光伏發電應用的新途徑——光伏制冷系統

孫康杰 上海交通大學工程熱物理研究所

?

光伏發電應用的新途徑——光伏制冷系統

孫康杰 上海交通大學工程熱物理研究所

摘要：光伏發電制冷系統具有環保節能的優點.本文介紹了各種光伏制冷技術的原理、特點及存在問題, 指出提高光伏發電制冷技術的利用效率和降低成本是其實用化的關鍵所在。

關鍵詞:光伏發電;制冷;利用效率

1 國內外光伏發電研究現狀

21世紀以來，世界各國的能源政策都在力求發展可再生能源，以解決化石燃料日益匱乏帶來的能源危機。據英國石油公司（BP）2013年6月發布的《BP世界能源統計年鑒》的數據，北美洲（美國、加拿大和墨西哥等國）2012可再生能源消費量占總量的比例達24%；歐洲及歐亞大陸國家（奧地利、比利時、瑞士等國）則達到41.7%。以德國為例，新能源發電（主要為光伏發電和風力發電）日發電量高達3 000萬W，約占總負荷50%。中國的統計數據顯示，2012年，可再生能源包括風能、太陽能、地熱、生物和垃圾發電等的消費總量達到31.9 Mt油當量，占能量消耗總量的13.4%。因此，我國在制定能源可持續利用和發展戰略時，必須大力發展可再生能源，走綠色能源之路，而分布式光伏發電已成為當今世界最有希望的可再生能源資源之一。

20世紀60年代，美國率先開發分布式光伏發電裝置，在人造地球衛星上使用太陽能作為能源之一。20世紀70年代，美國、以色列等國大量使用分布式光伏發電裝置，并使之商業化，大力推廣民用屋頂光伏發電站。1983年，美國在加州建成當時世界最大分布式光伏發電站，裝機容量達1600萬W。日本于1964年實施補助獎勵辦法，推廣每戶3 000 W 的“市電并聯型太陽能光電系統”，政策規定:第一年政府補助49%經費；以后逐年減少補助。日照充足時，自家發電系統供應負載，若有節余另行儲存。當由于日照不足造成發電量不足或不發電時，所需電力由電力公司提供。這在當時對許多市民具有較大吸引，1996年日本有2 600戶安裝分布式光伏發電系統，1997年達9 400戶，總裝機容量達3 200萬W。德國關閉核電站的能源轉型工程大大加快了分布式光伏發電裝置的應用。截止到2011年底，德國光伏裝機容量達到24.8 GW，到2012年8月底，光伏發電裝機容量達30 GW，其中80%的容量是從低壓電網接入的；意大利的光伏發電裝置裝機容量達12 GW，奧地利太陽能光伏發電裝置裝機容量達170 MW。正是由于大量分布式電源的涌入，2013 年6月德國與其鄰國波蘭發生了關于可再生能源電力輸入電網、干擾電網正常運行的矛盾和爭議。

20世紀80年代，我國開始引進太陽能光伏電池板生產線，由于太陽能光伏電池板可以出口賺取外匯的利益驅動，在2002年無錫尚德的迅速崛起帶動下，2006年全國光伏電池板產量達到438 MW，2007年達到1 188 MW。太陽能光伏電池板產能超過歐洲、日本成為世界第一，所占全球總產量百分比從2002年的1.07%達到2008年的15%。但光伏電池板的大規模生產并未帶動我國太陽能光伏發電事業的發展，其原因是成本太高。

光伏空調系統作為光伏發電的一種，近年來被國外企業廣泛關注。日本、新加坡、澳大利亞等國也紛紛開始不同程度的太陽能空調研究工作。其中，日本的研究很成功。從上世紀80年代到現今，日本已經建成了多套實用性的太陽能制冷空調系統，并且已出口到中東等國。就國內外空調技術形式而言，太陽能空調的研究與應用主要是以熱能驅動的吸收式太陽能空調技術為主，而在光電驅動領域則多采用并網形式，且多用于中央空調的使用。但是在我國，交流并網技術存在很大的制約，首先它仍處于不成熟的發展階段；其次，電網電源質量不高，電壓不穩定、干擾和脈動一直存在于著各種電器設備中，特別是在農村與偏遠地區更是如此；再次，政府針對光伏領域的有關標準和規定、并網技術的要求等方面并未足夠規范；最后，使用小型的并網發電系統，且采用交流并網技術進行并網存在較高的風險成本，上述四種現實障礙，嚴重影響了以家庭為單位的小型風電系統、太陽能發電系統的發展與應用。因此將光伏發電技術與空調制冷相結合可以有效地避免交流并網技術，從而有效地提高太陽能的利用效能。

