三太阳能制冷与空调

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1、太阳能制冷与空调太阳能制冷与空调 太阳能制冷的主要形式太阳能制冷的主要形式 1、光热转换制冷 将太阳光转换成热能，再利用热能作为外界 的补偿，使系统能够达到制冷的目的；主要 包括太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷 和太阳能喷射式制冷。 2、光电转换制冷 先实现光电转换，再利用太阳能电池驱动制 冷机的制冷系统； 主要包括太阳能光伏制 冷和太阳能压缩式制冷。 以使用的补偿过程的不同，制冷大体上可 以分为两大类。 一类是消耗热能，用热量由高温传向低温 的自发过程作为补偿，来实现将低温物体的热 量传送到高温物体的过程。 另一类是消耗机械能，用机械做功来提高 制冷剂的压力和温度，使制冷剂将从低温物体 吸

2、取的热量连同机械能转换成的热量一同排到 环境介质中，从而完成热量从低温物体传向高 温物体的过程。 太阳能制冷系统的类型 从理论上讲，太阳能制冷可以通过太阳 能光电转换制冷和太阳能光热转换制冷两种 途径来实现。 太阳能光电转换制冷，首先是通过太阳 能电池将太阳能转换成电能，再用电能驱动 常规的压缩式制冷机。在目前太阳能电池成 本较高的情况下，对于相同的制冷功率，太太 阳能光电转换制冷系统的成本要比太阳能光阳能光电转换制冷系统的成本要比太阳能光 热转换制冷系统的成本高出许多倍热转换制冷系统的成本高出许多倍，目前尚 难推广应用。因此，本章介绍的内容将不包 括太阳能光电转换制冷。 太阳能光热转换制冷太

3、阳能光热转换制冷 首先是将太阳能转换成热能，再利用热 能作为外界补偿来实现制冷目的。 其中太阳能吸收式制冷已经进入了应用 阶段，而太阳能吸附式制冷、太阳能蒸 汽喷射式 制冷还处在试验研究阶段。 太阳能光热转换制冷，首先是将太阳能转换成热 能(或机械能)，再利用热能(或机械能)作为外界的补 偿，使系统达到并维持所需的低温。 如果按上述消耗热能及消耗机械能这两大类补偿 过程进行分类的话，太阳能制冷系统主要有以下几 种类型。（重点介绍其中两种类型） (1)太阳能吸收式制冷系统(消耗热能)。 (2)太阳能吸附式制冷系统(消耗热能)。 (3)太阳能除湿式制冷系统(消耗热能)。 (4)太阳能蒸汽压缩式制冷

4、系统(消耗机械能)。 (5)太阳能蒸汽喷射式制冷系统(消耗热能)。 太阳能吸收式制冷系统 吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶 液作为工质来运行的。这两种物质在同一压强 下有不同的沸点，其中高沸点的组分称为吸收 剂，低沸点的组分称为制冷剂。 吸收式制冷就是利用溶液的浓度随其温度 和压力变化而变化这一物理性质，将制冷剂与 溶液分离，通过制冷剂的蒸发而制冷，又通过 溶液实现对制冷剂的吸收。 太阳能太阳能吸收式吸收式制冷制冷 该系统的工作原理： 利用太阳能集热器采集热量加热热水；再以 热水加热发生器中的溶液产生冷凝蒸汽，制 冷剂经过冷却、冷凝和节流降压在蒸发器中 由液体汽化吸热实现制冷，之后制冷剂

5、蒸汽 被吸收器中的吸收溶液吸收，吸收完成后再 由泵加压将含有制冷剂的溶液送入发生器进 行加热蒸发，完成一个制冷循环。 目前用作太阳能吸收式制冷的有以溴化锂为吸收剂的制 冷机；另一类吸收式制冷机是氨吸收式制冷机。 太阳能氨水吸收式制冷系统 太阳能吸收式制冷太阳能吸收式制冷特点特点 太阳能吸收式制冷是目前应用太阳能制 冷最成功的方式之一，也较容易实现。 目前太阳能溴化锂吸收式制冷机已广泛 应用在大型空调领域。 但是吸收式制冷系统庞大，运行复杂， 并且制冷剂存在易结晶、腐蚀性强、蒸 发温度只能在0以上等缺点，同时其工 作压力高，具有一定危险性。 太阳能太阳能吸附式吸附式制冷制冷 吸附式制冷是利用物质

