太阳能制冷及冷却系统的综述

太阳能制冷及冷却系统的综述摘要通过利用可再生能源，例如太阳能，来提供冷却，是能源和环境问题的一个重要解决方案。本文对不同的太阳能制冷和冷却方法进行详细谈论，并提出利用太阳能协助工作流体中的冷却系统和他们的最新进展的理论依据和实际应用。热动力制冷技术分为两类：吸附技术（开放系统或封闭系统）和热机械技术（喷射系统）。固体和液体除湿循环代表着开放式系统。液体干燥剂系统比固体干燥剂体系具有更高的热膨胀系数性能（COP）。吸收和吸附技术代表了的封闭系统。吸附制冷通常需要比吸收冷却更低的热源温度。根据COP，通过太阳能吸附系统可以轻松地处理温度较高的问题。喷射器系统代表了热机械的冷却，并具有较高的热COP，相比于其他系统需要较高的热源温度。该研究还提到太阳能混合动力冷却系统的异构的组合对，各种太阳能制冷系统的比较，以及这些系统的一些使用建议。简介能源安全是一个国家需要保证的提供其能源资源的能力，意味着安全供应和价格稳定。能源对国家的经济和发展至关重要，每一个国家的经济增长和技术进步依赖于它[1]，而且可用的能源数量也反映了人民的生活质量。经济，人口和人均能耗导致在过去的几十年中的能源需求的增加。在世界范围内，多数的能源依然由化石燃料提供，而石油仍然是主要的能源来源。因此，矿物燃料是全球变暖的主要原因。随着全球变暖的影响和气候的变化，空调和制冷的需求也随之增加。通过全球成功的保护了臭氧层的鼓舞，科学家和工程师们一直致力于最大限度地减少和扭转全球变暖对环境危害的影响。全球变暖是因为化石燃料（石油，天然气和煤）和其他气体，如甲烷，一氧化二氮，臭氧，含氯氟烃（CFC），氢化氯氟烃（氟氯烃）和水蒸汽的燃烧中释放产生二氧化碳，积聚在大气低层。从2003至2030年，随着世界人口和经济的快速增长，预计世界能源消费总量将增长到71％。近年来，人民对关于全球气候变暖的意识不断增强，并积极的寻找新能源来摆脱对化石燃料的依赖，使全球气候变暖的因素减少。在维也纳保护臭氧层公约（1985年），京都全球变暖议定书（1998年）和蒙特利尔议定书第五次修订（1987）中都在讨论氟氯化碳减排以保护臭氧层，但实际情况依然糟糕。欧盟委员会（EC）在2000年10月1日颁布的2037/2000法规，用于控制和调度所有的消耗臭氧层物质;而且在2015年所有的氟氯烃都将被禁止[3,4]。欧洲关于减少对能源依赖的战略重点有两个：提供不同的能源来源和控制能源消耗量的政策。多元化可再生能源（RES）是其中的关键，因为他们对促进可持续发展[5]有巨大的潜力。1.1.可再生能源术语“可再生能源”指的是随着时间的推移具有取之不竭和天然可再生的特性的自然资源。可再生能源包括风能，太阳能，地热能，生物质能和水电能源[6]。它的高利用率，无论在刺激经济和减少污染都有很大的作用。因此，许多国家的政府开始颁布了各项支持可再生能源发电的政策。其中能源政策的关键是确定可再生能源目标[7]。已经有发达国家在发展不同的可再生能源技术上做出许多努力。在过去几年中[8]，风能的利用正在增加。例如，荷兰，德国，印度和马来西亚正在使用的风力涡轮机发电[9]。在伊朗的西北部，矿物材料被用于生产地热能源，在冰岛，百分之七十（70％）的工厂将地热能用于工业用途[10]。虽然罗马尼亚拥有的巨大可再生能源的潜能，但在2010年，在最终能源消费量中，RES的份额仅为23.4％。无论如何，在2006年和2010年之间，罗马尼亚也排在欧盟可再生能源占最终消费总值（GDP）的比例的第二位[11]。在能替代化石燃料的能源之间，可再生能源如太阳能，风能，是更有价值的。1.2.太阳能近年来，科学家们越来越关注太阳能。各种应用对太阳能的需求有一个骤然增加，例如水加热，建筑物的取暖/降温，烹饪，发电和制冷。太阳能是由太阳的核心内发生的热核反应释放电磁辐射产生的。地球上所有的能源资源都是从太阳（直接或间接）得到的，除了核能，潮汐能和地热能。太阳实际上发送了大量的太阳能到地球[13]的表面上。