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1、户式太阳能空调应用方式分析彭光荣(湖南韶峰水泥集团有限公司 )摘 要 太阳能是绿色能源。户式太阳能空调应用的途径分为供热与制冷两部分 ,本文从技术经济性、如何计算太阳能设备间的匹配等几个方面进行了探讨。关键词 太阳能 空调 应用 方式F F is of by be in as of to 前言在所有的能源中 ,太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源。地球上一年中接收到的太阳能高达 1. 8 1018 h。在我国 ,一至三类地区是太阳能资源丰富之地区 ,面积很大 ,约占全国总面积的三分之二以上 ,其中有些地区燃料资源十分缺乏 ,利用太阳能具有很大的现实意义。在各行各业中 ,统计资料表明 :空调及供
2、热系统是一个耗能大户 ,其总耗能量占总能耗的 30 %左右 ,引进其它形式的新能源 ,减少能耗一直是一个重要的课题。本文将就太阳能在户室空调中应用作一个探讨。2 太阳能应用生产业的现状2. 1 太阳能电池(1) 单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池 ,这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料 ,纯度要求 99. 999 %。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为 15 %左右。(2) 多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池使用多晶硅材料是含有大量单晶颗粒的集合体 ,或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。效率约 12 %左右 ,稍低于单晶硅太阳电池 ,但是材料制造简便 ,节约电耗 ,总的
3、生产成本较低 ,因此得到大量发展。(3) 非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池是 1976 年后出现的新型薄膜式太阳电池 ,它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同 ,硅材料消耗很少 ,电耗更低 ,存在的问题是光电转换效率偏低 ,国际先进水平为 10 %左右 ,且不够稳定 ,常有转换效率衰降的现象。(4) 多元化合物太阳电池多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多 ,以铜硒太阳能电池为例 , 硒太阳电池是以铜、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳电池 ,它是一种多晶薄膜结构 ,一般采用真空镀膜、电沉积、电泳法或化学气相沉积法等工艺来制备 ,材料消耗少 ,
4、成本低 ,性能稳定 ,光电转换效率在 10 %以上 ,因此是一种可与非硅薄膜太阳电池相竞争的新型太阳电池。近来还发展用铜硒薄第 3 卷 第 1 期 2 0 0 3 年 2 月 制 冷 与 空 调 N G 3 ,1003膜加在非晶硅薄膜之上 ,组成叠层太阳电池的可能 ,借此提高太阳电池的效率 ,并克服非晶硅光电效率的衰降。1. 2 太阳能热转换将太阳能转换为热能 ,是太阳能应用中最成功、最普遍的一种。其应用中典型的结构与基本原理如下。(1) 风热式太阳能热水器的运行原理当真空集热管在太阳的照射下产生高温至与被加热的水有热交换价值时 ,控制器控制风机及循环水泵运行 ,风机的运行迫使真空管内的高温热
5、风通过联箱内的热交换器闭路循环 ,对热交换器加热。循环水泵控制储热保温水箱内的冷水通过集热联箱内的热交换器循环 ,冷水吸收热交换器的热量而升温 ,在这样的循环往复中逐渐将储热水箱的水加热升温 (见图 1) 。图 1 风热式太阳能热水器(2) 热管真空管太阳能热水器运行原理利用有低沸点的有机液体作为传热介质封闭在铜管中。在铜管上嵌有选择性涂层的吸热板 ,在真空玻璃管中吸收太阳能转换为热能加热铜管内的介质 ,使介质吸收热能沸腾气化 ,带有热能的介质气化上升至在真空管口外的冷凝端放出热能而液化下降 ,介质吸放热的状态不断转换 ,将真空管内的热量不断传递至冷凝端 ,冷凝端通过连接件紧贴在有循环水的铜管
6、上或直接插入循环水中 ,将热量有效地传给需加热的水。据称 ,这种真空管的集热效率达 70 %左右。如 12 47 - 100L 型 ,真空管直径 47 管数 12 支 ,水箱容量 100 升 ,当环境温度 10 20 晴日时 ,加热水温可至 50 60 ,其尺寸为 1800 1285 1550 采光面积 方米 (图略 ) 。(3) 直插式太阳能热水器的集热原理利用冷水比热水比重大的原理 ,冷水下流 ,热水上升 ,利用这种自然对流循环 ,使水箱中的水不断变热。储热水箱及真空管内均充满水 ,真空管在太阳光线的作用下 ,管内水逐渐被加热 ,由于热水受热 (根据水的物理性质 ) 比重下降 ,就向水箱上
