微型太陽能發電制冷系統性能

陳雷，戴傳山，胡金杰，雷海燕

（天津大學機械工程學院，中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

研究開發

微型太陽能發電制冷系統性能

陳雷，戴傳山，胡金杰，雷海燕

（天津大學機械工程學院，中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

將太陽能發電與制冷系統結合起來的一個明顯優勢是電能的取得和冷量需求在季節和數量上高度匹配，然而微小制冷系統的性能參數和穩定性也極易受環境參數變化的影響。本文提出了一種基于太陽能光伏發電與蓄電池相結合的微型制冷系統實驗模型，并對微型太陽能發電制冷系統進行實驗分析。結果顯示，系統一天連續運轉10h，在晴間多云天氣下光伏輸出1.48kW·h電能，其中86%供給壓縮機，7%存入蓄電池，7%被控制器消耗；在多云轉陰天氣下，光伏輸出的1.02kW·h電能只占系統總消耗的73%，余下的27%能量由蓄電池提供。在蓄電池單獨測試條件下，系統在連續3天內分別運行了7h、12h和4h，蓄電池輸出了3.11kW·h電能，其中的93%供給壓縮機，余下7%被控制器消耗。另外結合實際情況分析了不同的冷量需求與系統的匹配關系，為以后微型太陽能發電制冷系統的應用提供了實驗依據。

光伏發電；微小制冷系統；設計；太陽能；再生能源

目前，用于特殊環境下的個人冷卻和電子設備冷卻的微型蒸汽壓縮式制冷系統有著廣闊的應用前景，Aspen Thermal已研制出一種基于高效蒸汽壓縮式制冷的個人冷卻系統。該系統采用制冷劑R134a，在38℃環境下可以產生300W制冷量，由蓄電池驅動，能夠連續運行 3h［1］。王東芳等［2］搭建了微型制冷系統性能測試試驗臺，通過進行測試分析得出系統運行的最佳制冷劑充注量和運行工況。

將太陽能發電與制冷系統結合起來，一個明顯優勢是電能取得和冷量需求在季節和數量上高度匹配。目前國內外關于獨立太陽能驅動蒸汽壓縮式制冷系統的研究基本以冰箱或冷柜為太陽能光伏壓縮式制冷系統的負載，陳觀生［3］、曹娟華［4］和楊雙［5］等對系統的技術及經濟可行性進行了分析，得出光伏制冷相對常規制冷具有明顯優勢。KATTAKAYAM等分別從光伏效率［6］、制冷機性能［7］、蓄電池在不同充電方式與不同負載情況下的匹配情況［8］多方面做了較為詳細的分析。TOURE等［9］針對光伏制冷冰箱進行了測試，在光伏峰值功率300W、蓄電池容量150A·h、蒸發器略低于5℃的情況下，系統COP值在1.63左右，?效率為17%，蓄冷單獨運行可維持3天左右。劉群生等［10］對帶蓄電池的光伏直流冰箱測試表明，冷凍室最低溫度可達-16℃，該冰箱在25℃環境溫度下運轉率為48%。在完全無日照的情況下，系統可以連續運行4天。對不帶蓄電池的系統運行性能研究較少［11］，美國的SOLUS制冷公司研制出了用光伏電池驅動的直流變速蓄冷冰箱，不用蓄電池和逆變器，制冷劑為R134a，容積為105L，名義工作電壓為12V，實驗證明當冰箱工作環境的平均溫度為32℃時，冰箱仍能很好的工作在 1.4℃左右，在沒有太陽能輸入、冰箱工作環境溫度為29℃時，冰箱內溫度至少可保持7天［12］。