术语“太阳能常数”表示太阳能辐射进入地球的值。太阳常数的平均值等于1368W/m2[14]。在罗马尼亚,全国一半以上的地区一年的太阳能流量范围在1000-1300kWh/m2/year之间。这种气候使得从3月直到10月，太阳能集热器有40％到90％[15]之间的转换效率。因此，太阳能存在一个重要的潜力。大多数国家现在了解到了太阳能具有巨大的潜力，因为它的清洁性，低廉的价格和自然可用性。例如，它被用于太阳能商业发电厂，如自2001年以来瑞典一直经营的太阳能发电厂。罗马尼亚在太阳能的技术经验代表了该领域未来的发展方向，它是这个领域的先行者。1970年至1980年它安装了大约800000平方米太阳能集热器，是是全球光伏电池的总表面的三分之一。在1984年和1985年达到了发展太阳能装置的高峰，但1990年后，不利的宏观经济发展导致其在生太阳能领域产和投资的放弃。现在，以前安装的集热器面积的大约10％仍然在运行[16]。近年来，许多国家已经面临着制冷系统的一些难题。具体而言，就是夏季期间，商业和住宅的空调需求在不断增加[13]。目前在发展中国家，没有足够的电力来适应高能源消耗的系统，如制冷和冷却。太阳能冷却技术可减少对环境的影响，以及常规的制冷和空调系统中能量消耗的问题。因此，本文来继续讨论由太阳能协助各工作流体的冷却技术的理论基础和实践应用以及他们的最新进展。此外，对各种太阳能冷却系统进行比较并且对使用这些系统给出一些建议。2.太阳能制冷技术太阳能制冷提供了各种各样的冷却技术，用于采用热力驱动周期为基础的太阳能集热器和光伏（PV）为基础的电子冷却系统。图1示为一个太阳能热的冷却系统的示意图。太阳能收集和储存系统由太阳能收集器（SC）通过管道与储热器连接。太阳能集热器转换太阳辐射转化为热能，并在收集器的将热量传递给传热流体。然后，该流体被储存在储热箱（ST），随后被用于各种应用。AC（空调）热单元是由从储罐来的热的制冷剂来执行的，并循环通过整个系统的。由于太阳能是与时间相关的，所有这些冷却系统的成功使用很大程度取决于所使用的储热水箱。太阳能冷却系统的集成蓄热的不同阶段示于表1[17]。与传统的电驱动压缩系统相比，从太阳能制冷可以大大节省一次能源，从而节约能源和保护环境。图1.太阳能热冷却系统原理。表1.太阳能制冷技术的发展阶段。太阳能制冷技术可以用于以太阳能冷却为目的系统。可以通过四种基本方法冷却来实现，太阳能光伏冷却，太阳能热电冷却，太阳能热机械冷却和太阳能热冷却。第一种是基于PV的太阳能系统，其中太阳能转换成电能，并用于制冷，很像传统方法[18]。第二个产品由热电过程来进行冷却[19,20]。第三个用机械能转换为热能，从而产生制冷效果。第四种方法利用了太阳能热的制冷系统，用一个太阳能收集器，直接通过集热管，而不是使用太阳能电力[13]来加热制冷剂。制冷系统的性能是基于这些系统的能量的指标来确定。COP（性能系数）可被如此计算：EuCOPEc（1）其中Eu是冷却可用能量;Ec是被系统消耗的量。另外，能效比（EES），在每瓦特-小时的英国热量单位（BTU/（WH））由等式如下定义：EER=3.413COP（2）每个太阳能制冷技术的详细讨论如下。3.太阳能光伏发电的冷却系统PV电池基本上是将光转换成电能的固态半导体器件。在过去的二十年，为了满足对电力的巨大需求，世界范围内，PV为基础的发电的常规电厂得到了迅速的增长。图2显示了太阳能光伏系统在不同的国家[21]开发的对比而PV电池的输出通常是直流电（DC），但大多数家庭和工业电器使用的是交流电（AC）。因此，一个完整的光伏冷却系统通常包括四个基本组件：光伏模块，电池，变电器和一个蒸气压缩AC机组[22]。1.PV电池通过将光能转换（从阳光）转换成直流电能产生电能。1.当太阳光可用，电池在充电模式下被用于存储的直流电压，在没有日光的放电模式下提供DC电能。电池充电控制器，可用于保护电池过度充电。2.