陳雷，戴傳山，胡金杰，雷海燕

（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

研究開(kāi)發(fā)

微型太陽(yáng)能發(fā)電制冷系統(tǒng)性能

陳雷，戴傳山，胡金杰，雷海燕

（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

將太陽(yáng)能發(fā)電與制冷系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是電能的取得和冷量需求在季節(jié)和數(shù)量上高度匹配，然而微小制冷系統(tǒng)的性能參數(shù)和穩(wěn)定性也極易受環(huán)境參數(shù)變化的影響。本文提出了一種基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電與蓄電池相結(jié)合的微型制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?duì)微型太陽(yáng)能發(fā)電制冷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果顯示，系統(tǒng)一天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10h，在晴間多云天氣下光伏輸出1.48kW·h電能，其中86%供給壓縮機(jī)，7%存入蓄電池，7%被控制器消耗；在多云轉(zhuǎn)陰天氣下，光伏輸出的1.02kW·h電能只占系統(tǒng)總消耗的73%，余下的27%能量由蓄電池提供。在蓄電池單獨(dú)測(cè)試條件下，系統(tǒng)在連續(xù)3天內(nèi)分別運(yùn)行了7h、12h和4h，蓄電池輸出了3.11kW·h電能，其中的93%供給壓縮機(jī)，余下7%被控制器消耗。另外結(jié)合實(shí)際情況分析了不同的冷量需求與系統(tǒng)的匹配關(guān)系，為以后微型太陽(yáng)能發(fā)電制冷系統(tǒng)的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

光伏發(fā)電；微小制冷系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；太陽(yáng)能；再生能源

目前，用于特殊環(huán)境下的個(gè)人冷卻和電子設(shè)備冷卻的微型蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景，Aspen Thermal已研制出一種基于高效蒸汽壓縮式制冷的個(gè)人冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用制冷劑R134a，在38℃環(huán)境下可以產(chǎn)生300W制冷量，由蓄電池驅(qū)動(dòng)，能夠連續(xù)運(yùn)行 3h［1］。王東芳等［2］搭建了微型制冷系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)進(jìn)行測(cè)試分析得出系統(tǒng)運(yùn)行的最佳制冷劑充注量和運(yùn)行工況。

將太陽(yáng)能發(fā)電與制冷系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是電能取得和冷量需求在季節(jié)和數(shù)量上高度匹配。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于獨(dú)立太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的研究基本以冰箱或冷柜為太陽(yáng)能光伏壓縮式制冷系統(tǒng)的負(fù)載，陳觀生［3］、曹娟華［4］和楊雙［5］等對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了分析，得出光伏制冷相對(duì)常規(guī)制冷具有明顯優(yōu)勢(shì)。KATTAKAYAM等分別從光伏效率［6］、制冷機(jī)性能［7］、蓄電池在不同充電方式與不同負(fù)載情況下的匹配情況［8］多方面做了較為詳細(xì)的分析。TOURE等［9］針對(duì)光伏制冷冰箱進(jìn)行了測(cè)試，在光伏峰值功率300W、蓄電池容量150A·h、蒸發(fā)器略低于5℃的情況下，系統(tǒng)COP值在1.63左右，?效率為17%，蓄冷單獨(dú)運(yùn)行可維持3天左右。劉群生等［10］對(duì)帶蓄電池的光伏直流冰箱測(cè)試表明，冷凍室最低溫度可達(dá)-16℃，該冰箱在25℃環(huán)境溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)率為48%。在完全無(wú)日照的情況下，系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行4天。對(duì)不帶蓄電池的系統(tǒng)運(yùn)行性能研究較少［11］，美國(guó)的SOLUS制冷公司研制出了用光伏電池驅(qū)動(dòng)的直流變速蓄冷冰箱，不用蓄電池和逆變器，制冷劑為R134a，容積為105L，名義工作電壓為12V，實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)冰箱工作環(huán)境的平均溫度為32℃時(shí)，冰箱仍能很好的工作在 1.4℃左右，在沒(méi)有太陽(yáng)能輸入、冰箱工作環(huán)境溫度為29℃時(shí)，冰箱內(nèi)溫度至少可保持7天［12］。

