0 引言
近年来,随着能源和环境问题日益严峻,太阳能以其清洁安全、可再生的优点,越来越受到人们的青睐。而太阳能和制冷需求在时间和地域分布上具有良好的匹配性,两者有机结合起来,对缓解能源紧张和保护环境能起到非常积极的作用。
目前太阳能制冷主要有光热驱动和光电驱动两个方向。SAIKIA等[1]使用文献计量方式分析太阳能制冷领域的热点话题和未来发展的趋势。研究发现,尽管目前为止太阳能制冷的重点在光热制冷上,但是随着光伏板价格的持续下降,光伏制冷成为太阳能制冷未来发展的重要方向。
光伏冰箱属于光伏制冷方向的应用,国外较早在该领域开展研究,1999年TOURE等[2]设计了一款多功能光伏冰箱,可以实现药品储存、冷冻等功能。MODI等[3]将家用电冰箱通过添加逆变器等部件改装成光伏冰箱,对其性能测试结果表明,从上午到下午,性能系数（coefficient of performance, COP）随时间而降低。TINA等[4]提出了一种用于独立光伏系统的远程监视系统,该系统可用于辅助优化光伏冰箱和气候条件的匹配。DAFFALLAH等[5]对比12 V和24 V光伏直流冰箱在不同环境温度、负载下的性能表现,发现12 V系统运转率更低,效率更高,为光伏冰箱压缩机等重要部件的选型提供了方向。OPOKU等[6]对比了光伏直流和光伏交流冰箱的性能表现和经济性,发现光伏直流冰箱具有相对较低的功耗和电涌,且系统的成本可以降低18%。EL-BAHLOUL等[7]测试了带相变材料（phase change materials, PCM）的光伏直流冰箱在热干旱地区的性能。李玉恒等[8]建立了用实时天气数据预测冰箱性能的系统模型,据此分析得出辐照度和环境温度是影响冰箱性能的主要因素。曹义泽等[9]对不同辐照下光伏冰箱的最佳负载量进行了研究,为光伏冰箱的高效使用提供了参考。
过去对光伏冰箱的研究多使用蓄电池储能,降低了能量的传递效率。赵志等[10]设计了一种用辐照调节转速的变转速光伏直驱冰箱,通过光伏板直接驱动压缩机运转减少能量传递的损失,同时降低了冰箱的初始成本,并且减轻了系统的重量。由于未使用蓄电池进行储能,这种冰箱不能昼夜连续运行,冰箱开机后一大部分冷量先给整个箱体冷却,导致耗时很久才能制得冰,这限制了光伏直驱冰箱的实际应用。
为此,本文提出一种双蒸发器分级制冷的变转速光伏直驱冰箱,在兼具高效便携等优点的同时,该系统前期只需要冷却小部分箱体,提高了制冷量的利用率,改善了冰箱的速冷性能,可以满足户外出行、军旅作战等场景中快速制冰的需求。另外,在已有的研究辐照控制转速的运行策略的基础上,进一步实验研究了辐照调速模块和光伏板的匹配对系统性能的影响。
1 实验
1.1 系统原理
本文提出的变转速光伏直驱分级制冷冰箱主要由光伏模块、辐照调速模块、箱体等组成。箱体内部被隔板分隔出速冷室和冷冻室,各自配备独立的蒸发器,冷冻室蒸发器装有电磁阀,其开闭由温控器控制,温控器的探点置于速冷室中。开始运行前,根据制冰/冷水的需要,设置一个控制温度,此时电磁阀闭合;太阳光照射在光伏板上,产生直流电直接传给压缩机,当达到冰箱的最低启动辐照后,压缩机以低速开始运行,冰箱的速冷室开始制冷;随着辐照变化,总辐射表和电压放大器组成的辐照调速模块输出的调速电压发生变化,压缩机转速随之变化;当速冷室温度降低到温控器设定的控制温度时,电磁阀打开,冰箱冷冻室也开始制冷。
1.2 实验装置
如图1所示,所用光伏板为多晶硅光伏电池,峰值功率分别为125 W和150 W,而压缩机最大额定功率为60 W,光伏板过配的目的是使压缩机能在低辐照启动和多云天气下稳定运行。箱体部分由小型交流冰箱改装而成,改装后总容量24 L左右,冷凝器压紧在箱体外壳内侧。冷冻室蒸发器置于保温材料和薄钢板之间,内部填充聚氨酯发泡剂。原本的交流压缩机被直流变转速压缩机替代。总辐射表为TBQ-2,灵敏度为10.436 μV/(W/m2),测量精度2%;电压放大器型号为AD620,测量精度为2 mV;使用的温控器为WK-SM5,可以精确到0.1℃;实验的温度参数由T型热电偶测量,精度为 ±0.5℃。箱体置于恒温室内,光伏板安装在室外,方位为正南方向,倾角为30°。
Fig. 1 Experiment device diagram of variable speed photovoltaic direct-driven staged refrigerator图1 变转速光伏直驱分级制冷冰箱示意图 |
1.3 性能评估
