太陽能光伏斯特林制冷冰箱實驗研究

陳雷，陳曦

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海200093）

太陽能光伏斯特林制冷冰箱實驗研究

陳雷，陳曦

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海200093）

太陽能光伏冰箱系統(tǒng)以太陽能為源動力，與常規(guī)家用冰箱相比有著巨大的優(yōu)勢，不僅不會對環(huán)境造成污染，而且適合用于偏遠(yuǎn)或無電地區(qū)，用于保存食物或藥品。以太陽能光伏斯特林冰箱系統(tǒng)作為研究對象，對光伏驅(qū)動下斯特林冰箱不同控制溫區(qū)進(jìn)行比較，分析冰箱內(nèi)溫度變化情況、斯特林制冷機(jī)功耗情況及不同環(huán)境溫度下耗電情況。

太陽能；光伏制冷；斯特林冰箱；功耗

0 引言

世界能源危機(jī)和環(huán)境污染使得開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展成為人類必須采取的措施。近年來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到了充足的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電不僅是當(dāng)今能源的一個重要補(bǔ)充，更具備成為未來主要能源之一的潛力。斯特林制冷機(jī)是以氦氣或氫氣為工質(zhì)，在封閉系統(tǒng)中應(yīng)用回?zé)嵩韺崿F(xiàn)氣體制冷機(jī)循環(huán)以獲得低溫和冷量的機(jī)械，整個循環(huán)無相變。由于斯特林制冷機(jī)具有高效率、無制冷劑污染、制冷溫區(qū)廣、啟動電流低、制冷量易調(diào)等特點，在環(huán)保節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢，因而作為冰箱、冰柜，特別是對于小容量的家用冰箱以及低溫冰箱的冷源具有相當(dāng)大的優(yōu)越性。

目前，國外對于太陽能光伏冰箱研究較為豐富。Berchowitz等[1]利用光伏驅(qū)動，設(shè)計了一臺太陽能斯特林冰箱。Kattakayam等[2-3]對光伏驅(qū)動的家用冰箱進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)逆變器提供非正弦交流電給冰箱時，冰箱仍可正常進(jìn)行工作，并繪制了冰箱在晴天穩(wěn)定運行狀態(tài)下的能量流圖，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)主要的能量損失來源于箱體的熱量滲透，建議在箱體外側(cè)增加真空絕熱板來提高系統(tǒng)性能。還對逆變器、太陽能制冷系統(tǒng)中的蓄電池匹配、充放電特性等做了研究。Kaplanis等[4]把市售交流冰箱改制成適合于光伏太陽能系統(tǒng)的直流冰箱，采用直流調(diào)速壓縮機(jī)，在光伏冰箱的內(nèi)壁和門的內(nèi)側(cè)增加了一層絕熱材料，發(fā)現(xiàn)冰箱一天的耗電量明顯降低，并對冰箱的調(diào)速等運行特性進(jìn)行了研究。Kim等[5]直接用光電轉(zhuǎn)換效率和壓縮式制冷系統(tǒng)效率的乘積來評價光伏直流制冷系統(tǒng)。Hermes等[6]在環(huán)境溫度為21℃和32℃對斯特林冰箱進(jìn)行實驗和熱力學(xué)分析。國內(nèi)對于太陽能光伏冰箱系統(tǒng)的研究起步相對較晚，但近年來也逐漸引起科研人員的關(guān)注。黃福林[7-8]對一種太陽能電源調(diào)頻冰箱的驅(qū)動進(jìn)行了研究，并對太陽能光伏冰箱系統(tǒng)的太陽能電池陣列和蓄電池的設(shè)計等電力匹配特性進(jìn)行了進(jìn)一步研究。劉群生等[9-10]對太陽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)行了研究分析。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，對實驗中的太陽能光伏冰箱系統(tǒng)進(jìn)行了分析，分析了系統(tǒng)中損失的主要環(huán)節(jié)，指出提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率是提高系統(tǒng)效率的主要方法。

太陽能光伏冰箱可廣泛應(yīng)用于偏遠(yuǎn)的山區(qū)、游牧地區(qū)、島嶼、邊防哨所等地區(qū)的食品和藥品的儲存與冷藏。因此，提出一種太陽能光伏斯特林制冷冰箱。