2 光伏制冷系統

光伏制冷系統實質上是太陽能光伏發電的一種應用， 利用光伏轉換裝置將太陽能轉化為電能.例如太陽能光伏冰箱， 就是將太陽能光伏電池、無刷直流電動壓縮機、冰箱殼體及制冷系統連接起來所得到的一種制冷裝置.利用太陽能光伏電池將太陽能轉化成直流電， 直接推動無刷直流電動壓縮機運轉，從而實現冰箱的制冷運行.太陽能光伏冰箱原理圖如圖1所示。廣東工業大通過表l來說明太陽能光伏冰箱與常規冰箱相比有無競爭力，為了使結果具有可比性[1]， 以BCD-180 型常規冰箱（壓縮機功率為70 W， 耗電量為0.03 kWh）作為比較的基礎。

圖1　太陽能光伏冰箱原理示意圖

有資料表明，我國科研人員在吸取國內外已有太陽能冰箱/冷柜研究成果的基礎上優化整個系統，研制出光伏電池驅動的太陽能冰箱/冷柜[2]，該產品主要技術性能指標是，光伏電池驅動的太陽能冰箱/冷柜容積為190 L， 溫度平均為-18 ～ 5℃之間調節， 經使用測試， 平均正常使用時間達97%以上.光伏電池的峰值功率為300 W， 白天平均產電功率為120 W， 日平均產電量為0.9 kWh，可保證大部分冰箱耗電量的要求， 蓄電池容量150 AH， 可蓄存3～4 d的耗電.德國DANFOSS直流壓縮機最大COP值可達2.0， 且有保護和調速功能.光伏電池驅動的太陽能冰箱/冷柜完全不用電網電力， 依靠太陽能可以實現連續制冷， 可靠性高， 節能環保， 具有巨大的環保和社會效益，但其價格是常規相同容積冰箱的3～4倍.相信隨著光伏電池價格的不斷下降， 太陽能光伏冰箱/冷柜價格也會大幅度下降， 會有很大的市場潛力。

合肥工業大學進行了獨立光伏空調及其制冷技術的研究， 提出了光伏空調系統各參量的優化配置方法， 對光伏空調系統電池陣列最佳傾角的定義進行了闡述。不過文獻中將空調負荷近似處理為全年均衡負載， 其提出的最佳傾角的定義沒有得到體現。合肥工業大學還對光伏空調系統的驅動技術進行了研究， 采用兩相驅動技術可實現單相交流電動機的變頻調速， 使小容量光伏空調系統連續運行， 并采用脈寬調制技術大大改善了電機的運行性能。埃及對光伏空調的研究中提出了一個新的低成本的控制方案。通過限制空調電機的電流和使用最大功率跟蹤功能來降低系統的初始投資， 通過對空調電機轉速控制的優化來降低空調的運行成本。上海交通大學搭建了一個的獨立光伏空調系統交流系統，為一個獨立的的房間供冷與采暖， 以研究系統的匹配性能與運行特點。系統的主要參數見表2，系統原理圖如圖見圖2。

表1　太陽能光伏冰箱與其他類型冰箱的技術經濟比較

表2　獨立光伏空調系統參數

圖2　系統原理圖

3 結語

光伏制冷系統很好地利用了光伏發電和制冷負荷的一致性， 采用現有的成熟技術， 實現較簡單， 性能可靠， 運行中的維護也較方便。光伏制冷技術優先或完全使用太陽能， 有利于降低建筑能耗、減小電網壓力以及降低二氧化碳排放。獨立系統在無電地區可以發揮很大作用， 為當地居民或邊防官兵提供一個舒適的環境， 儲存食物和藥品并網系統則可省去蓄電池的投資和維護費用， 在電網發達地區具有優勢。目前， 越來越多的光伏制冷產品開始進人市場， 具有很好的發展前景。

參考文獻

[1] 陳觀生， 張仁元.太陽能光伏冰箱[ J] .電力需求側管理，2007, 9 （2）:74-76.

[2] 朱軍山， 徐岳生， 劉彩池， 等.一種實用型的太陽能冰箱研究[ J].家電科技， 2005,（6）:52-53.

New Way of Photovoltaic Power Generation Application - Photovoltaic Cooling System

Sun Kangjie
Shanghai Jiaotong University Engineering Thermal Physics Research Institute

Abstract:Photovoltaic power generation and cooling system has advantage of energy saving and environmental protection.The article introduces principles, characteristics and existing problems of all kinds of photovoltaic cooling system.It also points out that improving photovoltaic power generation cooling technology efficiency and reducing cost is key to its practicability.

Key words:Photovoltaic Power Generation, Cooling, Usage Efficiency

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.03.005