太陽(yáng)能光伏直流冰箱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

蔡春森，李 健，袁銀男，鄒 毅，喜冠南

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通226019；2.南通怡柯新能源科技有限公司，江蘇南通226019)

隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展以及太陽(yáng)電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，給太陽(yáng)能資源豐富但電力匱乏的偏遠(yuǎn)山區(qū)、島嶼等地區(qū)配備必要的食品、藥品等貨物冷凍冷藏設(shè)備帶來(lái)了重大便利。光伏發(fā)電技術(shù)源于將太陽(yáng)的輻射能量轉(zhuǎn)化為電能，因此太陽(yáng)的日照狀況很大程度上制約了光伏制冷技術(shù)在冷凍冷藏設(shè)備上的應(yīng)用。目前，國(guó)外對(duì)光伏冰箱的研究較為豐富，Thomachan A K等[1-3]對(duì)小型太陽(yáng)能-蓄電池冰箱系統(tǒng)中蓄電池的匹配、充放電特性等方面做了系統(tǒng)的研究。研究表明蓄電池的應(yīng)用能夠保證該系統(tǒng)的正常運(yùn)行。Kaplanis S等[4]將一臺(tái)傳統(tǒng)電冰箱系統(tǒng)改造成了12 V光伏直流冰箱，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析研究。Modi A等[5]對(duì)太陽(yáng)電池供電運(yùn)行、蓄電池供電運(yùn)行及斷電3種情況下的冰箱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示系統(tǒng)的制冷效率(COP)值從早上到下午逐漸減小。國(guó)內(nèi)對(duì)光伏冰箱的研究起步相對(duì)較晚，代彥軍等[6]針對(duì)一種太陽(yáng)能半導(dǎo)體冰箱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與性能分析，實(shí)驗(yàn)表明冰箱性能與太陽(yáng)輻射條件有很大關(guān)系，存在分別使COP和制冷量達(dá)到最大值的最佳太陽(yáng)輻照度。劉群生等[7]對(duì)太陽(yáng)能光伏直流冰箱系統(tǒng)的能量管理和系統(tǒng)匹配等問題進(jìn)行了深入研究分析。

目前技術(shù)條件下，太陽(yáng)能光伏冰箱要想達(dá)到實(shí)用化還有一定的困難，光伏電池板的輸出效率、氣象狀況以及系統(tǒng)的匹配控制等一系列因素很大程度上影響著系統(tǒng)的性能。本研究以24 V光伏直流冰箱系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)分析冰箱系統(tǒng)在運(yùn)行過程中各部件的電流、電壓以及冰箱內(nèi)部溫度的變化情況，探討了系統(tǒng)的性能效果。

1 系統(tǒng)部件選型及運(yùn)行原理

本研究中的光伏直流冰箱系統(tǒng)包括太陽(yáng)能光伏電池板、鉛酸蓄電池、光伏控制器以及直流冰箱等部件，本系統(tǒng)所用的直流冰箱是在一臺(tái)傳統(tǒng)的交流電冰箱的基礎(chǔ)上改造而成，改造后直流冰箱壓縮機(jī)的額定功率為66 W，制冷劑為R134a，冰箱總?cè)莘e為90 L。根據(jù)改造后冰箱系統(tǒng)的需求，所選擇的光伏電池板必須滿足電壓及功率兩方面的要求，本系統(tǒng)采用兩塊功率為70 W的光伏電池板串聯(lián)為系統(tǒng)供電，兩個(gè)12 V鉛酸蓄電池串聯(lián)滿足系統(tǒng)24 V工作電壓的需求。

該系統(tǒng)運(yùn)行原理：太陽(yáng)光輻射到太陽(yáng)能板上，太陽(yáng)能板將其轉(zhuǎn)化為直流電，直流電經(jīng)過控制器為系統(tǒng)供電，控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的過充電及過放電的保護(hù)功能。如果光照充足，光伏電池板一方面為直流冰箱供電，另一方面為蓄電池充電；如果光照不足，則光伏電池板和蓄電池一并為冰箱供電；在陰雨天氣情況下，光伏電池板沒有電量輸出，由蓄電池單獨(dú)為冰箱供電。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

