劉春喜樂(lè) 曾凱忻 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院, 徐州

Liu Chunxile Zeng Kaixin College of Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, China

太陽(yáng)能吸附制冷技術(shù)進(jìn)展綜述

劉春喜樂(lè) 曾凱忻 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院, 徐州

Liu Chunxile Zeng Kaixin College of Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, China

新能源與節(jié)能技術(shù)的廣泛運(yùn)用已經(jīng)成為了主流的研究方向,本文介紹了太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)，并對(duì)太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)的研究進(jìn)展和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

太陽(yáng)能;吸附式制冷;制冷原理;

solar energy;adsorption refrigeration;refrigeration principle;development

引言

自從上個(gè)世紀(jì)七十年代的能源危機(jī)以來(lái)，世界各國(guó)逐步將目光由常規(guī)能源轉(zhuǎn)向新能源和可再生能源的領(lǐng)域，意識(shí)到常規(guī)能源利用過(guò)程中對(duì)地球生態(tài)的破壞，加之隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的深入人心，因此作為一種用之不竭，取之不盡的可再生能源—太陽(yáng)能，利用與開(kāi)發(fā)重要意義不容置疑。

我國(guó)的太陽(yáng)能資源豐富，我國(guó)三分之二以上的國(guó)土處于太陽(yáng)能資源豐富區(qū)，因此太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用的前景十分的廣闊[1]。

在利用太陽(yáng)能方面，有很多已經(jīng)普遍推廣的技術(shù)，像現(xiàn)在熟知的太陽(yáng)能熱水器技術(shù)、光伏電池技術(shù)等等。在制冷領(lǐng)域太陽(yáng)能的利用也備受關(guān)注，其中研究的一個(gè)重點(diǎn)及方向就是太陽(yáng)能吸附式制冷。目前，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能制冷一般通過(guò)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換“以熱制冷”的方式，主要有吸收式制冷、蒸汽噴射式和吸附式制冷等，太陽(yáng)能除借助以集熱器取得能源外，還利用太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電能進(jìn)行制冷。本文在分析吸附制冷基本原理的基礎(chǔ)上分析該技術(shù)的發(fā)展前景與技術(shù)特點(diǎn)。

1 太陽(yáng)能吸附式制冷原理

太陽(yáng)能吸附式制冷實(shí)際上是通過(guò)物質(zhì)的物態(tài)變化來(lái)達(dá)到制冷的目的，以太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源實(shí)現(xiàn)制冷。具有許多微孔結(jié)構(gòu)的固體物質(zhì)能以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)能源在較低溫度時(shí)吸附氣體，在較高溫度時(shí)解吸氣體，太陽(yáng)能吸附式制冷就是利用這種吸附原理。 基本的太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)主要由吸附床(集熱器)、冷凝器、蒸發(fā)器和閥門(mén)等結(jié)構(gòu)組成，如下簡(jiǎn)圖所示。括受熱解析和吸附制冷兩個(gè)過(guò)程。受熱解析過(guò)程：吸附床內(nèi)充滿吸附劑，太陽(yáng)能集熱器對(duì)吸附床加熱，當(dāng)吸附介質(zhì)蒸汽的壓力達(dá)到冷凝壓力時(shí)，制冷劑獲得能量克服吸附劑的吸引力從吸附劑表面脫附，制冷劑開(kāi)始液化冷凝，最終制冷劑凝結(jié)在蒸發(fā)器中，受熱解析過(guò)程結(jié)束。反之，當(dāng)冷卻系統(tǒng)對(duì)吸附床進(jìn)行冷卻，吸附制冷過(guò)程開(kāi)始。

太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)的原理主要包

2 太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)的特點(diǎn)

太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)作為太陽(yáng)能制冷技術(shù)的一個(gè)重要分支研究方向，與常規(guī)制冷技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用的工質(zhì)不含氟利昂, 硅膠、活性炭、甲醇、溴化鋰等均無(wú)毒無(wú)害, 吸附式制冷不需氯氟氫類物質(zhì)(CFCS), 極大地減少了對(duì)大氣層的破壞，減輕了日益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力；（2）制冷設(shè)備的能源是由太陽(yáng)能提供的，不消耗電能等常規(guī)能源, 采用的是綠色無(wú)污染的、取之不竭的太陽(yáng)能，因此能源成本幾乎可以不計(jì), 非常節(jié)能；（3）相比于普通制冷設(shè)備，太陽(yáng)能制冷設(shè)備無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行十分安靜，不會(huì)產(chǎn)生噪音。（4）系統(tǒng)在接近真空的狀態(tài)下運(yùn)行, 無(wú)高壓爆炸等危險(xiǎn), 安全可靠。（5）可以根據(jù)不同的工作環(huán)境，采用相應(yīng)的吸附劑制冷劑組合。例如：當(dāng)采用活性炭－甲醇工質(zhì)時(shí)，可利用低溫工業(yè)廢熱。（6）相比于吸收式和壓縮式制冷系統(tǒng)，吸附式制冷系統(tǒng)功率相對(duì)較小。（7）采用太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)的冷藏室和空調(diào)系統(tǒng)，費(fèi)用相對(duì)低廉，不存在普通制冷系統(tǒng)中出現(xiàn)的制冷劑污染、腐蝕問(wèn)題。

