| 一、引言
利用可再生能源和其它余熱可有效緩解世界范圍內(nèi)的能源緊張和環(huán)境污染問(wèn)題，太陽(yáng)能是一種清潔、可再生能源，長(zhǎng)期以來(lái)一直受到科技界的重視。太陽(yáng)能制冷之所以能成為制冷技術(shù)研究的熱點(diǎn)是因?yàn)樗哂凶约邯?dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先是節(jié)能，國(guó)際上用于民用空調(diào)所耗電能占民用總電耗的50%，太陽(yáng)能制冷用于空調(diào)，將大大減小電力消耗、節(jié)約能源；其次是環(huán)保，根據(jù)《蒙特利爾議定書》，目前壓縮式制冷機(jī)主要使用的CFC類工質(zhì)因?yàn)閷?duì)大氣臭氧層有破壞作用應(yīng)停止使用，太陽(yáng)能制冷一般采用非氟烴類的物質(zhì)作為制冷劑，臭氧層破壞系數(shù)和溫室效應(yīng)系數(shù)均為零，適合當(dāng)前環(huán)保要求，同時(shí)減少燃燒化石能源發(fā)電帶來(lái)的環(huán)境污染。
二、各種形式的太陽(yáng)能制冷技術(shù)
（一）太陽(yáng)能吸收式制冷技術(shù)
1、太陽(yáng)能吸收式制冷原理和特點(diǎn)
吸收式制冷是利用溶液濃度的變化來(lái)獲取冷量的裝置，即制冷劑在一定壓力下蒸發(fā)吸熱，再利用吸收劑吸收制冷劑蒸汽。自蒸發(fā)器出來(lái)的低壓蒸汽進(jìn)入吸收器并被吸收劑強(qiáng)烈吸收，吸收過(guò)程中放出的熱量被冷卻水帶走，形成的濃溶液由泵送入發(fā)生器中被熱源加熱后蒸發(fā)產(chǎn)生高壓蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻，而稀溶液減壓回流到吸收器完成一個(gè)循環(huán)。它相當(dāng)于用吸收器和發(fā)生器代替壓縮機(jī)，消耗的是熱能。熱源可以利用太陽(yáng)能、低壓蒸汽、熱水、燃?xì)獾榷喾N形式。
吸收式制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)與所使用的制冷劑有關(guān)，常用于吸收式制冷機(jī)中的制冷劑大致可分為水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四個(gè)大類。吸收式空調(diào)采用溴化鋰或氨水制冷機(jī)方案，雖然技術(shù)相對(duì)成熟，但系統(tǒng)成本比壓縮式高，主要用于大型空調(diào)，如中央空調(diào)等。
2、太陽(yáng)能吸收式制冷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展
太陽(yáng)能吸收式制冷是最早發(fā)展起來(lái)的，起源于1932年，但因成本高、效率低，沒(méi)什么商業(yè)價(jià)值。后來(lái)隨著科技的進(jìn)步，吸收式制冷研究逐漸得到了發(fā)展。由于1992年世界性能源危機(jī)的影響，吸收制冷受到了發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，吸收式制冷產(chǎn)業(yè)也得到了普及和發(fā)展。
太陽(yáng)能吸收式制冷由于利用太陽(yáng)能，所以其發(fā)生溫度低，即便采用特殊的集熱器，也只有100℃多一些。因此，其制冷循環(huán)方式都是采用單效方式。陳瀅等人提出了一種新型的單效雙級(jí)吸收式制冷循環(huán)，該循環(huán)采用增大熱源溫差的思路，增加了一個(gè)發(fā)生器和一個(gè)換熱器。模擬計(jì)算表明，其COP值可達(dá)到0.42-0.62之間，熱源出口溫度可降到55℃。采用單效雙級(jí)制冷循環(huán)雖然COP值高，但其系統(tǒng)復(fù)雜，初投資高，因此陳光明等人又提出了采用熱變器原理的單效單級(jí)循環(huán)，新循環(huán)比傳統(tǒng)循環(huán)多了一個(gè)壓縮機(jī)。
其系統(tǒng)循環(huán)如圖2所示：從發(fā)生器出來(lái)的制冷劑蒸汽分為兩路，一路送入冷凝器，一路經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，又回到發(fā)生器換熱，再進(jìn)入冷凝器，這里壓縮機(jī)實(shí)際上起到了熱變換器的作用。由于進(jìn)入冷凝器和發(fā)生器的熱負(fù)荷降低，所以系統(tǒng)的COP值增加了。這個(gè)循環(huán)雖然巧妙，但在實(shí)際應(yīng)用中難以保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。
（二）太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)
1、吸附式制冷原理和特點(diǎn)