1 系統(tǒng)的組成及運行原理

太陽能光伏斯特林制冷冰箱系統(tǒng)是由太陽能板、控制器、蓄電池和斯特林冰箱等主要部件組成的。白天在太陽照射充足時，太陽能板吸收太陽能并轉(zhuǎn)換為直流電輸入給冰箱，冰箱內(nèi)有逆變器再轉(zhuǎn)換為交流電驅(qū)動斯特林壓縮機(jī)運行，使制冷系統(tǒng)工作；同時多余的電能則儲存進(jìn)蓄電池中。另外，太陽能光伏系統(tǒng)配有的控制器可以實現(xiàn)對蓄電池過充和過放的保護(hù)功能。在太陽照射不充足時，由太陽能電池板供電同時由蓄電池進(jìn)行供電。在陰天或者夜間，太陽能電池板沒有電量輸出，由蓄電池單獨為冰箱供電。

該斯特林冰箱為twinbird公司產(chǎn)品，型號FPSCC925，其壓縮機(jī)為交流壓縮機(jī)，采用氦氣作為制冷工質(zhì)。冰箱容積為25 L，溫度控制有cool-1、cool-2、cool-3、freeze-1和freeze-2等5個擋位，名義設(shè)計溫度分別為10℃、6℃、3℃、-7℃和-18℃。該冰箱的額定輸入電壓為12 VDC，內(nèi)部有逆變器轉(zhuǎn)換為交流電驅(qū)動壓縮機(jī)運行。

太陽能光伏系統(tǒng)實驗配置應(yīng)滿足系統(tǒng)電壓和功率要求，蓄電池輸出電壓應(yīng)與冰箱額定電壓（12 VDC）相配，并且在完全沒有光照條件下能夠使冰箱正常運行?？刂破鳎ㄏ到y(tǒng)電壓12 VDC）可以有效實現(xiàn)蓄電池的過充、過放、防回流和過熱保護(hù)，延長蓄電池的使用壽命。該系統(tǒng)選用一塊100 W太陽能電池板進(jìn)行供電。

該系統(tǒng)的各部分連接以及數(shù)據(jù)采集點布置情況如圖1所示，實驗地點為上海，為了使太陽能電池板更好的接收太陽輻射，安裝方向朝南，根據(jù)上海地處北緯31.20°，高度角采用32°，實驗過程中傾角不變。圖1中數(shù)據(jù)采集儀采用Agilent34970A，溫度傳感器為T型熱電偶。其中溫度傳感器1點的位置與斯特林冰箱內(nèi)置溫度傳感器位置相同，即1點穩(wěn)定溫度為名義設(shè)計溫度；測試點2和測試點5為冰箱內(nèi)兩側(cè)壁面溫度；測試點4為冰箱內(nèi)空氣溫度；測試點3為底部壁面溫度；測試點6為頂部壁面溫度；測試點7為1點對面壁面溫度。采用UT200數(shù)字鉗式萬用表測量斯特林壓縮機(jī)的輸入交流電壓和交流電流。

圖1 光伏冰箱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic illustration of the photovoltaic refrigerator

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 -7℃工況光伏冰箱測試

實驗是在上海地區(qū)7月末連續(xù)晴天期間進(jìn)行的。將冰箱置于室外，環(huán)境溫度為38℃。實驗前將冰箱打開使冰箱內(nèi)各處溫度與環(huán)境溫度相同之后，關(guān)閉冰箱蓋，啟動光伏斯特林制冷冰箱系統(tǒng)。

圖2為擋位freeze-1時冰箱內(nèi)各點及環(huán)境的溫度變化情況，從實驗數(shù)據(jù)可以看出，在運行180 min之后，測試點1達(dá)到-7℃。同時，測試點4顯示溫度為-1.2℃。產(chǎn)生壁面與空氣溫差主要因為外界環(huán)境溫度與內(nèi)部溫差較大及冰箱的絕熱性能決定的。