3 太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)的研究發(fā)展

吸附制冷工作原理最早是由Faraday提出的,而后在20世紀(jì)20年代才真正開(kāi)始了吸附制冷的相關(guān)研究, 但是由于效率相對(duì)較低，功率較小，初期投入資本較大，并沒(méi)有得到相應(yīng)的重視。進(jìn)入20世紀(jì)90年代, 不使用氟氯烴作為制冷劑的環(huán)保型制冷技術(shù)引起了科學(xué)界人士的廣泛興趣,從而使得吸附制冷技術(shù)的研究得以快速地發(fā)展起來(lái)。而我國(guó)的太陽(yáng)能吸附制冷技術(shù)開(kāi)始于七十年代末、八十年代初其主攻的目標(biāo)制冷工質(zhì)采用氯化鈣—液氨，1990年1月21日，國(guó)內(nèi)首臺(tái)利用鍋爐蒸汽為能源的吸附式蒸汽箱問(wèn)世，并通過(guò)機(jī)電部的鑒定,從此中國(guó)開(kāi)創(chuàng)了利用不污染環(huán)境的制冷工質(zhì)替代氟利昂的綠色技術(shù)，并開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室逐漸走向工業(yè)化階段。[2]

目前,太陽(yáng)能吸附式制冷的研究在理論上已取得了許多滿意的成就,如:循環(huán)工況對(duì)循環(huán)特性的影響 ,吸附床的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)循環(huán)特性的影響 ,吸附式制冷循環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行等等。

4 太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)的未來(lái)研究方向

目前太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)的存在一些缺陷，例如：吸附式的基本循環(huán)不能連續(xù)制冷，受熱解析和吸附制冷過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，吸附集熱器傳熱不良等等。

首先，太陽(yáng)吸附式制冷系統(tǒng)是將太陽(yáng)集熱器與吸附器合二為一，精簡(jiǎn)了結(jié)構(gòu)，作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的能量來(lái)源以及技術(shù)核心的—吸附集熱器，其傳熱傳質(zhì)的性能直接影響到吸附式制冷結(jié)構(gòu)的整體性能，目前，對(duì)于吸附集熱器的改進(jìn)主要集中于吸附劑改良和床體結(jié)構(gòu)完善。但是太陽(yáng)能屬于一種輻射能，具有即時(shí)性，且太陽(yáng)輻射的能流密度相對(duì)低，因此就需要有對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行采集相應(yīng)裝置。目前常用的集熱器主要有平板集熱器、真空管集熱器和聚光集熱器。其中平板集熱器是簡(jiǎn)單且應(yīng)用廣泛的集熱器，成本較低，它吸收的太陽(yáng)能輻射的面積與采集太陽(yáng)輻射的面積相似，典型的平板集熱器由集熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼組成。[3]

對(duì)于吸附式制冷的工質(zhì)的選擇要根據(jù)實(shí)際的工作的要求，選擇在工作溫度范圍內(nèi)吸附性能良好，傳熱傳質(zhì)效果明顯，價(jià)格廉價(jià)，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染，汽化潛熱大，沸點(diǎn)滿足要求。目前常用的工質(zhì)主要有，活性炭—甲醇、活性炭—氨等等，活性炭—甲醇適用于太陽(yáng)能制冷工況，而活性炭—氨等常常用于正壓條件下的制冰系統(tǒng)。[4]

太陽(yáng)的輻射具有周期性、季節(jié)性、非連續(xù)性、易受氣候環(huán)境影響，因此通常需要配備相應(yīng)的輔助熱源保證整個(gè)制冷系統(tǒng)的循環(huán)的不間歇性。為了改進(jìn)吸附式制冷基本循環(huán)的間歇性，目前主要循環(huán)采用的有熱波型，對(duì)流熱波型，和連續(xù)回?zé)峄刭|(zhì)型。[5]

5 結(jié)語(yǔ)與展望

筆者簡(jiǎn)要介紹了太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)的基本原理,針對(duì)吸附式制冷與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比較的特點(diǎn)延展了如今的太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展以及研究方向。雖然太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)仍不斷地發(fā)展，取得了相當(dāng)大的成就，但依然存在一些瑕疵。首先，作為熱交換的主要部件—吸附床的傳熱傳質(zhì)性能不佳，同時(shí)能源的供應(yīng)不能保證連續(xù)，因此需要一定的集熱蓄熱技術(shù)的保證；其次，目前的制冷技術(shù)效率不盡如人意，成本高，制冷性能參數(shù)COP不理想,大型的試驗(yàn)樣機(jī)向?qū)嵱玫纳虡I(yè)小型機(jī)轉(zhuǎn)化，還有一些問(wèn)題亟待解決,缺乏一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]高岱,邱大維.增強(qiáng)新能源利用的中國(guó)能源戰(zhàn)略研究.新能源,1998

[2]賀進(jìn)朝.吸附熱能制冷技術(shù).中國(guó)科技信息，1997

[3]李傳統(tǒng).新能源與可再生能源技術(shù).東南大學(xué)出版社，2005

[4]何梓年.太陽(yáng)能熱利用.中國(guó)科學(xué)科技大學(xué)出版社，2009

[5]周遠(yuǎn),王如竹.制冷與低溫工程. 北京：中國(guó)電力出版社，2003

Overview of Recent Development of Solar-Powered Adsorption Refrigeration Technology

In the article, solar adsorption refrigeration technology is introduced, and its direction are deeply researched in the future,and some shortcomings are pointed out which are based on the principle.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.01.050