冰箱系統(tǒng)的各部件連接以及數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布置情況如圖1所示，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為南通，為使光伏電池板能接受最佳光照輻射，根據(jù)南通地處北緯32°01'，選擇光伏電池板傾角約為32°。圖1中點(diǎn)劃線連線部分表示的是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)光伏電池板、蓄電池及冰箱負(fù)載處的電壓、電流信號(hào)采集線，虛線連線部分表示的是冰箱內(nèi)部溫度以及環(huán)境溫度采集線。圖1中電信號(hào)采集卡以及溫度采集卡分別采用了北京中泰USB7600A以及USB7411兩種數(shù)據(jù)采集卡，溫度傳感器為PT100，分別使用兩種調(diào)理模塊對(duì)電路中的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以便于信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。

圖1 光伏直流冰箱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究是在南通地區(qū)10月中各種不同氣象條件下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)時(shí)冰箱置于室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)前打開冰箱箱門，使得冰箱內(nèi)部溫度與室內(nèi)溫度保持充分平衡之后啟動(dòng)光伏直流冰箱壓縮機(jī)工作。圖2所示為當(dāng)月幾種相同氣象條件下各時(shí)間點(diǎn)光伏電池板輸出功率的對(duì)比情況，由各時(shí)間點(diǎn)光伏電池板輸出功率分布可以看出，相同氣象狀況下光伏電池板的輸出功率分布基本一致；晴天下午14:00之后光伏電池板的輸出功率與多云狀況下的光伏電池板的輸出功率分布較為接近；陰天狀況下光伏電池板的輸出功率趨近0，此種狀況光伏電池板輸出功率可以忽略不計(jì)。

圖2 光伏電池板輸出功率對(duì)比圖

2.2.1 系統(tǒng)空載實(shí)驗(yàn)與分析

選取當(dāng)月某個(gè)典型的晴好天氣對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了空載實(shí)驗(yàn)，冰箱內(nèi)部不放任何負(fù)載，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天室內(nèi)溫度(24±1)℃。圖3所示為當(dāng)日9:00至11:00時(shí)間段內(nèi)光伏直流冰箱運(yùn)行過程中圖1各溫度采集點(diǎn)的溫度變化情況，冰箱運(yùn)行約0.5 h之后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，在冰箱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中離蒸發(fā)排管越近，該處的溫度波動(dòng)越大，測(cè)試點(diǎn)2處的溫度波動(dòng)最大，其最大溫度波動(dòng)約為2℃。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因在于壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，蒸發(fā)排管周圍的部分冷量傳遞給了箱內(nèi)溫度相對(duì)較高的地方(圖1中測(cè)試點(diǎn)3、測(cè)試點(diǎn)4處)。

圖3 冰箱空載溫度變化曲線

圖4所示為相同時(shí)間段內(nèi)光伏直流冰箱運(yùn)行過程中的功耗曲線，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行之前冰箱的工作功率變化較大，冰箱剛開機(jī)的時(shí)候功率迅速上升到68.9 W，然后下降到48.5 W，隨之再上升到55.9 W，之后功率逐漸下降，這是因?yàn)閴嚎s機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)需要一定的轉(zhuǎn)矩力，待壓縮機(jī)啟動(dòng)后功率下降，之后隨著制冷系統(tǒng)內(nèi)壓差的形成功率逐漸上升。隨著冷柜內(nèi)溫度的逐漸降低，所需功率也隨之減少，系統(tǒng)功率逐漸下降。冰箱運(yùn)行約0.5 h后第一次停機(jī)，之后冰箱進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行循環(huán)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中冰箱的運(yùn)轉(zhuǎn)率約為48.8%。

圖4 冰箱空載功耗曲線

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，計(jì)算得出該直流冰箱空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的平均功率約為28.8 W，由此計(jì)算得出該冰箱空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行一天的總能耗約為0.691 kWh。晴天氣象狀況下光伏電池板平均輸出功率約為66 W，云層較多的多云氣象狀況下光伏電池板平均輸出功率約為36 W，陰雨氣象狀況下光伏電池板輸出功率為0。按南通10月份日均光照9 h以及光伏系統(tǒng)蓄電池最佳循環(huán)放電深度為50%計(jì)算，連續(xù)晴天氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長(zhǎng)維持運(yùn)行25天，連續(xù)多云氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長(zhǎng)維持運(yùn)行6天，陰雨氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長(zhǎng)維持運(yùn)行3天。

