浅谈太阳能制冷技术的发展及应用

一、引言

利用可再生能源和其它余热可有效缓解世界范围内的能源紧张和环境污染问题，太阳能是一种清洁、可再生能源，长期以来一直受到科技界的重视。太阳能制冷之所以能成为制冷技术研究的热点是因为它具有自己独特的优点。首先是节能，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，将大大减小电力消耗、节约能源；其次是环保，根据《蒙特利尔议定书》，目前压缩式制冷机主要使用的CFC类工质因为对大气臭氧层有破坏作用应停止使用，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，同时减少燃烧化石能源发电带来的环境污染。

二、各种形式的太阳能制冷技术

（一）太阳能吸收式制冷技术

1、太阳能吸收式制冷原理和特点

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并被吸收剂强烈吸收，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。它相当于用吸收器和发生器代替压缩机，消耗的是热能。热源可以利用太阳能、低压蒸汽、热水、燃气等多种形式。

吸收式制冷系统的特点与所使用的制冷剂有关，常用于吸收式制冷机中的制冷剂大致可分为水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四个大类。吸收式空调采用溴化锂或氨水制冷机方案，虽然技术相对成熟，但系统成本比压缩式高，主要用于大型空调，如中央空调等。

2、太阳能吸收式制冷的研究现状及发展

太阳能吸收式制冷是最早发展起来的，起源于1932年，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1992年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。陈滢等人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。

其系统循环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。

（二）太阳能吸附式制冷技术

1、吸附式制冷原理和特点

吸附式制冷系统由吸附床、冷凝器、蒸发器和节流阀等构成， 如图3所示：工作过程由热解吸和冷却吸附组成，基本循环过程是利用太阳能或者其他热源，使吸附剂和吸附质形成的混合物(或络合物)在吸附床中发生解吸，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，通过切换集热器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。

吸附式制冷具有结构简单、一次投资少、运行费用低、使用寿命长、无噪音、无环境污染、能有效利用低品位热源等一系列优点。与吸收式制冷系统相比，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。

2、太阳能吸附式制冷的研究现状及发展

吸附式制冷依靠固体吸附剂在白天吸收太阳能解吸，晚上则吸附制冷。目前对吸附式制冷技术的研究主要包括以下几个方面：（1）吸附剂—制冷剂工质对的性能，各种循环方式的热力性能和发生器（吸附床）性能。对吸附剂—制冷剂工质对的性能研究已从工质对本身特性的研究发展到放在整个系统中进行。研究的多为沸石—水、活性炭—甲醇和氯化钙—氨为工质对。（2）吸附式制冷循环方式的研究有基本型、连续型、连续回热型、热波型和对流热波型，前三种已有样机研制成功，后两种尚处在理论模拟和实验室阶段。最简单的连续型循环是采用双床结构，一个床吸附，同时另一个床解吸，这样就得到了连续制冷，避免了传统吸附式制冷白天解吸，夜间吸附的间歇性制冷的缺点。（3）吸附床的研究主要是强化它的传热，方法有采用高导热性能的复合吸附剂，如沸石粉与聚苯胺复合吸附剂的导热性能和吸附性能均远优于沸石颗粒。如果将颗粒状的吸附剂嵌入膨化的石墨板中，会得到更高的导热系数。（4）由于现今国际上的太阳能吸附制冷装置大多以水或甲醇等低饱和蒸汽压液体作为制冷剂，如何长期保证系统较高的真空度是太阳能吸附制冷技术走向应用的一个难题。针对这个问题，刘震炎等人研制了一种新型非金属太阳能制冷管。其壳体采用高透过率的玻璃管，一根冷管即为一个制冷单元，结构简单，易于模块化，这些使冷管型太阳能制冷系统具有良好的实用性。

（三）太阳能喷射式制冷技术

1、喷射式制冷原理和特点

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，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。