趙書(shū)東（上海海事大學(xué)，上海201306）

一種聚光吸附式制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

趙書(shū)東
（上海海事大學(xué)，上海201306）

隨著化石能源的消耗和環(huán)境污染的加劇，直接或間接利用太陽(yáng)能成為了未來(lái)能源模式的核心內(nèi)容之一，本文創(chuàng)新地提出了將聚光光伏技術(shù)和太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)相結(jié)合的思路，并以中國(guó)北緯30度的城市為例，闡述了聚光吸附式制冷的理論可行性。

太陽(yáng)能高效利用；聚光光伏；吸附式制冷；高層建筑

1　引言

從1990年開(kāi)始，世界能源就出現(xiàn)了危機(jī)的跡象，在此之前，人類(lèi)都是一味開(kāi)采一經(jīng)發(fā)現(xiàn)的能源，包括石油、煤炭和天然氣，而沒(méi)有關(guān)注能源的未來(lái)，但目前所謂的能源危機(jī)，只能說(shuō)是化石能源存在危機(jī)，據(jù)估計(jì)，地球化石能源可維持的年數(shù)是:石油46年，天然氣65年，煤炭169年，在這樣的大環(huán)境下，太陽(yáng)能作為一種無(wú)污染可再生的清潔能源備受矚目，開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能成為熱門(mén)話(huà)題，這里提出了一種高效利用太陽(yáng)能的猜想。

2　聚光光伏技術(shù)

2.1原理

太陽(yáng)能發(fā)電難以市場(chǎng)化的原因是發(fā)電成本過(guò)高，主要集中在太陽(yáng)能電池板，而現(xiàn)在作為最主流的材料砷化鎵中國(guó)并未掌握核心技術(shù)，而且在其他國(guó)家砷化鎵的制造成本也較高，這時(shí)聚光光伏技術(shù)（CPV=concentrated photo voltaic）走入人們的眼球中，CPV技術(shù)實(shí)質(zhì)上是將太陽(yáng)能聚集到一起，以相對(duì)便宜的聚光器來(lái)代替昂貴的太陽(yáng)能電池，將高倍聚集的陽(yáng)光投射在太陽(yáng)能電池上再進(jìn)行發(fā)電，其原理圖如圖1。

圖1　聚光光伏技術(shù)原理圖

2.2聚光光伏與普通光伏技術(shù)對(duì)比

首先比較電池效率，在實(shí)驗(yàn)室最常用的多晶硅光伏電池和單晶硅光伏電池效率最高能達(dá)到20.3%和24.7%，而在高倍聚光的條件下聚光光伏電池效率能達(dá)到43.5%，即使是用于商業(yè)化生產(chǎn)，效率也以25%的效率遠(yuǎn)高于普通光伏電池的16%；其次，相對(duì)于普通光伏電池，聚光光伏電池在發(fā)電設(shè)備上天然具有低成本的優(yōu)勢(shì)；但由于聚光光伏需要直射光才能發(fā)電，因此需要超高精度直射光追蹤器，這是提高了聚光光伏電池成本的最主要因素，而且由于對(duì)直射光的需求，聚光光伏電池對(duì)追蹤器的要求非常高，而且對(duì)于超高倍聚光光伏存在集熱效應(yīng)，導(dǎo)致電池板溫度過(guò)高，有時(shí)需要散熱設(shè)備，導(dǎo)致熱能浪費(fèi)。

3　吸附式制冷技術(shù)

3.1原理

吸附式制冷技術(shù)（Adsorption Refrigeration Technology）是利用吸附的原理，即有些固體能在一定的溫度和壓力的條件下吸收某種氣體，而在另一種溫度及壓力下釋放出，這種吸附的變化將導(dǎo)致壓力的變化，起到類(lèi)似壓縮機(jī)的效果。利用這種原理，以熱能為動(dòng)力，通過(guò)在封閉系統(tǒng)中吸附劑（如氯化鈣、分子篩、活性炭等）對(duì)吸附質(zhì)（如氨、水、甲醇、R134等）的吸附/解吸循環(huán)使可實(shí)現(xiàn)吸附式制冷。

3.2吸附式制冷的優(yōu)勢(shì)

（1）采用的工質(zhì)不含氟利昂，硅膠、活性炭、溴化鋰等均無(wú)毒無(wú)害，吸附式制冷不需氯氟氫類(lèi)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)能或工業(yè)廢熱提供的，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)能以及工業(yè)上不利用就會(huì)被浪費(fèi)的廢熱，因此能源成本幾平可以不計(jì)，非常節(jié)能；

（3）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。

3.3吸附式制冷還需要解決的問(wèn)題

吸附式制冷技術(shù)的研究雖然有了很大的進(jìn)展，不過(guò)吸附制冷技術(shù)要想走向?qū)嵱没袌?chǎng)化，仍存在很多問(wèn)題亟待解決。