6、的物态变化来达到 制冷的目的。 工作过程由热解吸和冷却吸附组成， 基本循环过程是利用太阳能使吸附剂和吸 附质形成的混合物在吸附器中解吸，放出 高温高压的制冷剂气体进入冷凝器，冷凝 出来的制冷剂液体由节流阀进入蒸发器。 制冷剂蒸发时吸收热量，产生制冷效果， 蒸发出来的制冷剂气体进入吸附发生器， 被吸附后形成新的混合物(或络合物)，从 而完成一次吸附制冷循环过程。 用于吸附式制冷系统的吸附式制冷系统的吸附剂-制冷剂组合可以 有不同的选择，例如：沸石-水，活性碳-甲醇等。这些物质均无 毒、无害，也不会破坏大气臭氧层。 太阳能太阳能蒸汽喷射式蒸汽喷射式制冷制冷 太阳集热器成为蒸汽喷射式制冷机循环的热源

7、。在太阳集 热器循环中，工质先后被太阳集热器加热，然后再去加热 低沸点工质至高压状态。高压蒸气进入蒸汽喷射式制冷机 后放热，温度迅速降低，然后又回到太阳集热器和锅炉再 进行加热。 在蒸汽喷射式制冷机循环中，高压蒸气通过蒸汽喷射器的 喷嘴，吸引蒸发器内生成的低压蒸汽，进入混合室。在混 合蒸汽流经扩压室后，速度降低，压力增加，然后进入冷 凝器被冷凝成液体，该液态的低沸点工质在蒸发器内蒸发 ，吸收冷媒水的热量，从而达到制冷的目的。 太阳能蒸汽喷射式制冷太阳能蒸汽喷射式制冷 太阳能蒸汽喷射式制冷系统主要由太阳集热器和蒸汽喷射 式制冷机两大部分组成。它们分别依照太阳集热器循环和 蒸汽喷射式制冷机循环的规

8、律运行。 在喷射式制冷技术中，循环泵是唯一的运行部件，系统设 置比较简单、运行稳定、可靠性高，但喷射制冷效率较低 。 光电转换制冷光电转换制冷 利用光伏转换装置将太阳能转化成电能 后，再用于驱动半导体制冷系统或常规 压缩式制冷系统实现制冷的方法，即光 电半导体制冷和光电压缩式制冷。 其前提是将太阳能转换为电能，其关键 是光电转换技术，必须采用光电转换接 受器，即光电池，它的工作原理是光伏 效应。 太阳能半导体制冷太阳能半导体制冷 利用太阳能电池产生的电能来供给半导 体制冷装置，实现热能传递的制冷方式 。 半导体制冷的理论基础是固体的热电效 应，即当直流电通过两种不同导电材料 构成的回路时，结点

9、上将产生吸热或放 热现象。 （4）珀尔帖效应 在两种不同金属导线组成的环路中接入直流电源，则其中一个 节点的温度降低，吸收外界热量，另一个节点温度升高，向外界放 出热量，这种制冷或制热的现象，就是珀尔帖效应。珀尔帖效应也 是由于两种不同金属节点的电位差引起的，当电流从高电位的金属 （铁）流入低电位的金属（铜）时，其减少的热量将以热的形式向 外界释放；而电流从低电位的金属流入高电位的金属时，则需要从 外界补入能量以提高它的电位，故该节点的温度应低于所处的环境 温度。于是，就能实现制冷的效果。 铜、铁组成闭合回路的珀尔帖效 应示意图 2、核心部件半导体制冷器的原理 当直流电源接通，上面接 头的电流

10、方向是n-p，温度 降低，并且吸热，形成冷 端；下面接头的电流方向 是p-n，温度上升，并且放 热，形成热端。把若干对 热电偶连接起来就构成了 常用的热电堆，借助各种 传热器件，使热电堆的热 端不断散热，并保持一定 的温度，把热电堆的冷端 放到工作环境中去吸热， 产生低温，这就是半导体 制冷的工作原理。 光电压缩式制冷光电压缩式制冷 首先利用光伏转换装置将太阳能转化成电能 ，制冷的过程是常规压缩式制冷。 光电压缩式制冷的优点是可采用技术成熟且 效率高的压缩式制冷技术便可以方便地获取 冷量。光电压缩式制冷系统在日照好又缺少 电力设施的一些国家和地区已得到应用，如 非洲国家用于生活和药品冷藏。但其

11、成本比 常规制冷循环高约34 倍。随着光伏转换 装置效率的提高和成本的降低，光电式太阳 能制冷产品将有广阔的发展前景。 太阳能制冷的优点太阳能制冷的优点 太阳能制冷技术在我国目前还处于试验阶段。 与常规制冷技术相比，具有以下优点： 采用的工质不含氟里昂，硅胶、活性碳、甲 醇、溴化锂等均无毒无害，对大气层的保护意 义明显； 太阳能制冷设备几乎不消耗电能等常规能源 ，因此运行成本几乎可以忽略不计，非常节能 ； 太阳能制冷设备（除压缩式制冷）无运动部 件，系统运行十分安静； 系统在接近真空的状态下运行，无高压爆炸 等危险，安全可靠。 太阳能空调的优点太阳能空调的优点 太阳能空调的最大优点在于季节适应