系統設備的微型化在理論和技術上卻面臨很多挑戰［13］，如微型壓縮機的研發、高效微型換熱器的研制、系統整體設計等問題。JEONG［14］分析了發展微型制冷系統的困難，指出隨著尺度減小，系統的熵增是主要障礙之一，應致力于減少內部熱泄露。在系統設計方面，楊宇飛等［15］對無蓄電池的微型太陽能發電制冷系統進行了數值模擬，但缺少相關的實驗研究。本文提出了一種基于太陽能光伏發電的微型制冷系統實驗模型，并對微型太陽能發電制冷系統進行實驗研究，得出了不同情況下系統的工作性能，并計算出了對應情況下系統的能量消耗；得出了不同情況下冷量需求與系統的匹配關系，為將來微型太陽能發電制冷系統的應用提供了實驗依據。

1　系統的組成及原理

實驗裝置主要由光伏電池、控制器、蓄電池及微型蒸汽壓縮式制冷系統等組成，微型蒸汽壓縮式制冷系統主要包括美國Aspen微型轉子式壓縮機、螺旋管式蒸發器、微通道平行流式風冷冷凝器及毛細管。為了滿足微型制冷系統電壓及功率的要求，考慮到實際的商業化產品性能參數，實驗系統制冷劑采用R134a；微型壓縮機額定電壓24V、額定功率120W；2塊250W光伏電池并聯；2塊工作電壓為12V，額定容量為200A·h的免維護膠體蓄電池串聯，其充放電效率參考出廠說明書為95%；型號為LS2024、額定電壓為24V的控制器。

實驗原理為利用光伏電池將太陽能轉換為直流電，通過控制器存入蓄電池中，蓄電池經過控制器為直流變頻壓縮機提供能量，從而達到系統制冷目的。當光伏電池提供的電能滿足微制冷系統運行時，富裕的電量存儲到蓄電池中；當光伏電池不能滿足系統運行功率時，蓄電池提供不足部分的電能，在夜間或陰雨天則提供全部的電能。控制器采用串聯型脈寬調制（PWM）式技術，用自動變換占空比的脈沖電流對蓄電池進行充電，如此脈動充電可使蓄電池更為安全和快速的充滿電量，斷開期使蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使濃差極化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池內壓，使其可吸收更多電量。脈沖充電方式使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池對充電電流的接受率。在該實驗中，由控制器輸出的電流電壓并沒有受到光伏輸出參數的明顯影響，較為穩定，這在很大程度上保證了系統整體運行的效率。

微型太陽能發電制冷系統實驗裝置如圖 1所示，實驗條件為天津市南開區8月份天氣情況，電池板安裝傾角為45°。圖中光伏電池電壓和電流信號、蓄電池電壓信號及微制冷部分的壓力及溫度信號通過Agilent34980A多功能數據采集系統實時記錄，儀器示值誤差為0.2%，T形熱電偶精度為0.5℃，壓力傳感器的量程為0～2.0MPa，產品精度為0.1%FS。PROVA WM-01功率分析儀對微型壓縮機的輸入功率進行數據記錄，其功率測量范圍為0～200W，精度為0.1W；電壓測量范圍為0～200V，精度為0.1V；電流測量范圍為0～20A，精度為0.01A。循環水的流量測量通過AR精密電子天平實時間接測量，其最大量程為520g，精度為0.01g。Julabo恒溫水浴工作溫度范圍為-35～200℃，溫度穩定性為±0.01℃，分辨率為0.1℃。

圖1　微型太陽能發電制冷系統實驗裝置示意圖

2　實驗分析

2.1 制冷系統單獨運行

該階段實驗目的在于通過對制冷系統的測試確定系統的最佳制冷劑充注量與系統運行工況。采用控制變量法，室溫保持一定范圍的情況下，通過電位器驅動板調節壓縮機轉速，在不同制冷劑充注量、循環水流量的情況下，經計算各組對比實驗的系統制冷量與COP得出該系統在有過熱和過冷、充注制冷劑約 110g、壓縮機轉速 6500r/min、平均風速4.5m/s、循環水流量27.039g/s條件下可獲得最佳性能，考慮盡可能減少與室內環境熱交換損失，循環水進口溫度約為30℃。在該運行參數下COP可達2.55，制冷量可略高于300W。