（1）目前的吸附制冷產(chǎn)品普遍存在效率偏低、產(chǎn)品成本較高、占用體積大等缺點(diǎn)；

（2）從吸附制冷的技術(shù)方面來(lái)看，目前吸附制冷系統(tǒng)所存在的問(wèn)題主要還是在傳熱強(qiáng)化以及運(yùn)行過(guò)程方面。吸附床的傳熱、傳質(zhì)性能有效提高，這就需要對(duì)吸附床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以及吸附制冷工質(zhì)對(duì)的優(yōu)化選取至關(guān)重要；

（3）在制冷工質(zhì)對(duì)的研究方面，制冷工質(zhì)大多數(shù)采用水和醇類(lèi)，這就要求系統(tǒng)在負(fù)壓的條件下運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)的密封性要求極高。

4　聚光吸附制冷系統(tǒng)

4.1原理及結(jié)構(gòu)

聚光吸附制冷系統(tǒng)主要有三大部分組成，

（1）集熱部分:主要包括聚光器，集熱器和直射光感應(yīng)追蹤器。通過(guò)直射光感應(yīng)追蹤器追蹤直射光的方向，然后利用聚光器和集熱器來(lái)改變吸附床中的溫度和壓力。

（2）儲(chǔ)存和降溫部分，主要包括冷凝器和儲(chǔ)液器，用于高溫蒸汽的冷凝和儲(chǔ)藏。

（3）制冷部分，主要包括蒸發(fā)器和制冷外殼，在這里進(jìn)行制冷。

原理圖如圖2。

4.2制冷量

由于聚光設(shè)備需要直射光感應(yīng)追蹤器，故選擇北緯30°的無(wú)風(fēng)帶城市為例，現(xiàn)以中國(guó)城市杭州為例:

假設(shè)一普通居民區(qū)屋頂面積S=1200m2，每天日照達(dá)到10小時(shí)；

在炎熱的夏季太陽(yáng)光照射在樓頂上的功率≥1kW；

圖2　聚光吸附制冷系統(tǒng)原理圖

每天投到房頂?shù)目衫玫奶?yáng)能:

按照聚光光伏商業(yè)功率25%，吸附制冷COP 0.8計(jì)算:

設(shè)每家每天空調(diào)加冰箱使用制冷量10kW·h，這些制冷量可以滿(mǎn)足230戶(hù)的使用，居民區(qū)屋頂面積1200平方米大約是每層樓10～12戶(hù)，也就是說(shuō)如果制冷設(shè)備的制冷量完全高效利用至少可以滿(mǎn)足18層建筑的需求，計(jì)算效率也能達(dá)到10層左右建筑的使用。

4.3優(yōu)勢(shì)及創(chuàng)新點(diǎn)

（1）利用太陽(yáng)能不消耗化石能源，為解決能源危機(jī)問(wèn)題提供了新思路；

（2）整個(gè)系統(tǒng)在低壓或者負(fù)壓的狀態(tài)下運(yùn)行，不存在爆炸等危險(xiǎn)性；

（3）由于對(duì)直射光需求不像聚光式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)要求那么高，直射光感應(yīng)追蹤器成本可以降低；

（4）制冷劑不含氟類(lèi)物質(zhì)，對(duì)大氣層沒(méi)有污染。

4.4存在的問(wèn)題

（1）由于沒(méi)有從根本上代替直射光追蹤器，系統(tǒng)成本可能仍然過(guò)高；

（2）吸附式制冷的COP效率較低問(wèn)題仍需要解決；

（3）相對(duì)于成熟的太陽(yáng)能熱水器技術(shù)，占用同樣的空間，作用相對(duì)單一；

（4）太陽(yáng)光中天然存在15%的非直射光難以利用。

5　結(jié)論

太陽(yáng)能既有取之不盡，用之不竭的優(yōu)勢(shì)，又存在時(shí)間空間分布不足，開(kāi)發(fā)利用技術(shù)需要提升的問(wèn)題，如何高效利用太陽(yáng)能仍是一個(gè)重要的問(wèn)題，對(duì)于本文提出的聚光吸附式制冷系統(tǒng)存在的成本問(wèn)題，必然會(huì)隨著聚光光伏技術(shù)和吸附式制冷技術(shù)的發(fā)展而降低成本，而且由于各種感應(yīng)器的發(fā)展，低成本的直射光追蹤器的出現(xiàn)也只是時(shí)間問(wèn)題。

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The Design Thinking of the Concentrated Absorb Refrigeration System

ZHAO Shudong
（ShanghaiMaritime University，Shanghai，China，201306）

With the environmental pollution aggravation and fossil fuel dep letion，harnessing the power of the sun directly or indirectly remains at the core of future energy scenarios，this article put forward a suspect to combine the technology of Concentrated Photo Voltaic and Adsorption Refrigeration creatively，and use the example of30 degrees north latitude Chinese city，described the theoretical feasibility of the concentrated absorb refrigeration.

Solar efficient use；Concentrated photo voltaic；Absorb refrigeration；Tall buildings

TQ028.1+5文獻(xiàn)標(biāo)示碼:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.018

ISSN1005-9180（2016）02-093-03

2015-11-12

趙書(shū)東（1992-），男，碩士研究生，研究方向:船舶故障檢測(cè)及維修。Email:foreverzsd@foxmail.com