蔡春森，李 健，袁銀男，鄒 毅，喜冠南

(1.南通大學機械工程學院，江蘇南通226019；2.南通怡柯新能源科技有限公司，江蘇南通226019)

隨著太陽能光伏發(fā)電技術的不斷發(fā)展以及太陽電池技術的不斷進步，給太陽能資源豐富但電力匱乏的偏遠山區(qū)、島嶼等地區(qū)配備必要的食品、藥品等貨物冷凍冷藏設備帶來了重大便利。光伏發(fā)電技術源于將太陽的輻射能量轉化為電能，因此太陽的日照狀況很大程度上制約了光伏制冷技術在冷凍冷藏設備上的應用。目前，國外對光伏冰箱的研究較為豐富，Thomachan A K等[1-3]對小型太陽能-蓄電池冰箱系統(tǒng)中蓄電池的匹配、充放電特性等方面做了系統(tǒng)的研究。研究表明蓄電池的應用能夠保證該系統(tǒng)的正常運行。Kaplanis S等[4]將一臺傳統(tǒng)電冰箱系統(tǒng)改造成了12 V光伏直流冰箱，并對其性能進行了分析研究。Modi A等[5]對太陽電池供電運行、蓄電池供電運行及斷電3種情況下的冰箱性能進行了實驗研究，結果顯示系統(tǒng)的制冷效率(COP)值從早上到下午逐漸減小。國內(nèi)對光伏冰箱的研究起步相對較晚，代彥軍等[6]針對一種太陽能半導體冰箱進行了實驗研究與性能分析，實驗表明冰箱性能與太陽輻射條件有很大關系，存在分別使COP和制冷量達到最大值的最佳太陽輻照度。劉群生等[7]對太陽能光伏直流冰箱系統(tǒng)的能量管理和系統(tǒng)匹配等問題進行了深入研究分析。

目前技術條件下，太陽能光伏冰箱要想達到實用化還有一定的困難，光伏電池板的輸出效率、氣象狀況以及系統(tǒng)的匹配控制等一系列因素很大程度上影響著系統(tǒng)的性能。本研究以24 V光伏直流冰箱系統(tǒng)為研究對象，通過實驗分析冰箱系統(tǒng)在運行過程中各部件的電流、電壓以及冰箱內(nèi)部溫度的變化情況，探討了系統(tǒng)的性能效果。

1 系統(tǒng)部件選型及運行原理

本研究中的光伏直流冰箱系統(tǒng)包括太陽能光伏電池板、鉛酸蓄電池、光伏控制器以及直流冰箱等部件，本系統(tǒng)所用的直流冰箱是在一臺傳統(tǒng)的交流電冰箱的基礎上改造而成，改造后直流冰箱壓縮機的額定功率為66 W，制冷劑為R134a，冰箱總容積為90 L。根據(jù)改造后冰箱系統(tǒng)的需求，所選擇的光伏電池板必須滿足電壓及功率兩方面的要求，本系統(tǒng)采用兩塊功率為70 W的光伏電池板串聯(lián)為系統(tǒng)供電，兩個12 V鉛酸蓄電池串聯(lián)滿足系統(tǒng)24 V工作電壓的需求。

該系統(tǒng)運行原理：太陽光輻射到太陽能板上，太陽能板將其轉化為直流電，直流電經(jīng)過控制器為系統(tǒng)供電，控制器可以實現(xiàn)對蓄電池的過充電及過放電的保護功能。如果光照充足，光伏電池板一方面為直流冰箱供電，另一方面為蓄電池充電；如果光照不足，則光伏電池板和蓄電池一并為冰箱供電；在陰雨天氣情況下，光伏電池板沒有電量輸出，由蓄電池單獨為冰箱供電。

2 實驗與分析

2.1 實驗裝置

冰箱系統(tǒng)的各部件連接以及數(shù)據(jù)采集點布置情況如圖1所示，實驗地點為南通，為使光伏電池板能接受最佳光照輻射，根據(jù)南通地處北緯32°01'，選擇光伏電池板傾角約為32°。圖1中點劃線連線部分表示的是系統(tǒng)運行時光伏電池板、蓄電池及冰箱負載處的電壓、電流信號采集線，虛線連線部分表示的是冰箱內(nèi)部溫度以及環(huán)境溫度采集線。圖1中電信號采集卡以及溫度采集卡分別采用了北京中泰USB7600A以及USB7411兩種數(shù)據(jù)采集卡，溫度傳感器為PT100，分別使用兩種調(diào)理模塊對電路中的電壓、電流信號進行調(diào)理，以便于信號的采集與存儲。

圖1 光伏直流冰箱系統(tǒng)實驗示意圖

2.2 實驗結果與分析

本研究是在南通地區(qū)10月中各種不同氣象條件下進行的，實驗時冰箱置于室內(nèi)，實驗前打開冰箱箱門，使得冰箱內(nèi)部溫度與室內(nèi)溫度保持充分平衡之后啟動光伏直流冰箱壓縮機工作。圖2所示為當月幾種相同氣象條件下各時間點光伏電池板輸出功率的對比情況，由各時間點光伏電池板輸出功率分布可以看出，相同氣象狀況下光伏電池板的輸出功率分布基本一致；晴天下午14:00之后光伏電池板的輸出功率與多云狀況下的光伏電池板的輸出功率分布較為接近；陰天狀況下光伏電池板的輸出功率趨近0，此種狀況光伏電池板輸出功率可以忽略不計。