系統制冷量為循環水進出蒸發器所放出的熱量，微型壓縮機和風機靠直流電源提供電能，輸入功率為壓縮機與風機功率之和，COP為制冷量與該值之比。與光伏結合的制冷系統總效率則定義為制冷量與太陽能輻射的比值，其中包含了蓄電池充放電效率、控制器能量轉換效率等其他效率。圖2給出了COP隨環境溫度的變化關系。

依圖2可得環境溫度在28.5～31.0℃之間變化時，該實驗系統COP在2.07～2.55之間變化。

2.2 與光伏相結合的制冷系統的運行

以天津地區2014年8月份天氣為基礎，根據晴間多云、多云轉陰及蓄電池單獨測試3類分析太陽輻射強度、環境溫度及電壓、電流、電功等參數變化。

2.2.1 晴間多云條件

晴天測試日期為 8月 21日，測試時間段為8：00～18：00，當天基本處于晴朗狀態，但上午多有云層飄過。太陽能輻照強度、光伏電池電壓及蓄電池電壓的變化如圖3所示。由圖3可得，蓄電池電壓相對其他參數變化較為平穩，在26V左右波動。

圖4為光伏電池輸出功率、壓縮機輸入功率及制冷量的變化情況。結合圖3可得，光伏電池輸出功率與輸出電壓變化規律相似；壓縮機輸入功率穩定在130W左右；系統制冷量維持在320W附近波動。在上午8：00～8：54以及下午16：24～18：00這兩段時間，光伏電池功率小于壓縮機功率，由蓄電池通過控制器為壓縮機提供不足的能量。盡管電壓高低并不能代表鉛酸蓄電池內容量的多少，但結合兩時段內蓄電池電壓整體呈現下降的變化趨勢仍能看出蓄電池處于放電狀態。由于有蓄電池作為補充能源，系統在這兩時段仍能為負載提供穩定的功率，因此保證了較穩定的冷量輸出。

圖2　制冷性能系數COP隨室內環境溫度的變化

圖3　天津地區2014年8月21日太陽輻射強度、光伏電池電壓及蓄電池電壓的變化情況

圖4　光伏電池輸出功率、壓縮機輸入功率及制冷量的變化情況

圖5為室內環境溫度、蒸發器兩側的平均溫度及制冷系數的變化情況。蒸發溫度約為15℃，運行工況采用制冷系統單獨運行時的參數，制冷劑充注量、壓縮機轉速、循環水流速保持一致。易看出制冷系統運行工況很穩定，該天氣下COP在2.5左右波動，并沒有明顯受到光伏電池輸出功率變化。

圖5　室內環境溫度、蒸發器兩側的平均溫度及制冷系數的變化情況

系統經過10h運行，蓄電池電壓由25.3V增長到25.6V，說明系統長時間運行，蓄電池存儲了部分電量。對該天氣下系統能耗進行計算，得出結果列于表1。

表1　晴間多云天氣條件下系統能耗統計

圖6　天津地區2014年8月22日太陽輻射強度、光伏電池電壓及蓄電池電壓的變化情況

2.2.2 多云轉陰條件

該條件測試日期為8月22日，時間為8：15～18：15，太陽能輻照強度、光伏電池電壓及蓄電池電壓的變化情況變化如圖 6。與晴天相比，該天氣更好地表現出太陽輻射隨機波動的特性。該條件下光伏電池電壓變化較大，蓄電池電壓仍相對平穩，峰值出現時刻為 13：27，并未表現出與太陽能輻照強度峰值和光伏電池電壓峰值的一致性。

圖7為光伏電池輸出功率、壓縮機輸入功率及制冷量隨時間的變化關系。該天氣下光伏電池板輸出功率與輸出電壓變化規律基本一致；壓縮機輸入功率在130W附近波動；制冷量相對晴天制冷量略小。與晴天類似，結合圖6電壓可知，當輸入光伏電池功率小于壓縮機功率時（如上午8：15～9：42、中午11：54～13：00和下午13：57～18：15），蓄電池電壓表現出下降趨勢；而當輸入功率大于壓縮機功率時，蓄電池電壓又呈現上升趨勢。蓄電池的充放電對系統總能量充分起到了削峰填谷的作用。