系統(tǒng)設(shè)備的微型化在理論和技術(shù)上卻面臨很多挑戰(zhàn)［13］，如微型壓縮機(jī)的研發(fā)、高效微型換熱器的研制、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)等問(wèn)題。JEONG［14］分析了發(fā)展微型制冷系統(tǒng)的困難，指出隨著尺度減小，系統(tǒng)的熵增是主要障礙之一，應(yīng)致力于減少內(nèi)部熱泄露。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，楊宇飛等［15］對(duì)無(wú)蓄電池的微型太陽(yáng)能發(fā)電制冷系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，但缺少相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。本文提出了一種基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的微型制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?duì)微型太陽(yáng)能發(fā)電制冷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出了不同情況下系統(tǒng)的工作性能，并計(jì)算出了對(duì)應(yīng)情況下系統(tǒng)的能量消耗；得出了不同情況下冷量需求與系統(tǒng)的匹配關(guān)系，為將來(lái)微型太陽(yáng)能發(fā)電制冷系統(tǒng)的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1　系統(tǒng)的組成及原理

實(shí)驗(yàn)裝置主要由光伏電池、控制器、蓄電池及微型蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)等組成，微型蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)主要包括美國(guó)Aspen微型轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)、螺旋管式蒸發(fā)器、微通道平行流式風(fēng)冷冷凝器及毛細(xì)管。為了滿足微型制冷系統(tǒng)電壓及功率的要求，考慮到實(shí)際的商業(yè)化產(chǎn)品性能參數(shù)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制冷劑采用R134a；微型壓縮機(jī)額定電壓24V、額定功率120W；2塊250W光伏電池并聯(lián)；2塊工作電壓為12V，額定容量為200A·h的免維護(hù)膠體蓄電池串聯(lián)，其充放電效率參考出廠說(shuō)明書為95%；型號(hào)為L(zhǎng)S2024、額定電壓為24V的控制器。

實(shí)驗(yàn)原理為利用光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流電，通過(guò)控制器存入蓄電池中，蓄電池經(jīng)過(guò)控制器為直流變頻壓縮機(jī)提供能量，從而達(dá)到系統(tǒng)制冷目的。當(dāng)光伏電池提供的電能滿足微制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，富裕的電量存儲(chǔ)到蓄電池中；當(dāng)光伏電池不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行功率時(shí)，蓄電池提供不足部分的電能，在夜間或陰雨天則提供全部的電能?？刂破鞑捎么?lián)型脈寬調(diào)制（PWM）式技術(shù)，用自動(dòng)變換占空比的脈沖電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，如此脈動(dòng)充電可使蓄電池更為安全和快速的充滿電量，斷開(kāi)期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池內(nèi)壓，使其可吸收更多電量。脈沖充電方式使蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，提高了蓄電池對(duì)充電電流的接受率。在該實(shí)驗(yàn)中，由控制器輸出的電流電壓并沒(méi)有受到光伏輸出參數(shù)的明顯影響，較為穩(wěn)定，這在很大程度上保證了系統(tǒng)整體運(yùn)行的效率。

微型太陽(yáng)能發(fā)電制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示，實(shí)驗(yàn)條件為天津市南開(kāi)區(qū)8月份天氣情況，電池板安裝傾角為45°。圖中光伏電池電壓和電流信號(hào)、蓄電池電壓信號(hào)及微制冷部分的壓力及溫度信號(hào)通過(guò)Agilent34980A多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄，儀器示值誤差為0.2%，T形熱電偶精度為0.5℃，壓力傳感器的量程為0～2.0MPa，產(chǎn)品精度為0.1%FS。PROVA WM-01功率分析儀對(duì)微型壓縮機(jī)的輸入功率進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，其功率測(cè)量范圍為0～200W，精度為0.1W；電壓測(cè)量范圍為0～200V，精度為0.1V；電流測(cè)量范圍為0～20A，精度為0.01A。循環(huán)水的流量測(cè)量通過(guò)AR精密電子天平實(shí)時(shí)間接測(cè)量，其最大量程為520g，精度為0.01g。Julabo恒溫水浴工作溫度范圍為-35～200℃，溫度穩(wěn)定性為±0.01℃，分辨率為0.1℃。

