太陽能製冷

太陽能是公認的未來人類最合適、最安全、最綠色、最理想的替代能源之一，具有取用方便、能量巨大、無污染、安全性好等優點。利用太陽能驅動空調系統一方面可以大大減少不可再生能源及電力資源消耗，另一方面因較低的耗電減少了因燃燒煤等常規燃料發電帶來的環境污染問題，太陽能用於空調製冷，最大的優點是季節匹配性好，天氣越熱、越需要製冷的時候，系統製冷量越大。

基本介紹

• 中文名：太陽能製冷技術
• 外文名：solar cooling technology
• 製冷方式："光-熱-電-冷"轉化
• 能量來源：太陽能
• 原理：光伏效應和帕爾貼效應
• 優點：節能環保

套用背景

我國土地遼闊，幅員廣大。我國的國土面積，從南到北，自西至東，距離都在5000km以上，總面積達960萬平方公里，為世界陸地總面積的7%，居世界第3位。在我國廣闊的土地上，有著十分豐富的太陽能資源。

隨著地球的逐漸變暖、地球表面溫度的逐步上升，我國的年平均氣溫也正在逐年升高。人們對夏季空調的要求越來越強烈，使用空調的用戶也越來越多。在我國的建築能耗中，住宅和公共建築的空調耗能在全部建築耗能中占有很大的比重。在太陽能熱利用領域中，不僅有太陽能熱水和採暖，還有太陽能製冷空調，即用太陽能轉換的熱能替代或部分替代常規能源驅動空調系統。

系統分類

從理論上講，太陽能製冷可由太陽能光電轉換製冷和太陽能光熱轉換製冷兩種途徑來實現。

太陽能光電轉換製冷是通過太陽能電池將太陽能轉換成電能，再用電能驅動常規的壓縮式制冷機。在目前太陽能電池成本較高的情況下，對於相同的製冷功率，太陽能光電轉換製冷系統的成本要比太陽能光熱轉換製冷系統的成本高出許多，目前尚難推廣使用。

太陽能光熱轉換製冷是將太陽能轉換成熱能，再利用熱能驅動制冷機製冷，主要有太陽能吸收式製冷系統、太陽能吸附式製冷系統和太陽能噴射式製冷系統。其中，技術最成熟、套用最多的是太陽能吸收式製冷。

製冷方式

利用太陽能實現製冷的可能技術途徑，主要包括太陽能轉換為熱能，利用熱能製冷，以及將太陽能轉換為電能，利用電能驅動相關設備供熱製冷兩大類型。根據需求，太陽能製冷過程也可以實現從空調到冷凍溫區的不同要求。根據不同的能量轉換方式，太陽能驅動製冷主要有以下兩種方式，一是先實現光─電轉換，再以電力製冷；二是進行光─熱轉換，再以熱能製冷。

電轉換

它是利用光伏轉換裝置將太陽能轉化成電能後，再用於驅動半導體製冷系統或常規壓縮式製冷系統實現製冷的方法，即光電半導體製冷和光電壓縮式製冷。這種製冷方式的前提是將太陽能轉換為電能，其關鍵是光電轉換技術，必須採用光電轉換接受器，即光電池，它的工作原理是光伏效應。

太陽能半導體製冷。太陽能半導體製冷是利用太陽能電池產生的電能來供給半導體製冷裝置，實現熱能傳遞的特殊製冷方式。半導體製冷的理論基礎是固體的熱電效應，即當直流電通過兩種不同導電材料構成的迴路時，結點上將產生吸熱或放熱現象。如何改進材料的性能，尋找更為理想的材料，成為了太陽能半導體製冷的重要問題。太陽能半導體製冷在國防、科研、醫療衛生等領域廣泛地用作電子器件、儀表的冷卻器，或用在低溫測儀、器械中，或製作小型恆溫器等。目前太陽能半導體製冷裝置的效率還比較低，COP 一般約0.2～0.3，遠低於壓縮式製冷。

光電壓縮式製冷。光電壓縮式製冷過程首先利用光伏轉換裝置將太陽能轉化成電能，製冷的過程是常規壓縮式製冷。光電壓縮式製冷的優點是可採用技術成熟且效率高的壓縮式製冷技術便可以方便地獲取冷量。光電壓縮式製冷系統在日照好又缺少電力設施的一些國家和地區已得到套用，如非洲國家用於生活和藥品冷藏。但其成本比常規製冷循環高約3～4 倍。隨著光伏轉換裝置效率的提高和成本的降低，光電式太陽能製冷產品將有廣闊的發展前景。

熱轉換

太陽能光熱轉換製冷，首先是將太陽能轉換成熱能，再利用熱能作為外界補償來實現製冷目的。光─熱轉換實現製冷主要從以下幾個方向進行，即太陽能吸收式製冷、太陽能吸附式製冷、太陽能除濕製冷、太陽能蒸汽壓縮式製冷和太陽能蒸汽噴射式製冷。其中太陽能吸收式製冷已經進入了套用階段，而太陽能吸附式製冷還處在試驗研究階段。