7、浮 ,而水箱中的冷水比重大 ,就向真空管下沉 ,这时 ,真空管的水不断被加热 ,与水箱中的冷水不断的形成温差自然循环 ,在适当的循环过程下 ,将整个储热水箱的水加热到对应太阳下的温度。而储热水箱有内、外胆及保温结构 ,其中的热水因有保温层保温 ,热能损失很少 ,可在需要时取用 ,其光热转换效率约为 30 %(见图 2) 。图 2 直插式太阳能热水器3 户室太阳能空调应用的途径及计算方法3. 1 利用太阳能制冷太阳能制冷 ,有两种方式。一种为压缩式制冷 ,一种为吸收式制冷。压缩式制冷中利用太阳能 ,就是利用太阳能转换为电源进行制冷。这里的关键问题是太阳能供电系统。它涉及以下问题。(1) 太阳能电
8、源系统的形式电源的形式有很多种 ,考虑到太阳能的间歇性。作者认为应该采用如图 3 所示。由图 3 可知 ,合理的选择光伏电池规格、酸铅电池容量是核心。(2) 太阳能电池的匹配设交流电输出功率为 P ,电池组总安时为 M ,交流电输出持续时间为 T ,光伏电池工作时间为输出功率为 电源控制系统损耗为 逆变系统损耗为 有下列关系式 :M = P T/ (1 - N 2) 24 (1)S P = M 24/ S T (1 - N 1) (w) (2)76第 1 期 彭光荣 :户式太阳能空调应用方式分析 图 3 电源系统的形式(其中 ,光伏电池输出为直流电。 )例如 :交流电输出功率 500 W ,其
9、制冷量约为1500 W ,可供家庭之用。普通家庭设平均空调运行时间 T = 4 小时 ,江南地区太阳能峰值持续时间约为 6 小时 ,不计系统损耗的最小太阳能电池峰瓦数可联合 (1)式与 (2)式 ,为 :S P = P T/ (1 - N 2) 24 24/ S T (1 ) = P T/ S T = 500 4/ 6 = 333 设 1统的成本为 V = 20元 ,则系统投资为C = S P V = 333 20 = 6660 元双制空调设运行总时间为 Y = 5 个月 ,电费单价为 E = 1. 00 元 ,则总电费为 P T 30 Y E/ 1000= 500 4 30 5 1/ 100
10、0= 300 元回收年为 6660/ 300 = 22 年。(3) 太阳能电源与制冷设备普通的制冷系统电源是交流电 ,通过直接或变频后与压缩机相连。如果电源改为太阳能供电 ,结合太阳能的特点 ,必须通过变频器与压缩机相连 ,再辅以市电 ,保证系统正常工作。应用变频是为了节约用电。一般空调只运行两季 ,而用户每天都用电 ,所以太阳能电源可兼作照明应急电源 ,是空调与供电实现某种程度的一体化。3. 2 利用太阳能作吸收式制冷热源的空调系统无论如何 ,用太阳能电源作为空调电源目前成本过高 ,而采用吸收式制冷则是切实可行的。图 4为典型的太阳能吸收式空调的流程图。从图中可以看到 ,该系统能否正常工作的
11、关键是集热板的集热状况和双效溴化锂 (或氨 - 水 ) 制冷机的热源 (热水 ) 温度的要求。我国中科院广州能源研究所开发的双级溴机适用 60 - 70 度热源温度 ,而太阳能集热板空烧水温可至 90 度。下面是一组广东江门太阳能吸收式空调系统的实测数据。图 4 太阳能吸收式空调的流程设计制冷量 100 冷冻水温 9 度 ,热源水温75 度 ,空调面积 600 平方米 ,控制系统采用 编程控制器。A 天实测 (12 :00) :热水温度 :进口 55. 7 ,出口 69. 1 ,温差 13. 4。冷冻水温度 :进口 15. 5 ,出口 10. 1 ,温差 5. 4 ,制冷量 102. 8 天实
12、测 : (11 :30)热水温度 :进口 56. 8 ,出口 70. 8 ,温差 14。冷冻水温度 :进口 15. 1 ,出口 9. 5 ,温差 5. 6 ,制冷量 106. 5 天实测 : (13 :00)热水温度 :进口 51. 9 ,出口 60. 2 ,温差 8. 3冷冻水温度 :进口 12. 2 ,出口 6. 8 ,温差 5. 4 ,86制 冷 与 空 调 第 3 卷 制冷量 51. 8 上述数据可以看出 ,该系统工作完全正常。可见 ,此种空调形式与普通空调的差别并不大 ,只要配备相应的热源及合适的制冷机 ,即可完全投入使用。另外 ,值得一提的是 ,可考虑采用蓄冷系统(如地下大容量蓄冷
13、池 ) 将非空调季的太阳能转化为冷源蓄存。这也许会是一种新的应用方式。太阳能空调正朝着商品化方向发展 ,目前针对户式中央空调的发展空挡 ,正是机会。随着太阳能光伏电池及新制冷技术的发展 ,光伏空调的成本将大幅度降低。3. 3 利用太阳能供热利用太阳能供热的系统形式多种多样 ,本文无意探讨主动式与被动式太阳房的组成等 ,仅讨论利用太阳热的计算与经济性。利用太阳热 ,必须包括制热与蓄热。太阳能制热方式从资料上看 ,应该采用真空热管的形式 ,其热效率为 70 %。设 件下太阳能辐射能为J (瓦 / 平方米 ) ,续时间为 S T ,供热系统运行时间为 T ,平均热负荷为 Q ,可知使用真空热管作为采暖热源时所需要的采光面积 F 为 :F = Q T/ ( J S T 0. 7) (3)由 (3)式 ,设 J = 1000 W/ Q = 1500W , S T = 6 小时 , T = 4 小时 ,F = Q T/ ( J S T 0. 7) = 1500 4/ (1000 6 0. 70) = 1. 4 000 元左右 ,可解决采暖问题。一般的太阳能热水器均可达到这样的面积。4 实测数据为了检验太阳能供电系统 ,作者于 5 月份选择了一个晴天、两个阴天
