浅析太阳能光伏驱动冰蓄冷田头冷库的应用与发展

浅析太阳能光伏驱动冰蓄冷田头冷库的应用与发展

陈守强

山东正阳建筑设计有限公司 山东省济宁市 272000

摘要：从冷链物流运输的角度出发，“田头冷库”是实现产地鲜活农产品从产地到消费市场，高效对接的保鲜冷链第一环节，但因传统“田头冷库”的运行电耗所占保鲜成本比例大、供配电扩容成本高，其推广应用受到局限。太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源之一，是化石能源的主要替代能源之一。太阳能光伏系统的容量范围很大，小到0.3W~2W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站；其应用形式也多种多样，使用范围涉及家用、交通、通信、空间应用等诸多领域。太阳能光伏发电被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术。近年来，太阳能制冷在太阳能辐射资源与用冷需求匹配性较高，采用太阳能驱动制冷已成为太阳能利用研究热点与重点之一。因此，研究太阳能光伏驱动冰蓄冷“田头冷库”的系统，以太阳能光伏直接变频驱动技术以替代蓄电池和逆变器，利用太阳能光伏发电代替供电电网，为“田头冷库”系统运行提供所需的电力，摆脱供电电网的限制，这对降低“田头冷库”的运行成本，实现“田头冷库”的源头保鲜功能，推进现代化农业发展具有重要的现实意义。希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发。

引言

随着生活水平的提高，人们对制冷需求量不断增加，导致耗能快速增长。夏季供冷需消耗大量能源，造成以传统化石燃料为主的能源紧缺；且传统化石能源大量使用向大气所排放的CO₂及有害颗粒物，对气候和环境造成巨大破坏，因此采用太阳能驱动制冷已成为研究热点与重点之一。随着社会进步与经济发展，人们制冷需求量不断增加，而太阳能制冷在太阳能辐射资源与用冷需求匹配性较高，采用太阳能驱动制冷已成为太阳能利用研究热点与重点之一。近年来成为太阳能利用研究的热点与重点之一，其工作方式主要有太阳能光热制冷与太阳能光伏制冷。目前，太阳能光热制冷转化效率有待提高，且系统较为复杂、操作及稳定性需要进一步改进完善，因此采用光伏组件直接将太阳能转化为高品位电能来驱动压缩机高效稳定制冷优势突显，尤其是分布式光伏技术的快速发展，户用独立光伏驱动制冷设备的研究与应用发展迅速.

1系统组成及工作原理

首先是系统组成。光伏蓄冷空调系统实验设备主要包括三部分，分别为光伏驱动部分、制冷蓄冷部分和房间用冷部分。光伏驱动部分包括光伏阵列、光伏逆控一体机；制冷蓄冷部分包括由涡旋变频压缩机、浸泡式蒸发器、冷凝器、冷凝风扇、毛细管组成的热泵机组和蓄冰桶组成；房间用冷部分包括变频循环水泵、室内风冷机组和供冷空调房间。伏空调测试系统包括使用气象生态环境监测站对气象数据进行监测，可对环境温度、太阳能瞬时辐射及累计总辐射值进行实时监测与记录；使用数据采集器对光伏空调系统各温度点数据进行采集记录；使用太阳能光电分析仪对光伏直流电压、电流、功率以及逆变后的交流电压、电流、功率、逆变效率、功率因数等数据进行采集并自动记录。其次是。其次是系统工作原理光伏空调系统由单晶硅光伏阵列将接收到的太阳能转化为直流电输出至光伏逆变控制一体机，光伏逆控一体机通过调控后端压缩机和逆控机本身的阻抗实现对单晶硅光伏阵列的最大功率点跟踪，使光伏阵列在变工况下可保持最大功率点输出，经过光伏逆控一体机的直流电被转化为380V交流电直接驱动热泵机组压缩机工作。系统工作时，低压气态的制冷剂进入压缩机，经压缩机压缩成高温高压的气体，制冷剂的沸点随压力的升高而升高；高沸点的冷媒进入风冷式冷凝器８液化，散热风扇７带动空气将冷媒放出的热量带走，制冷工质液化变成液体，液态的制冷剂进入毛细管９节流降压后到达浸泡在蓄冰桶10内的并联式蒸发器11蒸发，制冷剂蒸发吸热带走蓄冰桶内水的热量，从而使蓄冰桶的水不断降温。升温后的制冷剂重新回到压缩机，并开始进行下一轮的制冷循环。蓄冰桶内的水在蒸发器的制冷作用下不断降温，并在蒸发器表面不断结冰。随着机组持续运行，蒸发器表面冰块厚度逐渐增大，这一过程实质为冷量转化与存储的过程。在用冷阶段，打开系统供冷循环水泵12及室内换冷风机盘管，蓄冰桶内的低温水从蓄冰桶底部被循环水泵抽出，低温水到达室内换冷风机盘管13后将冷量通过冷风的形式传递给室内，以达到室内降温的目的。换冷后的水重新循环至蓄冰桶，不断将蓄冰桶内冷水及冰的冷量传递交换至室内，达到室内持续供冷的目的。