圖1　微型太陽(yáng)能發(fā)電制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2　實(shí)驗(yàn)分析

2.1 制冷系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行

該階段實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谕ㄟ^(guò)對(duì)制冷系統(tǒng)的測(cè)試確定系統(tǒng)的最佳制冷劑充注量與系統(tǒng)運(yùn)行工況。采用控制變量法，室溫保持一定范圍的情況下，通過(guò)電位器驅(qū)動(dòng)板調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，在不同制冷劑充注量、循環(huán)水流量的情況下，經(jīng)計(jì)算各組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)制冷量與COP得出該系統(tǒng)在有過(guò)熱和過(guò)冷、充注制冷劑約 110g、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速 6500r/min、平均風(fēng)速4.5m/s、循環(huán)水流量27.039g/s條件下可獲得最佳性能，考慮盡可能減少與室內(nèi)環(huán)境熱交換損失，循環(huán)水進(jìn)口溫度約為30℃。在該運(yùn)行參數(shù)下COP可達(dá)2.55，制冷量可略高于300W。

系統(tǒng)制冷量為循環(huán)水進(jìn)出蒸發(fā)器所放出的熱量，微型壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)靠直流電源提供電能，輸入功率為壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)功率之和，COP為制冷量與該值之比。與光伏結(jié)合的制冷系統(tǒng)總效率則定義為制冷量與太陽(yáng)能輻射的比值，其中包含了蓄電池充放電效率、控制器能量轉(zhuǎn)換效率等其他效率。圖2給出了COP隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系。

依圖2可得環(huán)境溫度在28.5～31.0℃之間變化時(shí)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)COP在2.07～2.55之間變化。

2.2 與光伏相結(jié)合的制冷系統(tǒng)的運(yùn)行

以天津地區(qū)2014年8月份天氣為基礎(chǔ)，根據(jù)晴間多云、多云轉(zhuǎn)陰及蓄電池單獨(dú)測(cè)試3類分析太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度及電壓、電流、電功等參數(shù)變化。

2.2.1 晴間多云條件

晴天測(cè)試日期為 8月 21日，測(cè)試時(shí)間段為8：00～18：00，當(dāng)天基本處于晴朗狀態(tài)，但上午多有云層飄過(guò)。太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度、光伏電池電壓及蓄電池電壓的變化如圖3所示。由圖3可得，蓄電池電壓相對(duì)其他參數(shù)變化較為平穩(wěn)，在26V左右波動(dòng)。

圖4為光伏電池輸出功率、壓縮機(jī)輸入功率及制冷量的變化情況。結(jié)合圖3可得，光伏電池輸出功率與輸出電壓變化規(guī)律相似；壓縮機(jī)輸入功率穩(wěn)定在130W左右；系統(tǒng)制冷量維持在320W附近波動(dòng)。在上午8：00～8：54以及下午16：24～18：00這兩段時(shí)間，光伏電池功率小于壓縮機(jī)功率，由蓄電池通過(guò)控制器為壓縮機(jī)提供不足的能量。盡管電壓高低并不能代表鉛酸蓄電池內(nèi)容量的多少，但結(jié)合兩時(shí)段內(nèi)蓄電池電壓整體呈現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)仍能看出蓄電池處于放電狀態(tài)。由于有蓄電池作為補(bǔ)充能源，系統(tǒng)在這兩時(shí)段仍能為負(fù)載提供穩(wěn)定的功率，因此保證了較穩(wěn)定的冷量輸出。

圖2　制冷性能系數(shù)COP隨室內(nèi)環(huán)境溫度的變化

圖3　天津地區(qū)2014年8月21日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、光伏電池電壓及蓄電池電壓的變化情況