圖8為室內環境溫度、蒸發器兩側平均溫度及制冷系數的變化情況。與晴天條件下相似，該天氣下制冷系統運行工況穩定。蒸發器兩側工質平均溫度波動小，制冷劑蒸發溫度在15.5℃左右。制冷劑充注量為 110g，壓縮機轉速依然為 6500r/min，循環水流量保持在27g/s左右。COP則相對較小，主要原因為室內環境溫度略高于晴天對應值。

圖7　光伏電池輸出功率、壓縮機輸入功率及制冷量的變化情況

系統經過10h運行，蓄電池電壓從26.5V降到24.9V，說明蓄電池釋放了部分電量。對該天氣下系統能耗進行計算，得出結果列于表2。

2.2.3 蓄電池單獨測試條件

為了研究系統在連續陰雨天情況下能夠維持負載工作多長時間的問題，設置初始狀態蓄電池為滿電量，考慮到系統工作連續性，實驗選擇在連續 3天內進行。

圖9為2014年8月16日、17日和18日蓄電池工作時電壓變化曲線，可以看出放電壓降呈階梯型且壓降越來越快。最后電壓不能再降，因為此時壓縮機輸入電壓為 21.9V，實驗發現壓縮機輸入電壓低于21.9V會導致其無法正常工作。

表2　多云轉陰天氣條件下系統能耗統計

圖9　蓄電池電壓的變化情況

圖10與圖11給出系統運行時的相關參數。系統仍按照制冷劑充注量110g、壓縮機轉速6500r/min等調試最佳工況參數運行。由圖10可知，制冷量約為 320W，壓縮機輸入功率整體保持穩定并隨時間逐漸下降，由最初130W到最后不足120W，說明蓄電池通過控制器提供給壓縮機功率逐漸減小。由圖11可知，當環境溫度變化時，制冷劑蒸發溫度大致呈現一致的變化趨勢。制冷量主要受環境溫度影響，溫度高時制冷量小，溫度低時則相反。COP在2.5左右，其中第一天開始階段有一定波動，主要是受到制冷量波動的影響。

圖10　壓縮機輸入功率及制冷量的變化情況

圖11　室內環境溫度、蒸發器兩側平均溫度及制冷系數的變化情況

系統經過3天運行測試，在外界環境為28.7～33.9℃情況下，蓄電池能維持負載工作約23h。對該測試條件下的系統能耗進行計算，得出結果列于表3。

表3　蓄電池單獨測試條件下系統能耗統計

3　結果與討論

針對晴間多云、多云轉陰以及蓄電池單獨測試3種條件分別進行了實驗，從運行測試及分析可以得出如下結果。

考慮系統本身較小，線路較短，因此忽略電路及其他損耗，該系統連續運行 10h，晴間多云條件下，光電轉換效率約為7.5%，平均COP為2.47，系統總效率為0.16，光伏電池輸出1.48kW·h電能，其中 86%供給壓縮機，7%存到蓄電池，7%被控制器消耗；多云轉陰條件下，光電轉換效率約為8.0%，平均COP為2.39，系統總效率為0.25，光伏電池輸出1.02kW·h電能，為系統提供73%的能量，余下27%由蓄電池供給壓縮機和控制器。蓄電池單獨測試條件下，平均COP為2.56，3天中系統運行23h，蓄電池輸出3.11kW·h電能，其中約有93%供給壓縮機，余下7%被控制器消耗。

需要說明的是，系統運行時天氣條件不盡相同，該實驗中晴天條件并不理想，多有云層飄過，因而光伏電池輸出電量受到一定影響。此外，在前兩組實驗中，制冷系統運行10h，針對不同用戶制冷需求不同，例如轎車司機與公路收費站員工等人員需要制冷系統運行時間為8h或者更少，因此本實驗系統運行方案按照盡可能大的制冷需求進行試驗。若按每天8h制冷，壓縮機功率與本實驗相同來近似分析，則計算過程如下。