冰箱负载的冷却速率为[9]：
$\text{V=}\Delta \text{T}/t$ (1)
式中：ΔT是纯净水下降的温差,℃;t是冷却过程的用时,h。
系统的COP由下式计算：
$\text{COP=}{Q}/{W}\;$ (2)
$Q\text{=}c{{m}_{\text{w}}}\Delta T+\gamma {{m}_{\text{ice}}}$ (3)
式中：Q是冰箱的净制冷量,J;W是冰箱耗电量,W∙h;c是纯净水比热容,4.2×103 J/(kg∙℃);mw是水的质量,kg;γ为单位重量纯净水结冰潜热,335×103 J/kg;mice是制得冰的质量,kg。
实验中冰箱的光伏利用效率η为：
$\eta \text{=}\frac{W}{{{E}_{\text{s}}}}=\ \frac{W}{\int{{{\eta }_{\text{e}}}I}{{A}_{\text{s}}}\text{d}t}$ (4)
式中：Es 是全天投射到光伏板上的太阳能,W∙h;ηe 是光伏板标称发电效率,14.5%;I是光伏板所在平面的辐照强度,W/m2;As是光伏板面积,m2。
瞬时光伏利用效率ηi为：
${{\eta }_{i}}=\frac{P}{{{\eta }_{\text{e}}}I{{A}_{\text{s}}}}$ (5)
式中：P是冰箱输入功率,W。
2 实验结果与分析
2.1 冰箱速冷性能测试
第一部分实验测试冰箱的速冷性能。试验对照组为非速冷模式,在冰箱两个箱室中各放入两瓶500 mL水作为负载,冰箱开机后,直接同时给两个箱室制冷,用该实验表征无速冷功能的冰箱;实验组是速冷模式,设置温控器控制温度为0℃,冰箱开机先给速冷室内的水降温,达到控制温度后,同时给两个箱室制冷。实验组速冷室放1瓶、冷冻室放3瓶水作为负载。冰箱置于20℃恒温室,由直流稳压电源驱动定转速运行。
两组实验的水温变化情况如图2所示。在水温达到4℃有一个拐点,这是由于4℃水密度最高而下沉,瓶底温度较低的水上浮。速冷组冷冻室水温降低的速率先慢后快,转折点是速冷室水温达到温控器控制温度,压缩机开始给冷冻室制冷。
Fig. 2 Variations of water temperature in the refrigerator图2 冰箱水温变化情况 |
对比三组曲线,速冷组速冷室水温下降速度远快于非速冷模式,速冷组冷冻室温降最慢。从实验结果看,非速冷组开机到开始制冰用时3.9 h,速冷组只需要2.4 h,提前了1.5 h左右;速冷组冷却速率为10.83℃/h,非速冷组为6.67℃/h,速冷组冷却速率提高62.5%。本文设计的冰箱可以有效满足户外出行中快速制冰的需求。
2.2 环境温度对冰箱性能的影响
第二部分实验测试了不同环境温度下冰箱的性能。冰箱用直流电源驱动定转速运行,先对速冷室制冷,达到设定温度后,给两个箱室制冷。两箱室各放两瓶纯净水,初始温度为26℃,温控器的控制温度为0℃,实验时长6 h。
由表1可以看出,速冷室负载的冷却速率随环境温度的升高而降低。环境温度从10℃升到30℃,冷却速率从10.70℃/h降低到6.72℃/h,下降了37.2%。环境温度对冰箱的速冷性能影响显著,主要是由于实验冰箱由小型冰箱改装而成,速冷室空间小,相对换热面积较大,单位温升造成的冷量损失更多。户外使用时要加强对冰箱的保温,且可以利用光伏板遮挡速冷室,以降低太阳辐照带来的额外热量。
Table 1 Cooling rate and COP at different ambient temperatures表1 不同环境温度下的冷却速率和COP |
| 环境温度 / ℃ | 冷却速率 / (℃/h) | COP |
|---|---|---|
| 10 | 10.70 | 0.41 |
| 15 | 9.58 | 0.37 |
| 20 | 9.19 | 0.33 |
| 25 | 7.92 | 0.27 |
| 30 | 6.72 | 0.23 |
COP随温度升高明显减小,一方面由于环境温度上升导致冷凝温度提高,压缩机排气压力增大,压比增加,压缩机单位制冷需要的轴功更多;另一方面环境温度升高,冰箱内外温差增大,系统的冷量损失增大。