吸附式制冷系統(tǒng)由吸附床、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥等構(gòu)成，如圖3所示：工作過(guò)程由熱解吸和冷卻吸附組成，基本循環(huán)過(guò)程是利用太陽(yáng)能或者其他熱源，使吸附劑和吸附質(zhì)形成的混合物(或絡(luò)合物)在吸附床中發(fā)生解吸，放出高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器，冷凝出來(lái)的制冷劑液體由節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器。制冷劑蒸發(fā)時(shí)吸收熱量，產(chǎn)生制冷效果，蒸發(fā)出來(lái)的制冷劑氣體進(jìn)入吸附發(fā)生器，被吸附后形成新的混合物(或絡(luò)合物)，從而完成一次吸附制冷循環(huán)過(guò)程。基本循環(huán)是一個(gè)間歇式的過(guò)程，循環(huán)周期長(zhǎng)，COP值低，一般可以用兩個(gè)吸附床實(shí)現(xiàn)交替連續(xù)制冷，通過(guò)切換集熱器的工作狀態(tài)及相應(yīng)的外部加熱冷卻狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)連續(xù)工作。
吸附式制冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一次投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)噪音、無(wú)環(huán)境污染、能有效利用低品位熱源等一系列優(yōu)點(diǎn)。與吸收式制冷系統(tǒng)相比，吸附式制冷不存在結(jié)晶問(wèn)題和分餾問(wèn)題且能用于振動(dòng)、傾顛或旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)所。
2、太陽(yáng)能吸附式制冷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展
吸附式制冷依靠固體吸附劑在白天吸收太陽(yáng)能解吸，晚上則吸附制冷。目前對(duì)吸附式制冷技術(shù)的研究主要包括以下幾個(gè)方面：（1）吸附劑—制冷劑工質(zhì)對(duì)的性能，各種循環(huán)方式的熱力性能和發(fā)生器（吸附床）性能。對(duì)吸附劑—制冷劑工質(zhì)對(duì)的性能研究已從工質(zhì)對(duì)本身特性的研究發(fā)展到放在整個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行。研究的多為沸石—水、活性炭—甲醇和氯化鈣—氨為工質(zhì)對(duì)。（2）吸附式制冷循環(huán)方式的研究有基本型、連續(xù)型、連續(xù)回?zé)嵝汀岵ㄐ秃蛯?duì)流熱波型，前三種已有樣機(jī)研制成功，后兩種尚處在理論模擬和實(shí)驗(yàn)室階段。最簡(jiǎn)單的連續(xù)型循環(huán)是采用雙床結(jié)構(gòu)，一個(gè)床吸附，同時(shí)另一個(gè)床解吸，這樣就得到了連續(xù)制冷，避免了傳統(tǒng)吸附式制冷白天解吸，夜間吸附的間歇性制冷的缺點(diǎn)。（3）吸附床的研究主要是強(qiáng)化它的傳熱，方法有采用高導(dǎo)熱性能的復(fù)合吸附劑，如沸石粉與聚苯胺復(fù)合吸附劑的導(dǎo)熱性能和吸附性能均遠(yuǎn)優(yōu)于沸石顆粒。如果將顆粒狀的吸附劑嵌入膨化的石墨板中，會(huì)得到更高的導(dǎo)熱系數(shù)。（4）由于現(xiàn)今國(guó)際上的太陽(yáng)能吸附制冷裝置大多以水或甲醇等低飽和蒸汽壓液體作為制冷劑，如何長(zhǎng)期保證系統(tǒng)較高的真空度是太陽(yáng)能吸附制冷技術(shù)走向應(yīng)用的一個(gè)難題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，劉震炎等人研制了一種新型非金屬太陽(yáng)能制冷管。其殼體采用高透過(guò)率的玻璃管，一根冷管即為一個(gè)制冷單元，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于模塊化，這些使冷管型太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性。
（三）太陽(yáng)能噴射式制冷技術(shù)
1、噴射式制冷原理和特點(diǎn)
制冷劑在換熱器中吸熱后汽化、增壓，產(chǎn)生飽和蒸汽，蒸汽進(jìn)入噴射器，經(jīng)過(guò)噴嘴高速噴出膨脹，在噴嘴附近產(chǎn)生真空，將蒸發(fā)器中的低壓蒸汽吸入噴射器，經(jīng)過(guò)噴射器出來(lái)的混合氣體進(jìn)入冷凝器放熱、凝結(jié)，然后冷凝液的一部分通過(guò)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量后汽化，這部分工質(zhì)完成的循環(huán)是制冷循環(huán)。
另一部分通過(guò)循環(huán)泵升壓后進(jìn)入換熱器，重新吸熱汽化，他們所做的循環(huán)稱為動(dòng)力循環(huán)。