圖3為圖2條件下斯特林壓縮機(jī)輸入交流電壓、交流電流和功率變化情況。開機(jī)約10 min內(nèi)，電壓和電流逐步升高。這是因為隨著制冷系統(tǒng)中高低壓壓差的建立，壓縮機(jī)電壓和電流逐步增大之后電壓和電流平緩。在此過程中，電壓為9.00~9.10 VAC，電流為4.90~5.15 A。在運行140 min以后，電壓和電流開始下降；在運行180 min后，兩者基本保持不變，電壓為8 V，電流為4.30 A，壓縮機(jī)功率為34.5 W左右。

圖2 光伏冰箱內(nèi)溫度變化曲線Fig.2 Variationsof temperature in PV refrigerator

圖3 壓縮機(jī)電壓、電流及功率變化情況曲線Fig.3 Variationsof voltage，currentand powerof compression

2.2 光伏冰箱不同擋位測試

為進(jìn)一步了解該冰箱利用太陽能光伏系統(tǒng)的性能，進(jìn)行不同擋位的實驗，以及在相同環(huán)境下使用外接電源直接驅(qū)動冰箱的實驗，從而進(jìn)行比較。實驗中，同樣對冰箱內(nèi)部的溫度、壓縮機(jī)輸入交流電壓和交流電流進(jìn)行了測量。將太陽能驅(qū)動下不同擋位溫度和功率變化情況進(jìn)行了比較。

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，測試點1溫度（即名義設(shè)計溫度）、冰箱內(nèi)空氣平均溫度和最大溫差（冰箱蓋壁面溫度與測試點1溫度之差）如表1所示。其中擋位freeze-2測試點1溫度未達(dá)到名義設(shè)計溫度。

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定后不同擋位光伏冰箱內(nèi)溫度情況Table1 Tem perature in PV refrigerator atdifferent steps after the system is stable

圖4為利用太陽能光伏驅(qū)動下，不同擋位測試點1的溫度變化情況。圖中5組實驗均是在環(huán)境溫度為38℃時進(jìn)行的。從圖中可以看出，冰箱開始運行到55 min，5條曲線基本重合，說明在這段時間內(nèi)5個擋位的制冷效果基本相同。前4個擋位分別在55 min、75 min、85 min、180 min時，冰箱內(nèi)測試點1到達(dá)名義設(shè)計溫度；freeze-2并未達(dá)到名義設(shè)計溫度，在溫度達(dá)到-12℃時，不再下降。

圖5為利用太陽能光伏驅(qū)動下，不同擋位壓縮機(jī)功率變化情況。冰箱開始運行到55 min，freeze-1和freeze-2功率較大，cool-2和cool-3功率較低，原因可能是由于freeze-1和freeze-2均是在11～13點進(jìn)行測試的，cool-2和cool-3是在15～17點進(jìn)行測試的，由于正午時的光照強(qiáng)度高，輸入電壓高、功率高。5條曲線的變化情況基本一致，與圖4的溫度變化情況相吻合，freeze-2曲線顯示功率一直在46 W。

圖4 冰箱內(nèi)不同擋位溫度變化情況曲線Fig.4 Variationsof temperature in refrigeratoratdifferentsteps

圖5 不同擋位壓縮機(jī)功率變化情況曲線Fig.5 Comparison of variationsof compression atdifferent steps

根據(jù)圖5可以算出冰箱不同擋位降溫和保溫過程的功率變化。降溫過程耗電量、穩(wěn)定運行單位時間耗電量和日耗電量（系統(tǒng)運行24 h），如表2所列。

表2 光伏冰箱不同擋位功率及耗電量Table2 Power and power consum ption of PV refrigerator at different steps

2.3 對比實驗及分析

圖6為相同環(huán)境溫度（38℃）下，擋位為cool-3外接電源和太陽能光伏發(fā)電壓縮機(jī)功率變化對比。兩條曲線表明，開始運行10 min功率逐漸升高平緩。外接電源功率變化率高，平緩時功率為48 W，70 min達(dá)到穩(wěn)定；光伏發(fā)電平緩時功率為40 W，90 min冰箱達(dá)到穩(wěn)定。造成功率差別的主要原因是實驗時太陽輻射強(qiáng)度較低，蓄電池電量低造成的。

