我国建筑光伏制冷技术概述

我国建筑光伏制冷技术概述

李腾昌     

海信容声（广东）冰箱有限公司

摘要：随着温室效应的日益加重，每年夏季，我国消耗大量能源用于制冷，当前空调使用的耗电量占建筑能耗的50％。所以降低建筑中的空调能耗将有效缓解建筑耗能的增长，促进国家的节能减排和低碳发展。相比于传统的蒸汽压缩式制冷，太阳能制冷能有效缓解空调的能耗。太阳能制冷可通过太阳能光电转换制冷和太阳能光热转换制冷两种途径实现。现有的太阳能制冷方案中，太阳能溴化锂吸收式制冷是应用最为广泛的一种。太阳能光电转化制冷是将太阳能转换成电能，再利用电能驱动蒸汽压缩式冷水机来制冷。

关键词：太阳能光伏；光伏制冷；建筑光伏

Overview of building photovoltaic refrigeration technology of our country

Abstract: Along with the growing greenhouse effect, every summer, our country consumes a lot of energy for refrigeration, the current air conditioning use electricity consumption accounts for 50% of building energy consumption. Therefore, reducing the energy consumption of air conditioning in buildings will effectively alleviate the growth of building energy consumption and promote the country's energy conservation, emission reduction and low-carbon development. Compared with traditional steam compression refrigeration, solar refrigeration can effectively reduce the energy consumption of air conditioning. Solar refrigeration can be realized by solar photovoltaic conversion refrigeration and solar photovoltaic thermal conversion refrigeration. Among the existing solar refrigeration schemes, solar lithium bromide absorption refrigeration is the most widely used one. Solar photovoltaic refrigeration is to convert solar energy into electric energy, and then the electric energy to drive the steam compression chiller for refrigeration.

Key words: solar photovoltaic; Photovoltaic refrigeration; Building photovoltaic

引言

每年夏季，全球消耗大量的能源用于制冷。为了减少制冷对常规不可再生能源的消耗，太阳能制冷技术受到日益重视。太阳能制冷可通过2种途径实现，即太阳能光热转换制冷和太阳能光电转换制冷。太阳能光热转换制冷技术最成熟、应用最多的是太阳能吸收式制冷，即利用太阳能集热器将太阳能转换成热能，再利用热能驱动吸收式冷水机来制冷。太阳能光电转换制冷主要是太阳能光伏制冷，一般利用太阳电池将太阳能转换成电能，再利用电能来驱动传统的蒸汽压缩式冷水机来制冷。

1建筑光伏制冷

建筑光伏制冷系统主要有３个部分组成：光伏发电部分、微电网调控部分和制冷设备机组部分，其系统融合在建筑微电网体系的供给端、电能管理和用户端的３部分之中。光伏发电部分是系统的能量来源，随着光伏面板技术的发展，光电转化效率不断提高，已大规模商用的多种光伏面板能够提供１０％～２０％的光电转化效率，正在由研发逐步应用量产的聚光光伏技术的光电转化效率可达３０％左右。而目前城市高层、超高层公共建筑的屋面，对于分布式光伏利用具有优势：屋面面积较大面板布置数量有保证，建筑高度也使光伏组件几乎不会受到遮挡，且布置太阳能设备还可以有效减少顶层的屋面夏季冷负荷。微电网调控部分决定了光伏电能的使用方式，对光伏电能进行调控、并网和蓄能。分布式能源微电网是提高可再生能源利用的解决方案之一，是节能减排、提高供电可靠性的有效途径，也是大电网的强有力补充。但其并网对电网的规划、运行、控制和质量都有明显影响，输送能力也存在限制，微电网调控是保护电网安全和光伏电能高效利用的不可或缺的一环。诸如使用蓄能设备提高微电网的稳定性、可靠高效的多逆变器控制策略等，微电网技术在控制端已取得许多研究进展。而对于建筑光伏来讲，在用能端结合建筑空调负荷，依托建筑运行本身的用能需要，对建筑能源使用进行统一分级调配管理，可实现建筑光伏的就近消纳，有效降低弃光率、提高能源利用效率，降低并网调节管理成本、提高建筑光伏微电网的经济效益。