变电器将直流电力转换成交流，然后提供了电能到AC负载的电路。3.AC蒸气压缩机组实际上是由从变电器接收到电力去运行常规的冷却或制冷的系统。光伏系统可作为一个独立的系统（图3），一个混合系统（带有一个油/水力/燃气发电厂的工作），或者以网格或实用联合的系统来运行。虽然PV模块的效率可以通过使用变电器来增加，但COP和效率仍然不理想的。图2.四十年来全球光伏太阳能的发电量。图3.独立光伏系统原理图。4.太阳能热电制冷器在太阳能发电的冷却过程，电力由太阳能PV设备提供或者到珀耳帖冷却系统。使用通过太阳能发电的热电效应和珀耳帖制冷效应的原理，由热电效应来制冷。这样的热电式冰箱已经生产了，原理图在图4。热电发生器通过一个小数目热电偶来产生一个低功率的热电流，相应的也会产生一个高电流。它具有可操作低热源的优点，因此将太阳能转换成有用的电能。该热电式冰箱也是通过少数的由发电机产生的电流运行热的电偶组成的。两部分的组合是与使用基于Bi2Te3[23]的半导体的热电材料相容的。Vella等人[19]表明，热电发电机，从太阳能提取其热量，是热电式冰箱的电功率操作的合适来源。他们研究了联合热电发电机和冰箱的理论和确定所需的两个设备的热电偶的数目的比率。一个4耦合热电发电机已被用于驱动一个单一的耦合冰箱。低于0◦C温度已经被全球约40K的发电机实现的温差所述热电式冰箱是一种独特的冷却系统，其中，所述电子气作为工作流体。在最近几年，由于对传统的家用制冷系统中使用的氟氯化碳的造成环境污染的担忧，鼓舞了增加研究和使用Peltier模块的家用冰箱的活动。此外，热电及相关领域的最新进展已经导致Peltier模块的制造成本显著减少和换热器模块共同提高性能。虽然一个Peltier模块的COP比传统压缩机单元的低，但国内已经作出努力来开发热电冷却系统，来利用与该固态能量转换技术[18]相关的优点。该技术的其他应用是空调和医疗器械。图4.太阳能光热电动冷却系统原理图。5.太阳能热机械冷却在热机械太阳能冷却系统中，热能被转换成机械能。然后将机械能用于产生制冷效果。蒸汽喷射器系统代表热机械冷却技术。图5说明了蒸汽喷射器系统集成了抛物面太阳能收集器的SC。由太阳能收集器中产生的蒸汽通过蒸汽喷射器E。在此过程中，蒸发器压力降低，并且水在蒸发器V通过从冷水吸收热量蒸发。图5.蒸汽喷射太阳能冷却系统的示意当不需要冷却时，蒸汽涡轮机可用于产生电能。大部分的蒸汽喷射器系统的需要的蒸汽在0.1-1.0兆帕的范围内的压力，温度在120-180◦C[24]的范围内。然而，Loehrke[25]提出并证实，该蒸汽喷射器系统，可以利用低温的太阳能热量在大气压下通过降低操作压力进行操作。Khattab和Barakat[26]以后通过发展在低压和低温的空调操作的太阳能蒸汽喷射周期的详细的数学模型证明了这一概念。在太阳能喷射器的冷却系统的工作流体的不同的性能取决于操作条件。为了比较用过的不同的工作流体的性能，在表2中给出下列值：Tg-发电机的温度;Tc-在电容器C实现的冷凝温度（37◦下与冷却塔冷却，30◦下用冷水冷却）;Pg-在发电机G（在系统中的最大压力）的压力;Pe-在蒸发器V中的压力（在系统中的最小压力）;COP-性能的理论系数;nej-弹射器效率;COPr=nej·COP-性能的实系数;QSC-需要由太阳能收集器，在发电机供给的热量以达到1.16×104W的冷却功率;Asc太阳能集热器面积，假设0.50.8千瓦/米2和捕捉太阳辐射的效率，以达到1.16×104W.冷却能力。考虑到平板集热器，可以很容易地提供太阳能热温度大约为Tg=85◦C，以及抛物线缸聚光集热可以采用Tg=130◦C.从该表的结果作为工作流体分析的COP值的对比，在水和氟利昂之间，其中最好的是R-11。水和R-11的COP有可比性，但是在系统中的操作压力有很大的不同。此外，对于使用的平板集热器（TG=85◦C），蒸汽喷射器的冷却系统的工作完全被抑制（Pe和Pg低于大气压）。因此，如果使用水作为制冷剂，泄漏的