太陽能吸收式製冷的研究。太陽能吸收式製冷的研究最接近於實用化，其最常規的配置是：採用集熱器來收集太陽能，用來驅動單效、雙效或雙級吸收式制冷機，工質對主要採用溴化鋰- 水，當太陽能不足時可採用燃油或燃煤鍋爐來進行輔助加熱。系統主要構成與普通的吸收式製冷系統基本相同，唯一的區別就是在發生器處的熱源是太陽能而不是通常的鍋爐加熱產生的高溫蒸汽、熱水或高溫廢氣等熱源。

太陽能吸附式製冷。太陽能吸附式製冷系統的製冷原理是利用吸附床中的固體吸附劑對製冷劑的周期性吸附、解吸附過程實現製冷循環。太陽能吸附式製冷系統主要由太陽能吸附集熱器、冷凝器、儲液器、蒸發器、閥門等組成。常用的吸附劑對製冷劑工質對 有活性炭- 甲醇、活性炭- 氨、氯化鈣- 氨、矽膠- 水、金屬氫化物- 氫等。太陽能吸附式製冷具有系統結構簡單、無運動部件、噪聲小、無須考慮腐蝕等優點，而且它的造價和運行費用都比較低。

特點優勢

太陽能空調的最大優點在於季節適應性好:一方面，夏季天氣炎熱、太陽輻射強度大，人們對空調的需求大;另一方面，由於夏季太陽輻射強度大，使依靠太陽能來驅動的空調系統可以產生更多的冷量。也就是說，太陽能空調系統的製冷能力是隨著太陽輻射能量的增加而增大的，這正好與夏季人們對空調的迫切需求相匹配。而太陽能熱水器等太陽能熱利用技術的季節適應性並不是很好:冬季寒冷需要太陽能時太陽能輻射強度往往不夠高:而夏季天氣炎熱時太陽能輻射強度則很高，此時對熱水的需求卻很少。因此，太陽能空調製冷顯然是夏季太陽能有效利用的最佳方案。

除了季節適應好這個最大優點以外，太陽能空調還具有以下幾個主要優點:

1. 採用非氟氯烴化合物為工質，對大氣層無破壞作用，有利於環境保護;
   
2. 系統無運動部件，運轉安靜，噪聲很低;
   
3. 可以將夏季製冷、冬季採暖和其它季節提供熱水三種功能結合起來，做到一機多用，四季常用，從而可以顯著地提高太陽能系統的利用率和經濟性。
   

發展現狀

20 世紀70 年代以來，受石油危機的影響，許多國家加強了對於可再生能源的支持。太陽能科技突飛猛進，研究領域不斷擴大，取得了一批較為重要的成果，如複合拋物面鏡聚光集熱器、真空管集熱器、非晶矽太陽能電池、太陽能熱發電、光解水制氫等。1992 年聯合國在巴西召開“世界環境與發展大會”，會議通過了《里約熱內盧環境與發展宣言》、《21 世紀議程》等一系列重要檔案。1992 年以後，世界太陽能利用又進入一個發展期，其特點是太陽能利用與世界可持續發展和環境保護緊密結合併注重科技成果轉化為生產力，發展太陽能產業，擴大太陽能利用領域和規模。1996年以來世界光伏發電高速發展，太陽能電池年產量以30%～40%的年增長率高速發展，套用範圍越來越廣，2000 年世界光伏電池總產量達287.65MW，約有一半左右用於“太陽屋頂”和併網系統。

高溫溫製冷裝備

太陽能製冷成套裝備是由太陽能中高溫集熱器結合製冷設備通過綜合集成和再創新而形成的裝置。經理論和實踐證明，太陽能中高溫系統是最適合太陽能製冷裝備驅動源的必備系統之一，不但製冷轉換效果要比低溫集熱器好；而且製冷範圍大，蒸發溫度範圍能控制在10度至-60度，可以在一台機組上實現多個蒸發溫度，既經濟，又環保。

在現有國內外環境影響下，太陽能行業對高端技術的支撐要求日益加大，校企產、學、研合作也必將成為聯接科研與發展的重要模式。在此方面，以2013年3月31日由青島雲鼎集團、泰山集團、青島科技大學、哈爾濱工程大學共同組建的“首家太陽能製冷成套裝備項目聯合開發中心”為例，在中高溫熱能製冷套用、檢測技術、太陽能與建築一體化和製冷空調等多領域將樹立校企聯合技術攻關的專家、專業形象，將加快推進國內大型企業轉型，提高新能源企業抗風險能力和盈利能力，並形成我國企業在太陽能製冷領域尤其是製冰領域的國內國際競爭優勢，從而確立在製冷領域的核心主導地位，掌握國際話語權，最終助力我國新能源產業實現跨越式發展。