圖2 光伏電池板輸出功率對比圖

2.2.1 系統(tǒng)空載實驗與分析

選取當月某個典型的晴好天氣對系統(tǒng)進行了空載實驗，冰箱內(nèi)部不放任何負載，實驗當天室內(nèi)溫度(24±1)℃。圖3所示為當日9:00至11:00時間段內(nèi)光伏直流冰箱運行過程中圖1各溫度采集點的溫度變化情況，冰箱運行約0.5 h之后達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，在冰箱穩(wěn)態(tài)運行過程中離蒸發(fā)排管越近，該處的溫度波動越大，測試點2處的溫度波動最大，其最大溫度波動約為2℃。導致這種結果的原因在于壓縮機停機時，蒸發(fā)排管周圍的部分冷量傳遞給了箱內(nèi)溫度相對較高的地方(圖1中測試點3、測試點4處)。

圖3 冰箱空載溫度變化曲線

圖4所示為相同時間段內(nèi)光伏直流冰箱運行過程中的功耗曲線，在達到穩(wěn)態(tài)運行之前冰箱的工作功率變化較大，冰箱剛開機的時候功率迅速上升到68.9 W，然后下降到48.5 W，隨之再上升到55.9 W，之后功率逐漸下降，這是因為壓縮機剛啟動時需要一定的轉矩力，待壓縮機啟動后功率下降，之后隨著制冷系統(tǒng)內(nèi)壓差的形成功率逐漸上升。隨著冷柜內(nèi)溫度的逐漸降低，所需功率也隨之減少，系統(tǒng)功率逐漸下降。冰箱運行約0.5 h后第一次停機，之后冰箱進入穩(wěn)態(tài)運行循環(huán)，穩(wěn)態(tài)運行過程中冰箱的運轉率約為48.8%。

圖4 冰箱空載功耗曲線

經(jīng)過實驗測試，計算得出該直流冰箱空載穩(wěn)態(tài)運行的平均功率約為28.8 W，由此計算得出該冰箱空載穩(wěn)態(tài)運行一天的總能耗約為0.691 kWh。晴天氣象狀況下光伏電池板平均輸出功率約為66 W，云層較多的多云氣象狀況下光伏電池板平均輸出功率約為36 W，陰雨氣象狀況下光伏電池板輸出功率為0。按南通10月份日均光照9 h以及光伏系統(tǒng)蓄電池最佳循環(huán)放電深度為50%計算，連續(xù)晴天氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長維持運行25天，連續(xù)多云氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長維持運行6天，陰雨氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長維持運行3天。

2.2.2 系統(tǒng)帶蓄冷負載實驗與分析

該實驗同樣選擇10月某個典型晴好天氣進行，實驗前在冰箱內(nèi)部蒸發(fā)器上方放置裝有0.5 kg純水的水袋作為蓄冷負載，實驗當天室內(nèi)溫度為(22±1)℃。

圖5所示為當日9:30至12:00時間段內(nèi)光伏直流冰箱運行過程中圖1各溫度采集點的溫度變化情況，冰箱運行約1小時20分鐘之后達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，與圖3空載實驗溫度變化比較，可以明顯看出從開機到穩(wěn)態(tài)運行，帶蓄冷負載冰箱用時要長的多，這是因為在此過程中，制冷系統(tǒng)要將箱內(nèi)蓄冷負載的熱負荷帶走。

圖5 帶負載冰箱溫度變化曲線

圖6所示為該時間段內(nèi)冰箱功率的變化情況，對比圖4可知，帶負載時冰箱的功耗與空載情況下的功耗基本相當。進入穩(wěn)態(tài)運行后，冰箱的運轉率約為40.1%，這是由于放入0.5 kg的水起到了蓄冷的作用，從而降低了冰箱的啟停次數(shù)與運行時間。

3 結論

通過建立24 V光伏直流冰箱系統(tǒng)，并對其進行實驗研究分析可知：

(1)經(jīng)實驗驗證，本研究中搭建的光伏直流冰箱系統(tǒng)能夠正常的運行，空載狀態(tài)下，穩(wěn)態(tài)運行過程中冰箱的運轉率約為48.8%，穩(wěn)態(tài)運行的平均功率約為28.8 W；

圖6 帶負載冰箱功耗曲線

(2)南通10月氣象狀況下，結合實驗結果計算得出：連續(xù)晴天氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長維持運行25天，連續(xù)多云氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長維持運行6天，陰雨氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長維持運行3天；

(3)在加入0.5 kg水作為蓄冷負載之后，冰箱的穩(wěn)態(tài)運轉率約為40.1%，有效地提高了冰箱的性能，若是選用適量相變潛熱更大的材料作為蓄冷材料，冰箱的各項特性將會有更大的提高。

[1]THOMACHAN A K，SRINIVASAN K.Experimental investigation on a series-parallel cluster of photovoltaic panels[J].Solar Energy，1997，61(4):231-240.

[2]THOMACHAN A K，SRINIVASAN K.Thermal performance characterization of a photovoltaic driven domestic refrigerator[J].International Journal of Refrigeration，2000，23(3):190-196.

[3]THOMACHAN A K，SRINIVASAN K.Lead acid batteries in solar refrigeration systems[J].Renewable Energy，2004，29(8):1243-1250.

[4] SOCRATES K，NIKOLAOS P.The study and performance of a modified conventional refrigerator to serve as a PV powered one[J].Renewable Energy，2006，31(6):771-780.

[5]MODI A，CHAUDHURI A，VIJAY B，et al.Performance analysis of a solar photovoltaic operated domestic refrigerator[J].Applied Energy，2009，86(12):2583-2591.

[6] 代彥軍，王如竹，倪靚.太陽能半導體冰箱實驗研究與性能分析[J].太陽能學報，2002，23(6)：754-758.

[7] 劉群生，付鑫，張鵬，等.太陽能光伏直流冰箱系統(tǒng)性能研究[J].太陽能學報，2007，28(2)：184-188.