2.2.2 系統(tǒng)帶蓄冷負(fù)載實(shí)驗(yàn)與分析

該實(shí)驗(yàn)同樣選擇10月某個(gè)典型晴好天氣進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前在冰箱內(nèi)部蒸發(fā)器上方放置裝有0.5 kg純水的水袋作為蓄冷負(fù)載，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天室內(nèi)溫度為(22±1)℃。

圖5所示為當(dāng)日9:30至12:00時(shí)間段內(nèi)光伏直流冰箱運(yùn)行過程中圖1各溫度采集點(diǎn)的溫度變化情況，冰箱運(yùn)行約1小時(shí)20分鐘之后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，與圖3空載實(shí)驗(yàn)溫度變化比較，可以明顯看出從開機(jī)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，帶蓄冷負(fù)載冰箱用時(shí)要長(zhǎng)的多，這是因?yàn)樵诖诉^程中，制冷系統(tǒng)要將箱內(nèi)蓄冷負(fù)載的熱負(fù)荷帶走。

圖5 帶負(fù)載冰箱溫度變化曲線

圖6所示為該時(shí)間段內(nèi)冰箱功率的變化情況，對(duì)比圖4可知，帶負(fù)載時(shí)冰箱的功耗與空載情況下的功耗基本相當(dāng)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，冰箱的運(yùn)轉(zhuǎn)率約為40.1%，這是由于放入0.5 kg的水起到了蓄冷的作用，從而降低了冰箱的啟停次數(shù)與運(yùn)行時(shí)間。

3 結(jié)論

通過建立24 V光伏直流冰箱系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究分析可知：

(1)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本研究中搭建的光伏直流冰箱系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行，空載狀態(tài)下，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中冰箱的運(yùn)轉(zhuǎn)率約為48.8%，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的平均功率約為28.8 W；

圖6 帶負(fù)載冰箱功耗曲線

(2)南通10月氣象狀況下，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出：連續(xù)晴天氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長(zhǎng)維持運(yùn)行25天，連續(xù)多云氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長(zhǎng)維持運(yùn)行6天，陰雨氣象條件下冰箱系統(tǒng)最長(zhǎng)維持運(yùn)行3天；

(3)在加入0.5 kg水作為蓄冷負(fù)載之后，冰箱的穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)率約為40.1%，有效地提高了冰箱的性能，若是選用適量相變潛熱更大的材料作為蓄冷材料，冰箱的各項(xiàng)特性將會(huì)有更大的提高。

[1]THOMACHAN A K，SRINIVASAN K.Experimental investigation on a series-parallel cluster of photovoltaic panels[J].Solar Energy，1997，61(4):231-240.

[2]THOMACHAN A K，SRINIVASAN K.Thermal performance characterization of a photovoltaic driven domestic refrigerator[J].International Journal of Refrigeration，2000，23(3):190-196.

[3]THOMACHAN A K，SRINIVASAN K.Lead acid batteries in solar refrigeration systems[J].Renewable Energy，2004，29(8):1243-1250.

[4] SOCRATES K，NIKOLAOS P.The study and performance of a modified conventional refrigerator to serve as a PV powered one[J].Renewable Energy，2006，31(6):771-780.

[5]MODI A，CHAUDHURI A，VIJAY B，et al.Performance analysis of a solar photovoltaic operated domestic refrigerator[J].Applied Energy，2009，86(12):2583-2591.

[6] 代彥軍，王如竹，倪靚.太陽(yáng)能半導(dǎo)體冰箱實(shí)驗(yàn)研究與性能分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2002，23(6)：754-758.

[7] 劉群生，付鑫，張鵬，等.太陽(yáng)能光伏直流冰箱系統(tǒng)性能研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28(2)：184-188.