太陽能（華援新能源）製冷示意圖

經調查，“首家製冷裝備聯合開發中心”的組成單位在各自的領域都具有領先地位。其中，青島雲鼎集團是一家集工程建築施工、新能源開發和製造、房地產開發等產業為一體的綜合性集團公司，旗下的山東華援新能源有限公司多年來專注於新能源技術的研發與套用，尤其在太陽能中高溫與菲涅爾線焦透鏡工業套用技術等方面擁有豐富的研發資源，其太陽能槽式集熱技術已榮獲多項國家專利，目前已在亞洲首座槽式太陽熱發電站（CSP）成功套用。泰山集團旗下的泰安華能製冷有限公司則專注於中高溫熱源（太陽能）驅動的氨水吸收製冷設備的研發與生產，是業界公認的製冷專家。而青島科技大學機電學院和哈爾濱工程大學動力與能源工程學院又分別是國內領先的新能源技術研發院校。

太陽能製冷成套裝備的研製成功，及未來的產業化推廣套用，將有效緩解我國夏季因空調製冷而造成的用電緊張的問題；同時，依託專業研究機構利用最前沿創新的國際科技水準，拉動太陽能製冷產業鏈，有望撬動國內萬億元太陽能製冷市場，將在我國能源可持續發展體系建設中發揮基礎性、前瞻性、戰略性的科技支撐和引領示範作用，具有極其深遠的意義。

吸收式空調

在我國，太陽能製冷及空調的研究始於20世紀70 年代後期，其中多數是小型的氨- 水吸收式製冷試驗樣機。例如：天津大學1975 年研製的連續式氨- 水吸收式太陽能製冰機，日產冰量可達5.4kg；北京師範學院1977 年研製成功1.5m2 乾板型間歇式太陽能製冰機，每天可製冰6.8～8kg；華中工學院研製了採光面積為1.5m2，冰櫃容積為70L，以氨- 水為工質對的小型太陽能製冷裝置。1987 年，中國科學院廣州能源研究所與香港理工學院合作在深圳建成了一套科研與實用相結合的示範性太陽能空調與熱水綜合系統。

集熱面積120m2，製冷能力14kW，空調面積為80m2。採用了3 種中溫集熱器和兩台日本生產的單級溴化鋰吸收式制冷機。“九五”計畫期間，國家科委把“太陽能空調”列為重點科技攻關項目。1998 年在廣東省江門市建成的一套大型太陽能熱水示範系統建造在一棟24 層的綜合大樓上，採用平板型集熱器和一台100kW的兩級吸收式制冷機。1999 年在山東省乳山市科普公園的太陽能館又建成了一套大型太陽能空調及供熱綜合示範系統，系統採用熱管式太陽能集熱器和100kW的單級溴化鋰制冷機。國家科技攻關項目北京天普太陽能集團的新能源示範大樓2003 年正式建成，總建築面積8000m2，系統採用熱管式真空管集熱器和U型管式真空管集熱器，空調製冷採用一台200kW的單級溴化鋰制冷機，並採用一台地源熱泵機組作為輔助。2006 年7月份，由長沙遠大空調公司自主開發研製的太陽能空調已經落戶天津華苑軟體園。此太陽能系統由兩台製冷量5815kW 太陽能直燃機、166 個集熱模組、陽光跟蹤系統及相關控制系統構成，為建築面積12 萬m2 大廈提供製冷、採暖。

國內近期關於此項工作的研究方面，大連理工大學的徐士鳴教授等研究了以空氣為攜熱介質的開式太陽能吸收式製冷系統特性並取得了多項研究成果；中國科學院廣州能源研究所在太陽能空調系統的整合設計方面進行了開拓性的工作；華中理工大學的舒水明教授主要進行了太陽能吸收式製冷系統蓄能技術方面問題的研究；上海交通大學的王如竹、劉艷玲提出了一種太陽能燃氣聯合驅動的雙效溴化鋰吸收式空調。

在國外，1983 年世界上最早的大型太陽能吸收式製冷系統在阿拉伯半島國家科威特安裝完成，該系統為建築面積530m2 科威特國防部辦公樓提供製冷。1995 年約旦大學的M.HAMMAD等人研製了改進了的第二代太陽能驅動溴化鋰制冷機。1998 年5 月由北京桑達公司為德國斯圖加特Meissner & Wurst 公司建造的太陽能吸收式空調系統建成。國外各種研究同樣集中於尋求新的工質對、太陽能集熱器的結構與循環性能的關係、系統能量平衡研究、製冷與制熱聯合工作研究等方面。

吸附式空調

相對於太陽能吸收式空調，太陽能吸附式空調的發展相對比較薄弱，起步也比較晚。歐洲在這方面依靠歐盟研究基金，在二十一世紀初，聯合歐洲幾個國家的研究所，做了一些這方面的研究工作。

在德國的弗萊堡，有一套示範運行項目，目前已經運行良久。由此項目衍生出來新的太陽能製冷公司，於2007年推出相應的產品，經過幾年的發展，產品逐步成熟，現在已經在商業化的階段。

目前太陽能吸附式空調的技術中有兩大主流： 以矽膠/水為工作介質對，以及以沸石/水為工作介質對。

相對於太陽能吸附式空調，吸附式空調在技術上有一些優勢。主要體現在工作介質無腐蝕，維護工作量小，工作溫度區域廣等方面。