圖4　光伏電池輸出功率、壓縮機(jī)輸入功率及制冷量的變化情況

圖5為室內(nèi)環(huán)境溫度、蒸發(fā)器兩側(cè)的平均溫度及制冷系數(shù)的變化情況。蒸發(fā)溫度約為15℃，運(yùn)行工況采用制冷系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，制冷劑充注量、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、循環(huán)水流速保持一致。易看出制冷系統(tǒng)運(yùn)行工況很穩(wěn)定，該天氣下COP在2.5左右波動(dòng)，并沒(méi)有明顯受到光伏電池輸出功率變化。

圖5　室內(nèi)環(huán)境溫度、蒸發(fā)器兩側(cè)的平均溫度及制冷系數(shù)的變化情況

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)10h運(yùn)行，蓄電池電壓由25.3V增長(zhǎng)到25.6V，說(shuō)明系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，蓄電池存儲(chǔ)了部分電量。對(duì)該天氣下系統(tǒng)能耗進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果列于表1。

表1　晴間多云天氣條件下系統(tǒng)能耗統(tǒng)計(jì)

圖6　天津地區(qū)2014年8月22日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、光伏電池電壓及蓄電池電壓的變化情況

2.2.2 多云轉(zhuǎn)陰條件

該條件測(cè)試日期為8月22日，時(shí)間為8：15～18：15，太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度、光伏電池電壓及蓄電池電壓的變化情況變化如圖 6。與晴天相比，該天氣更好地表現(xiàn)出太陽(yáng)輻射隨機(jī)波動(dòng)的特性。該條件下光伏電池電壓變化較大，蓄電池電壓仍相對(duì)平穩(wěn)，峰值出現(xiàn)時(shí)刻為 13：27，并未表現(xiàn)出與太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度峰值和光伏電池電壓峰值的一致性。

圖7為光伏電池輸出功率、壓縮機(jī)輸入功率及制冷量隨時(shí)間的變化關(guān)系。該天氣下光伏電池板輸出功率與輸出電壓變化規(guī)律基本一致；壓縮機(jī)輸入功率在130W附近波動(dòng)；制冷量相對(duì)晴天制冷量略小。與晴天類似，結(jié)合圖6電壓可知，當(dāng)輸入光伏電池功率小于壓縮機(jī)功率時(shí)（如上午8：15～9：42、中午11：54～13：00和下午13：57～18：15），蓄電池電壓表現(xiàn)出下降趨勢(shì)；而當(dāng)輸入功率大于壓縮機(jī)功率時(shí)，蓄電池電壓又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。蓄電池的充放電對(duì)系統(tǒng)總能量充分起到了削峰填谷的作用。

圖8為室內(nèi)環(huán)境溫度、蒸發(fā)器兩側(cè)平均溫度及制冷系數(shù)的變化情況。與晴天條件下相似，該天氣下制冷系統(tǒng)運(yùn)行工況穩(wěn)定。蒸發(fā)器兩側(cè)工質(zhì)平均溫度波動(dòng)小，制冷劑蒸發(fā)溫度在15.5℃左右。制冷劑充注量為 110g，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速依然為 6500r/min，循環(huán)水流量保持在27g/s左右。COP則相對(duì)較小，主要原因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境溫度略高于晴天對(duì)應(yīng)值。

圖7　光伏電池輸出功率、壓縮機(jī)輸入功率及制冷量的變化情況

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)10h運(yùn)行，蓄電池電壓從26.5V降到24.9V，說(shuō)明蓄電池釋放了部分電量。對(duì)該天氣下系統(tǒng)能耗進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果列于表2。

2.2.3 蓄電池單獨(dú)測(cè)試條件

為了研究系統(tǒng)在連續(xù)陰雨天情況下能夠維持負(fù)載工作多長(zhǎng)時(shí)間的問(wèn)題，設(shè)置初始狀態(tài)蓄電池為滿電量，考慮到系統(tǒng)工作連續(xù)性，實(shí)驗(yàn)選擇在連續(xù) 3天內(nèi)進(jìn)行。

圖9為2014年8月16日、17日和18日蓄電池工作時(shí)電壓變化曲線，可以看出放電壓降呈階梯型且壓降越來(lái)越快。最后電壓不能再降，因?yàn)榇藭r(shí)壓縮機(jī)輸入電壓為 21.9V，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)輸入電壓低于21.9V會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法正常工作。