噴射式制冷系統(tǒng)中循環(huán)泵是運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)設(shè)置比吸收式制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是性能系數(shù)較低。
2、太陽(yáng)能噴射式制冷研究現(xiàn)狀及發(fā)展
噴射式制冷是太陽(yáng)能經(jīng)集熱器產(chǎn)生一定壓力的蒸汽來(lái)完成噴射制冷。噴射式制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但制冷系數(shù)較低，因而Sokolov針對(duì)其COP較低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了增壓噴射循環(huán)和壓縮噴射混合循環(huán)兩種解決方案以消耗少量電能為代價(jià)，換取系統(tǒng)性能系數(shù)的大幅提高。Sokolov的工作促進(jìn)了太陽(yáng)能噴射式制冷系統(tǒng)的研究，將噴射器與其他系統(tǒng)結(jié)合使用，可以有效的改進(jìn)工藝過(guò)程、降低能耗或者在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出新的更高效的制冷系統(tǒng)。有一種新的太陽(yáng)能吸收—噴射復(fù)合制冷系統(tǒng)如圖5所示，它把吸收式制冷和噴射式制冷兩者合二為一，既保持單效吸收式制冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，又彌補(bǔ)了噴射式制冷效率低的缺點(diǎn)。它在吸收循環(huán)基礎(chǔ)上，增加氣、液噴射器，打破了吸收循環(huán)的制約關(guān)系，使發(fā)生器濃度和吸收器濃度成為兩個(gè)可以選擇的參量，在熱源溫度不變時(shí)，比單一吸收循環(huán)效率顯著提高。
三、太陽(yáng)能制冷技術(shù)的展望
與蒸汽壓縮式制冷相比，太陽(yáng)能制冷技術(shù)目前不是很成熟，但是因?yàn)槠洵h(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，決定其具有良好的發(fā)展前景。目前，制約其廣泛應(yīng)用的主要原因是成本較高。太陽(yáng)能制冷要降低成本，一方面要大力開(kāi)發(fā)高效太陽(yáng)能集熱板，提高熱力學(xué)性能；另一方面，走產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路。為此，可以與熱水器的應(yīng)用相結(jié)合(如太陽(yáng)能冰箱-熱水合機(jī))，太陽(yáng)能制冷與太陽(yáng)能熱水器結(jié)合，實(shí)行聯(lián)產(chǎn)。太陽(yáng)能熱水器的熱銷可以看出太陽(yáng)能的廣闊前景。2000年我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的年產(chǎn)量達(dá)到640萬(wàn)平方米，比1999年增長(zhǎng)率40%，太陽(yáng)能熱水器累計(jì)擁有量超過(guò)2600萬(wàn)平方米，而戶用比例只有3%，與日本的20%、以色列的80%相比，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｍ瑫r(shí)家用空調(diào)和冰箱的需求也是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，美國(guó)家庭家用空調(diào)的持有量為40%，我國(guó)還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到，尤其中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)，太陽(yáng)能資源豐富，利用方便，隨著人們生活水平的提高，對(duì)制冷空調(diào)的需求越來(lái)越多，太陽(yáng)能制冷將會(huì)大有用武之地，必定會(huì)為廣大制冷企業(yè)帶來(lái)無(wú)限的商機(jī)。
四、結(jié)論
太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)龐大，運(yùn)行復(fù)雜。吸附式制冷則停留在實(shí)驗(yàn)室階段，因此對(duì)吸收式制冷的小型化和吸附式制冷的實(shí)用化是研究的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能是取之不盡用之不竭的綠色能源，提高太陽(yáng)能的利用效率和太陽(yáng)能制冷技術(shù)的實(shí)用化是今后重點(diǎn)研究的方向。隨著綠色建筑的興起，與其相結(jié)合的太陽(yáng)能吸附式制冷、吸附—噴射式制冷、新型的噴射式制冷如熱管噴射式制冷技術(shù)必然會(huì)有迅速的發(fā)展。 |
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