晴間多云天氣條件下負載輸入為

同樣太陽輻射條件下，該系統存入蓄電池電量值為

而在多云轉陰天氣條件下負載輸入為

同樣的太陽輻射條件下，此時蓄電池存入電量值為

即該條件下蓄電池釋放0.12kW·h電量。

由此，將按照8h制冷設計的系統能耗情況列于表4。

表4　兩種天氣條件下制冷8h系統能耗統計

在光伏電池運行10h、制冷系統運行8h情況下，負載消耗在兩種天氣下分別減少0.25kW·h和0.26kW·h，其中晴間多云天氣下存入蓄電池的電能相對10h運行制冷系統增多250%；而多云轉陰天氣條件下系統蓄電池消耗電能相對10h運行制冷系統的情況下減少68%。相對本實驗制冷運行10h而言，系統經過8h連續制冷，消耗了更少能量，故能將更多能量存入蓄電池，增強了夜間或者連續陰雨天氣時持續供電能力。

4　結　論

該文通過對基于太陽能光伏發電的微型制冷系統在不同實驗條件下的測試及分析，得出如下結論。

（1）晴間多云條件下該制冷系統連續運行10h，并能將多余電能存入蓄電池以供備用。

（2）多云轉陰條件下該系統總效率較晴轉多云天氣下效率略高，光伏為系統提供了73%的能量，余下部分由蓄電池為系統提供。

（3）蓄電池單獨測試該系統共計運行23h，按照制冷系統每天正常運轉8h來計算，蓄電池可以維持系統運行大約3天時間。

（4）參考實際情況，計算了光伏電池運行10h，制冷系統運行8h方案下的系統能量消耗，該系統能將更多能量存到蓄電池，增強了在夜間和連續陰雨天氣下的供電能力。

（5）對于該實驗制冷系統本身，不足之處為制冷劑平均蒸發溫度在15℃左右，然而此溫度可以更低一些，如調節運行參數使之達到 5℃可能對用戶更具吸引力，因為較大溫差下蒸發器兩側換熱效果會更加理想，也更加適宜實際應用。

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An experimental study on the performance of a miniature solar refrigeration system

CHEN Lei，DAI Chuanshan，HU Jinjie，LEI Haiyan
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Ministry of Education of China，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

An obvious advantage by combining the uses of solar power generation and refrigeration systems is that the electric power available and the cooling demand can be highly matched in season and quantity.However，the performance and stability of a miniature refrigeration system are also easily affected by the change of environmental parameters.An experimental model of a miniature solar refrigeration system（MSRS）based on the combination of photovoltaic and battery was proposed.The experimental analysis of MSRS was carried out.The results operated continuously for 10 hours under a fine and cloudy day showed that the output of photovoltaic cells is 1.48kW·h power，of which 86% is supplied to the compressor，7% is stored to the battery，7% is consumed by the controller，however，while under a cloudy day，the photovoltaic cell outputs is 1.02kW·h power，which provides 73% of the energy for the system，the remaining 27% is provided by the battery.Under the condition using battery alone，the system has been running for 7，12 and 4 hours respectively within three days，the battery outputs 3.11kW·h power，about 93% of which is supplied to the compressor，the remaining 7% is consumed by the controller.The matching relationship between cooling capacity requirement with power available for the present system was analyzed，which provided the experimental basis forthe application of MSRS in the future.

PV generation；miniature refrigeration system；design；solar energy；renewable energy

TB 65；TK 511

A

1000-6613（2016）09-2752-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.017

2016-01-27；修改稿日期：2016-02-29。

陳雷（1991—），男，碩士研究生，主要從事太陽能微型制冷相關研究。聯系人：戴傳山，教授，主要從事微尺度強化傳熱、多相流等相關研究。E-mail csdai@tju.edu.cn。