機組220

硅膠？水吸附式空調系統的應用實例222

分子篩？水吸附式空調系統227

分子篩？水吸附式吸附工作對227

分子篩？水太陽能吸附式空調冷藏庫228

太陽能冷管228

太陽能蓄能轉換空調229

參考文獻231

第6章太陽能驅動的除濕空調234

液體除濕空調系統234

液體除濕過程234

氯化鋰、溴化鋰和氯化鈣除濕劑234

3填料的選擇236

空氣和溶液相對的流動方式及其性能比較研究237

幾種不同的除濕裝置238

對除濕裝置性能進行估計的幾個參數240

影響除濕性能的一些參數241

多級除濕242

溶液的再生243

液體除濕系統246

其他類型的液體除濕裝置248

固體轉輪除濕空調系統249

固體除濕空調的特點249

乾燥劑材料250

乾燥劑除濕251

4固體除濕空調系統循環方式253

太陽能低溫乾燥保糧系統256

轉輪式除濕空調系統在糧食貯存中的應用259

用於貯糧通風的太陽能再生吸附除濕系統260

帶輔助熱源的太陽能再生吸附除濕冷卻系統261

太陽能幹燥劑除濕強化輻射製冷系統261

太陽能幹燥劑除濕空調系統262

混合式除濕空調系統263

參考文獻268

第7章太陽能製冷空調及其能量貯存271

太陽能熱貯存與蓄熱271

顯熱貯熱271

潛熱貯熱273

3熱化學貯能274

陽能蓄熱系統中應注意的問題274

太陽能溫度分層水箱性能分析275

溫度分層水箱的特點275

太陽能溫度分層水箱276

3測試結果276

貯能及可用能對比分析278

太陽能化學潛能貯存與利用279

1太陽能化學潛能貯存系統及原理279

太陽能？濃溶液再生轉換裝置熱質傳遞過程280

計算與分析282

蓄能空調系統283

顯熱蓄能太陽能空調283

相變蓄能太陽能空調288

製冷/制熱潛能蓄能太陽能空調290

展望292

參考文獻292

第8章太陽能供熱與製冷複合系統295

太陽能熱泵熱水器295

太陽能熱泵熱水器的分類及工作原理295

直膨式太陽能輔助熱泵熱水器297

太陽能有效利用的熱泵中央空調冷/熱水系統309

多功能直膨式太陽能輔助熱泵空調及熱水系統309

直膨式太陽能輔助熱泵空調及熱水系統的能量分析310

對系統全年工作性能的預測315

直膨式太陽能輔助熱泵空調及熱水系統的工作特點318

太陽能熱水器/冰箱複合機318

太陽能供熱水、採暖、空調製冷、自然通風複合能量利用系統322

太陽能生態建築一體化結構322

太陽能複合能量系統的構建323

太陽能複合能量系統的數據採集及自動控制系統325

太陽能複合能量系統的運行測試與分析327

蒸氣壓縮/液體除濕/吸附式製冷複合空調系統335

複合空調系統336

複合空調系統的性能分析338

吸附式製冷機的功率匹配341

4與常規空調系統的比較342

參考文獻343

第9章被動式太陽能製冷345

太陽能強化自然通風被動式製冷345

自然通風的計算345

太陽能強化自然通風的原理347

太陽能強化自然通風的應用350

2輻射製冷353

遮陽355

遮陽方式355

遮陽與建築節能357

遮陽材料358

遮陽設計358

建築遮陽的發展趨勢359