小型太陽能光伏直流車載冰箱的實驗性能研究

黃 潔，雷明鏡，張 華

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

近年來環保和節能日益成為制冷研究的焦點，而太陽能作為21 世紀最具有開發潛力的新能源之一尤其受關注。伴隨著光伏電池的快速發展，對太陽能光伏直流冰箱系統的研究也成為綠色制冷技術的一個新方向［1-3］。Kattakayam 等［4］對普通家用冰箱進行改造，使其成為適合于光伏太陽能系統的直流冰箱，采用直流變頻壓縮機，增加冰箱保溫層，并對冰箱的變頻運行特性進行了討論。劉群生等［5］采用直流變頻壓縮機研究了一個光伏直流冰箱帶負載和空載時的冷藏/冷凍特性和系統能量分析。本文設計一種小型太陽能光伏直流車載冰箱系統，對其進行啟動和穩定運行特性實驗研究，并分析討論系統能量分布及應用可行性。

1 太陽能車載冰箱制冷系統

太陽能車載冰箱制冷系統由太陽能電池板、制冷系統與冰箱殼體、無刷直流電動壓縮機與蓄電池等連接而成。但是由于太陽輻射不是固定的［3］，僅有蓄電池是不能保證系統穩定運行，還需要一套自動控制系統進行自動控制和保護，從而防止太陽能電池的輸出隨太陽輻射的變化而發生太大的變化，故本文設計的系統配備有控制器。實驗中采用直流壓縮機冰箱，制冷工質為R134a，其臭氧消耗潛能ODP = 0，不消耗臭氧層，容積為45 L，只有一室，可冷藏或冷凍。冰箱所需電源為DC12V-24V，平均功率60 W。根據系統要求，計算得出相匹配的太陽能電池板、蓄電池和控制器的選用參數，結果分別如表1、2 和3 所示。太陽能光伏直流車載冰箱系統實物如圖1 所示。

表 2 蓄電池參數Tab. 2 Parameters of the battery

表 3 控制器參數Tab. 3 Parameters of the controller

圖 1 太陽能光伏直流車載冰箱系統實物Fig. 1 Solar photovoltaic DC car-refrigerator system

2 實驗結果和分析

本實驗利用一臺直流冰箱作為一個獨立的太陽能光伏直流制冷系統的負載，這樣會使系統相對比較簡單，而且得到的結論也不失一般性。實驗是在上海地區4 月份連續晴天期間進行的。

開機前將冰箱的溫度設為0 ℃，以檢測冰箱制冷性能和測量運轉率等。圖2（a）為從開機到穩定運行時冰箱電流變化。從圖中可以看出，制冷時間和光照度有關。冰箱穩定運行時，每隔一段時間制冷一次。上午9:30～10:30 左右，由于光照度相對較弱，太陽能板需要較長的時間給蓄電池充電，制冷所需時間較長，而中午光照度較強，因此冰箱制冷時間相對較短。

圖2（b）為從開機到穩定運行時冰箱溫度的變化。從圖中可以看出，剛開機時溫度為室溫，冰箱工作后開始制冷，溫度逐漸下降并趨于0 ℃。穩定運行時，溫度在0 ℃附近上、下波動，波動范圍上限為5 ℃，下限為-3 ℃，且和圖中冰箱制冷時間相對應。冰箱的溫度控制啟停完全達到預期效果。圖2（c）、（d）分別為從開機到穩定運行時蓄電池電壓、負載功率變化。將圖2（d）與圖2（a）、（b）、（c）對比可知，一旦達到預先設定溫度0 ℃，冰箱即停止運行，負載為0；當溫度升高到4 ℃時，冰箱即再次啟動，如此循環形成啟停周期。

圖 2 從開機到穩定運行時冰箱電流、冰箱溫度、蓄電池電壓、負載功率的變化Fig. 2 Changes of the current，the temperature in refrigerator，the voltage in battery，the load power from start-up to stable operation