2我国建筑光伏制冷技术概述

2.1闭式循环吸附设备

在1973年能源危机之前，使用溴化锂水溶液和氨水溶液的热驱动制冷设备（直接燃烧或使用热水或蒸气）已在市场上出售。溴化锂水溶液中，水是制冷剂，溴化锂水溶液是吸附剂，而在氨水溶液中，氨是制冷剂，氨水溶液是吸附剂。它们的工作原理是将制冷剂从蒸发器吸收到吸收器中。低功率泵将制冷剂和吸附剂混合物送到高压容器中（发生器）。此过程中，热量使一些制冷剂气化并从混合物中分离出来，使得吸附剂混合物再生并返回到吸收器中，从而完成吸附剂的循环。来自发生器的制冷剂蒸气在有环境空气或冷却塔的热交换器中冷凝，变为液态后返回蒸发器，从而完成制冷剂循环。吸收器-泵-发生器的组合作为热驱动压缩机，使低压制冷剂蒸气最终在发生器的较高压力下被解吸。在该过程中，冷凝器必须像传统的制冷设备一样被冷却，还应该对吸收器进行冷却，因为吸收过程是放热的，并且产生的热量略高于吸收的制冷剂的汽化热。吸附过程也用于热驱动冷却设备中。吸附剂（沸石、硅胶、活性炭或氧化铝）可以吸收和保留来自蒸发器的制冷剂。当吸附剂饱和时，吸附过程终止，然后必须通过加热使其再生。蒸气也可以采用上述方法在较高压力下通过蒸发器冷凝解吸。与间歇设备相反，在连续运行时，至少需要两个吸附剂床。所有热驱动设备的性能由COP表示，为制冷量和供给发生器热量的比值（泵的功耗通常忽略，因为它通常只占供给发生器的能量的一小部分）。COP的值取决于设备、供给发生器热量的温度、吸收器和冷凝器的温度和冷凝水的温度。太阳能制冷设备通常产生7~10℃的冷冻水，适用于使用风机盘管的建筑物。也可以在较高温度（如12℃或15℃）下产生冷冻水，这不仅能提高COP，也提高了吸附式制冷机的制冷量，不过会使空气除湿变得困难。对于空调设备，溴化锂水溶液和吸附设备应该用冷却塔冷却：空气冷却可能无法使设备在高于35℃的外部温度下运行。溴化锂水溶液制冷机需要85~90℃的发生器温度，COP约为0.8，吸附式冷水机即使在70℃也能运行，COP较低，为0.4。溴化锂冷水机在较高温度产生的冷凝热可用于进一步解吸混合溶液，COP可以达到1.2，但是供给高压发生器的热量必须在160℃左右。

2.2太阳能吸收式制冷系统

应用太阳能吸收式制冷系统时，国内多采用真空管集热器与单效溴化锂吸收式冷水机的组合。在真空管集热器中，全玻璃真空管集热器虽便宜，但承压性不好，易损坏，热管式真空管集热器是更合适的选择。故本文所分析的太阳能吸收式制冷系统，结构为：单效溴化锂吸收式冷水机与热管式真空管集热器通过水箱部分相连接。水箱部分包括一个运行水箱与多个蓄热水箱，运行水箱的容积远小于各蓄热水箱的总容积，且运行水箱带有辅助加热设备。由于单效溴化锂机组需求的热水温度在100℃以下，故水箱选择非承压水箱。太阳能吸收式制冷系统的运行方式为：当集热器的集热量除满足冷水机的需求外还有剩余时，集热器产生的热量经由运行水箱供给冷水机，剩余部分储存在蓄热部分中；当集热器的集热速率满足不了冷水机的需求时，若蓄热部分中存在水温高于某一下限温度的水箱，则由这一蓄热水箱为冷水机供能，否则需要开启辅助加热设备对运行水箱进行辅助加热并给冷水机供能。

2.3光伏（PV）电池板

目前，光伏模块主要是基于单晶或多晶硅电池。在较为小众市场中出现了所谓的“第二代”和“第三代”电池板，使用了先进的薄膜（主要是非晶硅）技术，如CIS（硒化铜铟）或CdTe（碲化镉），这些电池板在不久的将来具有广泛应用的潜力。光伏模块是由各种光伏电池串联而成。它的效率定义为同一时间内产生的电能与接收的太阳辐射能量的比值，从而可以计算瞬时、日、月甚至长期的效率。在标准条件下（太阳辐射强度为1,000W/m2，电池温度为25℃），光伏模块的效率在13%~17%之间。必须限定电池温度，因为较高的温度会对效率产生负面影响，尤其是硅电池，其在炎热晴天时效率会下降。

结语

为便于比较，在计算光伏制冷的年成本时，只计算光伏系统在制冷期间的发电量。从计算结果看出，在计入国家光伏补贴时，同一地区两种制冷方式年等额支付总成本的差异不大。但是成都每年的制冷期为4个月，其余时间无需制冷，但光伏发电系统仍可发电，售给电网。因此，光伏制冷的经济性不仅好于传统压缩式制冷，且会产生一定的经济收益。

参考文献

[1]冯志勇.太阳能单效溴化锂吸收式制冷空调技术研究现状[J].教育现代化,2016,6(14):150-154.

[2]方凯乐,强天伟,易永梅.太阳能制冷与露点蒸发冷却耦合的空调系统[J].西安工程大学学报,2020,32(2):52-59.