12、性好：一 方面，夏季烈日当头，太阳辐射能量剧增，人们 在炎热的天气迫切需要空调；另一方面，由于夏 季太阳辐射能量增加，使依靠太阳能来驱动的空 调系统可以产生更多的冷量。 常规电能空调，天热是用电高峰，制冷与 季节耗能矛盾十分突出。 而太阳能空调系统的制冷能力是随着太阳 辐射能量的增加而增大的，这正好与夏季 人们对空调的迫切要求相匹配。 太阳能制冷空调可以用多种方式来实 现，每种方式又都有其自身的特点，这 些将在本章下面几节分别予以介绍。若 以目前使用较多的太阳能吸收式空调为 例，将太阳能吸收式空调系统与常规的 压缩式空调系统压缩式空调系统进行比较，除了季节适 应性好这个最大优点之外，它还具有以

13、 下几个主要优点: (1)传统的压缩式制冷机以氟里昂为 介质， 它对大气层有一定的破坏作用， 特别是蒙特利尔协议书签订后，国际上 将禁用氟氯烃化合物，迫切要求寻找代 用工质； 而吸收式制冷机以不含氟氯烃 化合物的溴化锂为介质，无臭、无毒、 无害，十分有利于保护环境。 (2)压缩式制冷机的主要部件是压缩机 ，无论采取何种措施，都仍会有一定的噪 声；而吸收式制冷机除了功率很小的屏蔽 泵之外，无其他运动部件，运转安静， 噪声低。 (3)同一套太阳能吸收式空调系统可以 将夏季制冷、冬季采暖和其他季节提供热 水三种功能结合起来，做到 一机多用 ，四季常用，从而可以显著地提高太阳 能系统的利用率和经济性。

14、 太阳能空调在现阶段的局限性 (1)虽然太阳能空调可以显著减少常规能源的 消耗，大幅度降低运行费用，但由于现有太阳集热 器的价格较高，造成太阳能空调系统的初始投 资偏高。要解决这个问题的途径，应当是坚持不 懈地降低现有太阳集热器的成本，使越来越多的单 位和家庭具有使用太阳 能空调的经济承受力。 (2)虽然太阳能空调可以无偿利用太阳能 资源，但由于自然条件下的太阳能辐照密度 不高，使太阳集热器采光面积与空调建筑面 积的配比受到限制，因此目前尚只适用于层 数不多的建筑。 要解决这个问题的途径，应当是加紧研 制可产生水蒸气的中温太阳集热器，以便将 中温太阳集热器与蒸汽型吸收式制冷机结合 ，进一步提高

15、太阳集热器采光面积与空调建 筑面积的配比。 (3)虽然太阳能空调开始进入实用化示范 阶段，愿意使用太阳能空调的用户不断增多 ，但由于已经实现商品化的都是大型的溴化 锂吸收式制冷机，目前尚只适用于单位的中 央空调。 解决这个问题的途径，应当是积极研究 开发各种小型的溴化锂吸收式制冷机或 氨-水吸收式制冷机，以便将小型制冷机与 太阳集热器配套，逐步进入千家万户。 太阳能吸收式制冷系统 由于这种制冷方式利用吸收剂的质量分数 变化来完成制冷剂循环，所以被称为吸收 式制冷。 常用的吸收剂制冷剂组合有两种： 一种是溴化锂-水，通常适用于大中型中央 空调； 另一种是水-氨，适用于小型家用空调。 溴化锂吸收式

16、制冷 (1)溴化锂吸收式制冷的工作原理 在溴化锂吸收式制冷中，水作为制冷剂，溴化 锂作为吸收剂。 溴化锂是由碱金属元素锂(Li)和卤族元素 (Br)两种元素组成，分子式LiBr，分子量86.844 ，密度346kgm3(25 时)，熔点549 ，沸 点 1265 。 它的一般性质跟食盐大体类似，是一种稳定的物 质，在大气中不变质、不挥发、不分解、极易溶 解于水，常温下是无色粒状晶体，无毒、无臭、 有咸苦味。 溴化锂水溶液是由溴化锂和水这两种成分组 成，它的性质跟纯水很不相同。纯水的沸点只与 压力有关，而溴化锂水溶液的沸点不仅与压力有 关，而且与溶液的浓度有关。 由于溴化锂本身的沸点很高，极难挥发，所 以可认为溴化锂饱和溶液液面上的蒸气为纯水蒸 气；在一定温度下，溴化锂溶液液面上的水蒸气饱和分压力小 于纯水的饱和压力；而且，浓度越高，液面上水蒸气饱和分压力 越小。 在相同温度的条件下，溴化锂溶液的浓度 越大，其吸收水分