圖3（a）、（b）、（c）分別為穩定運行時冰箱電流、負載功率和冰箱溫度的變化。從圖3（a）中可見，冰箱制冷周期比較穩定。第一個周期是從10:56 至11:41 共計45 min，運行時間為21 min，停運時間為24 min；第二個周期是從11:42 至12:38 共計46 min，運行時間為23 min，停運時間為23 min；第三個周期是從12:39 至13:33 共計54 min，運行時間為32 min，停運時間為22 min；

圖 3 穩定運行時冰箱電流、負載功率、冰箱溫度變化Fig. 3 Changes of the current，the load power，the temperature during the stable operation process

第四個周期是從13:33 至14:24 共51 min，運行時間為33 min，停運時間為19 min。故可計算出冰箱在穩定運行時平均運行率為56%。而且，實驗使用的蓄電池容量為100 Ah，完全無日照的情況下冰箱實際穩定運行時間達到34 h，基本達到使用要求。

從圖3（b）中可以看到，穩定運行時每個周期壓縮機運行時，負載均有上升趨勢，即從62 W（第一個周期）上升到65 W（第二個周期）、70 W（第三個周期）、75 W（第四個周期）。這是因為此時大氣溫度是上升的，導致冰箱負載也有上升趨勢。而且，從圖3（b）中14:25 時的負載功率比第四個周期壓縮機運行時的負載功率（75 W）要低也可印證上述現象。

從圖3（c）中可以看出，每到0 ℃，冰箱都能按預期設定停機，但是冰箱的溫控器繼續顯示溫度下降至-2 ℃。這和預定的0 ℃有一定的誤差。這是由于冰箱上安裝的溫控器不夠精確存在遲緩導致。

圖4 為從開機到穩定運行時蓄電池充電電流的變化。運行過程中由于蓄電池充電電流是電池板供應負載電流后剩余的，所以其大小與電池板的發電能力和負載電流有關。

圖 4 從開機到穩定運行時蓄電池充電電流的變化Fig. 4 Changes of the charging current from start-up to stable operation

3 系統能量分析

通過分析系統中各個環節的能量消耗，找出能量消耗較多的環節和部位，并對其用能情況作出評價，指出過程用能改進的潛力和方向［6］。

由于負載冰箱中沒有冷凝器風扇，所以負載功耗Pl為壓縮機功耗，其計算式為

式中，Il、Ul分別為冰箱電流和電壓。

本實驗中Il、Ul平均值分別為4.67 A、12.4 V，故Pl= 57.91 W。

蓄電池充電功率計算式為

式中，Ib、Ub分 別為蓄電池充電電流和充電電壓。

本實驗中Ib、Ub平 均值分別為3.02 A、12.4 V，故Pb= 37.45 W。

太陽能電池板輸出功率Ps計 算式為

式中，Is、Us分 別為太陽能電池板輸出電流、工作電壓。

本實驗中Is平均值為7.69 A，取電池最佳工作電壓為17.2 V，故Ps= 132.27 W。

本實驗中無專門的裝置測試控制器和線路功耗，兩者總功耗是根據實驗數據推算得到?？偣腜c可表示為

因此，Pc= 36.91 W。

根據上述計算可以得出太陽能光伏冰箱系統能量分配，結果如表4 所示。

表 4 太陽能光伏冰箱系統能量分配Tab. 4 Energy distribution of the solar photovoltaic DC car-refrigerator system

4 結 論

在戶外晴朗的實驗條件下，當冰箱實現冷藏功能、預設溫度為0 ℃時，壓縮機輸入功率平均為60 W，平均運行率為56%；在完全無日照情況下并由蓄電池供電時，冰箱可連續運行34 h。實驗結果表明，該系統運行狀況可達到預期目標。該制冷系統最顯著的特點是可移動性強，可廣泛用于汽車、缺電地區（偏遠山區、邊防哨所等）的食品保鮮、冷凍和疫苗血漿等醫療制品的冷藏等。