2太阳能光伏直驱制冷系统研究现状

可采用光伏+电网联合供能及光伏+蓄电池复合能源系统两种方式确保电能输出的稳定性，受限于光伏并网的技术与政策，第一种方式适合大型集中供冷系统，而户用光伏冰箱与户用空调则通常采用蓄电池维持电能稳定。因此，市面上85%以上的光伏制冷系统采用光伏+蓄电池复合供能模式，即在Boost升压电路后接上蓄电池用于稳定直流母线电压。但蓄电池的寿命及环保问题是光伏制冷系统规模化与产业化应用的瓶颈。因为蓄电池使用寿命只有3~5年，在光伏制冷系统15-20年的生命周期内需要更换蓄电池3~5次，且蓄电池价格较高，因此在整个系统的投资运行成本中，蓄电池的成本占比较大。如果不采用碳排放方法计算，系统不具有经济性能。基于环保优先与经济可行，2007年希腊的PetrosJ.Axaopoulos等率先尝试摒弃蓄电池、控制器和逆变器，直接采用光伏组件驱动直流变速制冰机，采用新型控制器控制四个直流变频压缩机并联工作。采用复合压缩机系统可大大降低压缩机启动的功率，降低压缩机的辐照度阈值下限。采用具有最大功率点控制策略的控制器，提高了系统效率，光伏组件实际转化效率为9.2%，。压缩机的太阳能辐照度阂值下限由至少400W/m

²下降到150W/m。采用峰值功率为440Wp的直流变频压缩机运行后，单天最大制冰量为17kg。

3太阳能光伏制冷应用前景

太阳能光伏制冷应用前景主要是：随着光伏光电转换效率的提高及光伏成本的下降，分布式光伏能源系统的利用将逐步增加，且在国家与电网鼓励分布式光伏能源产生的电能就地消纳的环境下，未来分布式光伏能源在光伏能源结构中占比较大。因此，采用分布式光伏能源驱动的价格低廉、技术成熟的冰蓄冷替代蓄电池储能的“田头冷库”在经济性、便利性以及环保性等方面，与市电驱动的“田头冷库”相比具有一定的竞争优势。此外，分布式光伏能源驱动冰蓄冷冷库系统在供冷需求量较大、人烟稀少且无电网的热带偏远地区具有非常好的利用价值。因此，采用分布式太阳能光伏能源驱动制冷机组供冷具有较好的应用，且制冷系统中采用冰蓄冷替代蓄电池储能可带来较好的经济效益。

结语

总之，获得制冷效率高且价格低廉，具有即开即用特性的全天候持续高效稳定运行的光伏制冷系统，实现太阳能的最大化利用，确保分布式光伏能源直接驱动的制冰蓄冷系统全天候持续高效运行，具备更高的经济效益。为今后分布式能源驱动冰蓄冷“田头冷库”规模化应用提供科学机理及合理的技术支撑。

参考文献

［1］吕光昭。独立光伏空调系统的研究［D］。上海：上海交通大学，2012。

［2］吴俊伟。太阳能光热与光伏制冷系统对比分析［J］。制冷技术，2016，36（3）：43－48。

［3］王瑞，李明，王云峰，等。分布式光伏直驱制冰系统的实验研究［J］。云南师范大学学报：自然科学版，2018（1）：7－11。