表2　多云轉(zhuǎn)陰天氣條件下系統(tǒng)能耗統(tǒng)計(jì)

圖9　蓄電池電壓的變化情況

圖10與圖11給出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的相關(guān)參數(shù)。系統(tǒng)仍按照制冷劑充注量110g、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速6500r/min等調(diào)試最佳工況參數(shù)運(yùn)行。由圖10可知，制冷量約為 320W，壓縮機(jī)輸入功率整體保持穩(wěn)定并隨時(shí)間逐漸下降，由最初130W到最后不足120W，說(shuō)明蓄電池通過(guò)控制器提供給壓縮機(jī)功率逐漸減小。由圖11可知，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，制冷劑蒸發(fā)溫度大致呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)。制冷量主要受環(huán)境溫度影響，溫度高時(shí)制冷量小，溫度低時(shí)則相反。COP在2.5左右，其中第一天開(kāi)始階段有一定波動(dòng)，主要是受到制冷量波動(dòng)的影響。

圖10　壓縮機(jī)輸入功率及制冷量的變化情況

圖11　室內(nèi)環(huán)境溫度、蒸發(fā)器兩側(cè)平均溫度及制冷系數(shù)的變化情況

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)3天運(yùn)行測(cè)試，在外界環(huán)境為28.7～33.9℃情況下，蓄電池能維持負(fù)載工作約23h。對(duì)該測(cè)試條件下的系統(tǒng)能耗進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果列于表3。

表3　蓄電池單獨(dú)測(cè)試條件下系統(tǒng)能耗統(tǒng)計(jì)

3　結(jié)果與討論

針對(duì)晴間多云、多云轉(zhuǎn)陰以及蓄電池單獨(dú)測(cè)試3種條件分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，從運(yùn)行測(cè)試及分析可以得出如下結(jié)果。

考慮系統(tǒng)本身較小，線路較短，因此忽略電路及其他損耗，該系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 10h，晴間多云條件下，光電轉(zhuǎn)換效率約為7.5%，平均COP為2.47，系統(tǒng)總效率為0.16，光伏電池輸出1.48kW·h電能，其中 86%供給壓縮機(jī)，7%存到蓄電池，7%被控制器消耗；多云轉(zhuǎn)陰條件下，光電轉(zhuǎn)換效率約為8.0%，平均COP為2.39，系統(tǒng)總效率為0.25，光伏電池輸出1.02kW·h電能，為系統(tǒng)提供73%的能量，余下27%由蓄電池供給壓縮機(jī)和控制器。蓄電池單獨(dú)測(cè)試條件下，平均COP為2.56，3天中系統(tǒng)運(yùn)行23h，蓄電池輸出3.11kW·h電能，其中約有93%供給壓縮機(jī)，余下7%被控制器消耗。

需要說(shuō)明的是，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)天氣條件不盡相同，該實(shí)驗(yàn)中晴天條件并不理想，多有云層飄過(guò)，因而光伏電池輸出電量受到一定影響。此外，在前兩組實(shí)驗(yàn)中，制冷系統(tǒng)運(yùn)行10h，針對(duì)不同用戶制冷需求不同，例如轎車司機(jī)與公路收費(fèi)站員工等人員需要制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為8h或者更少，因此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行方案按照盡可能大的制冷需求進(jìn)行試驗(yàn)。若按每天8h制冷，壓縮機(jī)功率與本實(shí)驗(yàn)相同來(lái)近似分析，則計(jì)算過(guò)程如下。

晴間多云天氣條件下負(fù)載輸入為

同樣太陽(yáng)輻射條件下，該系統(tǒng)存入蓄電池電量值為

而在多云轉(zhuǎn)陰天氣條件下負(fù)載輸入為

同樣的太陽(yáng)輻射條件下，此時(shí)蓄電池存入電量值為

即該條件下蓄電池釋放0.12kW·h電量。

由此，將按照8h制冷設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能耗情況列于表4。

表4　兩種天氣條件下制冷8h系統(tǒng)能耗統(tǒng)計(jì)

