非成像聚光集熱器太陽能制冷實驗測試分析

漢京曉 鐘俞良

（1北京市熱力集團有限責任公司 北京 100026 2北京能源集團有限責任公司 北京 100026 3中廣熱（廣州）能源技術(shù)有限公司 廣東廣州 510030）

引言

太陽能是公認的未來人類最合適、最安全、最綠色、最理想的替代能源之一，具有取用方便、能量巨大、無污染、安全性好等優(yōu)點[1-2]，充分利用太陽能資源進行供能有助于減少化石能源的消耗及環(huán)境的污染。太陽能制冷是太陽能利用的一個重要方向。太陽能制冷季節(jié)的匹配性良好[3-4]：在天氣越熱，太陽輻照越強，越需要制冷的時候，太陽能制冷的效率越高。

從原理上來講，太陽能制冷可分為太陽能光-電制冷和太陽能光-熱制冷兩種方式[5]。太陽能光-電制冷是利用太陽能轉(zhuǎn)換為電能，再利用電能驅(qū)動空調(diào)壓縮機實現(xiàn)制冷[6]，但由于在太陽能光-電轉(zhuǎn)換過程中太陽能光-電轉(zhuǎn)換效率過低，與太陽能光-熱制冷相比，不具有經(jīng)濟上和效率上的優(yōu)勢；太陽能光-熱制冷是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，然后再利用熱能驅(qū)動制冷機制冷[7]，太陽能光-熱制冷可分為太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷和太陽能噴射式制冷三種系統(tǒng)[8]，本文主要探究太陽能吸收式制冷。

1 太陽能吸收式制冷原理

太陽能吸收式制冷通常由太陽能集熱器和溴化鋰吸收式機組組成，系統(tǒng)利用太陽能集熱器加溫后的高溫熱水在發(fā)生器中讓溴化鋰水溶液受熱蒸發(fā)變濃，即用太陽能替代普通吸收式制冷的熱源。太陽能吸收式制冷主要利用了兩個特性：一是在接近真空狀態(tài)，水的蒸發(fā)溫度僅為4℃左右；二是溴化鋰濃溶液吸水能力很強。

太陽能吸收式制冷系統(tǒng)主要由吸收器、發(fā)生器、冷凝器和蒸發(fā)器組成，吸收器中的溴化鋰濃溶液吸收低溫水蒸汽后變稀；發(fā)生器中溴化鋰稀溶液吸收來自太陽能集熱器熱水的熱量后，溶液中的水受熱蒸發(fā)，高溫水蒸氣進入到冷凝器，發(fā)生器中的溴化鋰稀溶液變濃；冷凝器中的高溫水蒸氣在冷卻水的作用下變?yōu)楦邏旱蜏匾簯B(tài)水進入到蒸發(fā)器；蒸發(fā)器中的高壓低溫液態(tài)水吸收來自冷凍水的熱量吸熱膨脹為低溫水蒸氣進入到吸收器，冷凍水溫度降低后即可用于空調(diào)制冷。以下是基本原理圖：

圖1 太陽能吸收式制冷原理圖

2 非成像聚光集熱器

本文引入非成像聚光集熱器作為系統(tǒng)熱源，非成像高效聚光太陽能集熱器外觀結(jié)構(gòu)為平板型集熱器結(jié)構(gòu)，在平板結(jié)構(gòu)內(nèi)部，集熱器由4個雙拋物面太陽能高效聚光槽和4根真空集熱管組成，4根真空集熱管在集熱器內(nèi)部串聯(lián)組成。非成像聚光太陽能集熱器將平板集熱的無縫聚光、真空管集熱的真空保溫及聚光集熱的高聚光比等諸多優(yōu)點融為一體，同時避免了平板集熱器的高熱損、真空管集熱的漏光以及聚光集熱的跟蹤復(fù)雜等缺點。集熱器在采用導熱油為熱循環(huán)工質(zhì)的情況下，集熱溫度能高達180℃，特別適用于中溫集熱及太陽能制冷。

圖2 集熱器室外穩(wěn)態(tài)效率曲線和集熱器實物圖

3 實驗與測試分析

3.1 實驗系統(tǒng)簡介

非成像聚光太陽能集熱吸收式制冷系統(tǒng)主要由20塊非成像聚光太陽能集熱器、1臺單效溴化鋰吸收式制冷機組、1臺保溫水箱、1臺冷卻塔及室內(nèi)空調(diào)風盤末端組成，主要設(shè)備參數(shù)如下：

（1）非成像聚光太陽能集熱器：

表1 非成像聚光太陽能集熱器參數(shù)

（2）單效溴化鋰吸收式制冷機組：

表2 單效溴化鋰吸收式制冷機組參數(shù)

（3）保溫水箱：

表3 保溫水箱參數(shù)

（4）冷卻塔：

表4 冷卻塔參數(shù)

3.2 工藝測點布置

系統(tǒng)主要工藝測點為溫度傳感器測點，采用的溫度傳感器測溫范圍為0-300℃，精度±0.1℃，在數(shù)據(jù)采集儀中的顯示分辨率為0.1℃。主要測點代號如表5所示：

表5 主要測點布置情況

3.3 理論計算

3.3.1 集熱效率

非成像聚光集熱器系統(tǒng)的整體集熱效率可由吸收的能量與入射的能量的比值進行計算，其表達式為：

式中：ηj，非成像聚光集熱器集熱效率；c，集熱器中導熱介質(zhì)的比熱，J/kg·℃；m1，集熱器導熱介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；A，集熱器總集熱面積，m2；G，太陽輻照強度，W/m2；

3.3.2 制冷效率

式中：ηl，系統(tǒng)制冷效率；cp，制冷機組循環(huán)介質(zhì)水的比熱，J/kg·℃；m2，制冷機組熱水側(cè)質(zhì)量流量，kg/s；m3，制冷機組冷凍水側(cè)質(zhì)量流量，kg/s；

3.3.3 系統(tǒng)COP

3.4 測試結(jié)果

實驗共測試3h時長，系統(tǒng)的集熱效率、制冷效率以及系統(tǒng)COP逐時曲線如圖3所示，從圖中可以看出系統(tǒng)集熱效率在中午13:37達到最大值0.69，隨著光照強度的降低，系統(tǒng)集熱效率也逐漸降低，測試階段系統(tǒng)的平均集熱效率保持在0.5左右；系統(tǒng)的制冷效率在集熱效率較為穩(wěn)定的情況下，能達到0.65-0.7；系統(tǒng)綜合COP最高值能達到0.39。此結(jié)果可為太陽能制冷工程提供參考。

圖3 系統(tǒng)效率曲線

針對上述測試結(jié)果，可從系統(tǒng)集熱效率的提升角度增大系統(tǒng)綜合COP：一方面是提高系統(tǒng)管路、設(shè)備的保溫性能；另一方面是從非成像聚光集熱器結(jié)構(gòu)方面進行優(yōu)化和設(shè)計，優(yōu)化集熱器的聚光比來達到更好的效果。

結(jié)語

非成像聚光太陽能制冷系統(tǒng)可實現(xiàn)較為理想的制冷效果，通過非成像集熱器提供高效穩(wěn)定的系統(tǒng)集熱效率系統(tǒng)COP最大值能達到0.39。太陽能熱利用技術(shù)目前較為成熟，太陽能冷利用技術(shù)相對來講起步較晚，本文測試數(shù)據(jù)可為太陽能制冷工程提供參考。