系统的COP介于0.23 ~ 0.41之间,比常规的冰箱偏低,主要与实验制冷量的计量方式、冰箱换热器面积和制冷剂充注量的不匹配有关：在计量制冷量时,只计算了水获得的冷量,而未将箱体和水瓶等的冷量计算在内;冰箱制冷过程前期只有速冷室蒸发器参与,后期两个蒸发器都参与制冷循环,制冷剂充注量不能同时契合这两种工况,导致系统的综合效率不高,考虑在设计的基础上增加一个储气装置,以提高系统的综合效率。
2.3 光伏驱动下不同光伏板和电压放大器组合实验结果分析
依据现有的辐照控制转速的控制策略,辐照一定时,变转速光伏直驱冰箱的压缩机转速受到电压放大器的影响,电压放大器的放大倍数越高,压缩机转速越快,冰箱的功率更高,因此需要增大光伏板面积以驱动冰箱正常运行。第三部分实验对不同的光伏板和电压放大器匹配下的冰箱全天运行情况进行了研究。第一组实验用150 W光伏板和360倍电压放大器的组合（以下简写作360倍组）,第二组实验用125 W光伏板和300倍电压放大器组合（以下简写作300倍组）。这样选型能使冰箱全天运行时长7 h,以满足户外制冷的需要。光伏板置于室外,冰箱箱体置于20℃的恒温室中,两箱室各放两瓶纯净水,初始温度26℃0,温控器控制温度为0℃。
图3为辐照及压缩机转速变化情况,可以看出两组实验的辐照条件接近,最高辐照在900 W/m2左右,平均辐照强度分别为670 W/m2和678 W/m2,选取这两天的实验有比较好的对比性。从转速曲线看,压缩机转速随辐照大致呈正弦变化,但是同时段360倍组转速显著高于300倍组,对压缩机的性能发挥更彻底。
Fig. 3 Variations of irradiation intensity and compressor rotate speed图3 辐照强度及压缩机转速变化 |
图4为速冷室和冷冻室水温变化曲线。从冰箱开机到速冷室开始制冰,360倍组相比300倍组提前了0.5 h,速冷室冷却速率分别是8.97℃/h和7.56℃/h,相对提高了18.6%;冷冻室的水温在冷冻室开始制冷前已经开始下降,这是由于速冷室的冷量通过隔板传到冷冻室,这段过程中冷冻室的冷却速率分别是3.61℃/h和3.01℃/h,表明速冷室传递给冷冻室的冷量较大,可以通过增加隔板厚度来提高冰箱的速冷性能。实验结束称量冰箱的总制冰量,360倍组和300倍组分别制冰484 g和374 g,制冰量提高了27.8%;净制冷量为380 kJ和344 kJ,相对提高10.7%。
Fig. 4 Variations of water temperature图4 水温变化情况 |
由图5可知,冰箱功率大致跟随转速变化,但是在某时刻陡增,原因是速冷室水温达到温控器控制温度,冷冻室也开始制冷,参与制冷循环的蒸发器面积和制冷剂量增大。360倍组和300倍组冰箱的耗电量分别为359 W∙h和297 W∙h,耗电量增加了20.8%。
Fig. 5 Variations of input power图5 冰箱功率变化情况 |
图6为瞬时光伏利用效率变化情况,可以看出瞬时光伏利用效率早晚较高,中午较低,这是由于光伏板是过配的,辐照越强,冰箱对光伏板所发电能利用越不充分;瞬时光伏利用效率曲线中间陡增是由于功率变化引起的。360倍组和300倍组的全天平均光伏利用效率分别是60.0%和58.4%,差距很小,尚有很大的提升潜力。
Fig. 6 Variations of PV instantaneous utilization efficiency图6 瞬时光伏利用效率变化情况 |
3 结论
用直流电源驱动冰箱定转速运行,测量不同制冷模式、环境温度下冰箱的冷却速率、功率和净制冷量等参数;用光伏驱动冰箱变转速运行,测量不同电压放大器和光伏板的组合下,冰箱的冷却速率、光伏利用效率等,得到如下结论：
（1）与非速冷模式相比,冰箱速冷模式提前1.5 h开始制冰,冷却速率提高了62.5%。本文设计的双蒸发器分级冷却方案显著提高了变转速光伏直驱冰箱的速冷性能,可以有效满足户外出行等离网场景快速制冰的需求。
（2）环境温度对冰箱的速冷性能影响显著。定转速运行时,环境温度从10℃升高到30℃,速冷室的冷却速率下降了37.2%。户外使用要加强对冰箱的保温,可以用光伏板遮挡箱体,以减少太阳照射箱体带来的额外热量。
（3）360倍-150W和300倍-125W两种电压放大器和光伏板的组合下,冰箱的冷却速率分别是8.97℃/h、7.56℃/h,前者比后者提高了18.6%,制冰量提升27.8%。针对实验使用的额定功率60 W的压缩机,360倍-150W的配置更能发挥压缩机的性能,但是光伏板全天平均光伏利用效率不高,电压放大器和光伏板的匹配仍有优化空间。