在光伏電池運(yùn)行10h、制冷系統(tǒng)運(yùn)行8h情況下，負(fù)載消耗在兩種天氣下分別減少0.25kW·h和0.26kW·h，其中晴間多云天氣下存入蓄電池的電能相對(duì)10h運(yùn)行制冷系統(tǒng)增多250%；而多云轉(zhuǎn)陰天氣條件下系統(tǒng)蓄電池消耗電能相對(duì)10h運(yùn)行制冷系統(tǒng)的情況下減少68%。相對(duì)本實(shí)驗(yàn)制冷運(yùn)行10h而言，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)8h連續(xù)制冷，消耗了更少能量，故能將更多能量存入蓄電池，增強(qiáng)了夜間或者連續(xù)陰雨天氣時(shí)持續(xù)供電能力。

4　結(jié)　論

該文通過(guò)對(duì)基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的微型制冷系統(tǒng)在不同實(shí)驗(yàn)條件下的測(cè)試及分析，得出如下結(jié)論。

（1）晴間多云條件下該制冷系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10h，并能將多余電能存入蓄電池以供備用。

（2）多云轉(zhuǎn)陰條件下該系統(tǒng)總效率較晴轉(zhuǎn)多云天氣下效率略高，光伏為系統(tǒng)提供了73%的能量，余下部分由蓄電池為系統(tǒng)提供。

（3）蓄電池單獨(dú)測(cè)試該系統(tǒng)共計(jì)運(yùn)行23h，按照制冷系統(tǒng)每天正常運(yùn)轉(zhuǎn)8h來(lái)計(jì)算，蓄電池可以維持系統(tǒng)運(yùn)行大約3天時(shí)間。

（4）參考實(shí)際情況，計(jì)算了光伏電池運(yùn)行10h，制冷系統(tǒng)運(yùn)行8h方案下的系統(tǒng)能量消耗，該系統(tǒng)能將更多能量存到蓄電池，增強(qiáng)了在夜間和連續(xù)陰雨天氣下的供電能力。

（5）對(duì)于該實(shí)驗(yàn)制冷系統(tǒng)本身，不足之處為制冷劑平均蒸發(fā)溫度在15℃左右，然而此溫度可以更低一些，如調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)使之達(dá)到 5℃可能對(duì)用戶更具吸引力，因?yàn)檩^大溫差下蒸發(fā)器兩側(cè)換熱效果會(huì)更加理想，也更加適宜實(shí)際應(yīng)用。

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An experimental study on the performance of a miniature solar refrigeration system

CHEN Lei，DAI Chuanshan，HU Jinjie，LEI Haiyan
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Ministry of Education of China，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

An obvious advantage by combining the uses of solar power generation and refrigeration systems is that the electric power available and the cooling demand can be highly matched in season and quantity.However，the performance and stability of a miniature refrigeration system are also easily affected by the change of environmental parameters.An experimental model of a miniature solar refrigeration system（MSRS）based on the combination of photovoltaic and battery was proposed.The experimental analysis of MSRS was carried out.The results operated continuously for 10 hours under a fine and cloudy day showed that the output of photovoltaic cells is 1.48kW·h power，of which 86% is supplied to the compressor，7% is stored to the battery，7% is consumed by the controller，however，while under a cloudy day，the photovoltaic cell outputs is 1.02kW·h power，which provides 73% of the energy for the system，the remaining 27% is provided by the battery.Under the condition using battery alone，the system has been running for 7，12 and 4 hours respectively within three days，the battery outputs 3.11kW·h power，about 93% of which is supplied to the compressor，the remaining 7% is consumed by the controller.The matching relationship between cooling capacity requirement with power available for the present system was analyzed，which provided the experimental basis forthe application of MSRS in the future.

PV generation；miniature refrigeration system；design；solar energy；renewable energy

TB 65；TK 511

A

1000-6613（2016）09-2752-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.017

2016-01-27；修改稿日期：2016-02-29。

陳雷（1991—），男，碩士研究生，主要從事太陽(yáng)能微型制冷相關(guān)研究。聯(lián)系人：戴傳山，教授，主要從事微尺度強(qiáng)化傳熱、多相流等相關(guān)研究。E-mail csdai@tju.edu.cn。