圖6 cool-3壓縮機(jī)功率變化對比曲線Fig.6 Comparison of variationsof compression atstep cool-3

經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)不論是直通電源還是光伏發(fā)電，在相同環(huán)境溫度下，冰箱達(dá)到穩(wěn)定時，耗電量基本相同，如表3所列。

表3 環(huán)境溫度為38℃和23℃時冰箱耗電量Table.3 Power consum ption of refrigerator in ambientair at38℃and 23℃

環(huán)境溫度為38℃比23℃耗電量高的主要原因有兩點：一方面是由于環(huán)境溫度高，壓縮機(jī)溫度升高，散熱效率降低，冰箱制冷效率降低；另一方面是隨著環(huán)境溫度升高，冰箱內(nèi)空間向環(huán)境的漏熱量增大。

3 結(jié)論

通過對太陽能光伏斯特林冰箱系統(tǒng)的相關(guān)實驗研究，得出結(jié)論：

（1）在環(huán)境溫度為38℃，擋位freeze-1時，斯特林冰箱內(nèi)最低溫度-7℃，滿足冰箱要求。降溫過程耗電量為0.13 kW·h，保溫過程平均功率為34.5 W，日耗電量為0.85 kW·h；

（2）該光伏系統(tǒng)，在無太陽能供電情況下可以提供近1天的正常運行。由于環(huán)境溫度過高，無法達(dá)到freeze-2時名義設(shè)計溫度。因此，需要改善冰箱隔熱材料，提高光伏冰箱制冷性能；

（3）環(huán)境溫度為38℃時耗電量比環(huán)境溫度在23℃要高20%~50%，因此在夏季應(yīng)選用容量較大的蓄電池，保證系統(tǒng)更多天的正常運作。

[1]Berchowitz DM.Stirling coolers for solar refrigerators[C]//In?ternationalApplianceTechnicalConference，1996.

[2]Kattakayam TA，Srinivasan K.Thermal performance charac?terization ofa photovoltaic driven domestic refrigerator[J].In?ternational JournalofRefrigeration，2000，23（3）:190-196.

[3]Kattakayam TA，Srinivasan K.Lead acid batteries in solar re?frigeration systems[J].RenewableEnergy，2004，29（8）:1243-1250.

[4]Kaplanis S，Papanastasiou N.The study and performanceofa modified conventional refrigerator to serve as a PV powered one[J].RenewableEnergy，2006，31（6）:771-780.

[5]Kim DS，F(xiàn)erreira CA I.Solar refrigeration options-a stateof-the-art review[J].International Journal of Refrigeration，2008，31（1）:3-15.

[6]HermesCJL，Barbosa JR.Thermodynamic comparisonofPel?tier，Stirling，and vapor compression portable coolers[J].Ap?plied Energy，2012，91（1）:51-58.

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[8]黃福林.太陽能光伏冰箱系統(tǒng)研究[J].太陽能學(xué)報，1998，19（4）:414-419.

[9]劉群生.太陽能光伏直流冰箱的能量管理和系統(tǒng)匹配研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

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

EXPERIMENTAL ANALYSISOFA SOLAR PHOTOVOLTAIC STIRLING FREEZER

CHEN Lei，CHEN Xi
（Schoolof Engergy and Power Engineering，University of Shanghai for science and Technology，Shanghai 200093，China）

Solar photovoltaic freezer takes solar energy as input power，which has great advantages over regular household refrigerators.It can be applied in preserving food ormedicines，especially used in remote power shortage areas w ithout the environmental pollution.In this paper，a solar photovoltaic Stirling freezerwas tested and analyzed.The cooling performances of the Stirling freezer driven by photovoltaic are tested in detailunder different conditions.Variations of temperaturesw ithin the Stirling freezer and power consumptions are alsomeasured and analyzed under differentambient temperatures.

solarenergy；photovoltaic refrigeration；stirling freezer；power consumption

TB651+.5

A

1006-7086（2017）03-0168-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.03.009

2016-10-25

陳雷（1991-），男，上海人，碩士研究生，主要從事空間制冷技術(shù)研究。E-mail：chenleishangli@163.com。