专题三 太阳能制冷与空调.ppt
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1、太阳能制冷与空调太阳能制冷与空调太阳能制冷的主要形式太阳能制冷的主要形式1 1、光热转换制冷、光热转换制冷将太阳光转换成热能,再利用热能作为外界将太阳光转换成热能,再利用热能作为外界的补偿,使系统能够达到制冷的目的;主要的补偿,使系统能够达到制冷的目的;主要包括太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷包括太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。和太阳能喷射式制冷。2 2、光电转换制冷、光电转换制冷先实现光电转换,再利用太阳能电池驱动制先实现光电转换,再利用太阳能电池驱动制冷机的制冷系统;冷机的制冷系统;主要包括太阳能光伏制主要包括太阳能光伏制冷和太阳能压缩式制冷。冷和太阳能压缩式制冷。
2、以使用的补偿过程的不同,制冷大体上可以使用的补偿过程的不同,制冷大体上可以分为两大类。以分为两大类。一类是消耗热能一类是消耗热能,用热量由高温传向低温,用热量由高温传向低温的自发过程作为补偿,来实现将低温物体的热的自发过程作为补偿,来实现将低温物体的热量传送到高温物体的过程。量传送到高温物体的过程。另一类是消耗机械能另一类是消耗机械能,用机械做功来提高,用机械做功来提高制冷剂的压力和温度,使制冷剂将从低温物体制冷剂的压力和温度,使制冷剂将从低温物体吸取的热量连同机械能转换成的热量一同排到吸取的热量连同机械能转换成的热量一同排到环境介质中,从而完成热量从低温物体传向高环境介质中,从而完成热量从低
3、温物体传向高温物体的过程。温物体的过程。太阳能制冷系统的类型太阳能制冷系统的类型 从理论上讲,太阳能制冷可以通过太阳从理论上讲,太阳能制冷可以通过太阳能能光电转换制冷和太阳能光热转换制冷光电转换制冷和太阳能光热转换制冷两种两种途径来实现。途径来实现。太阳能光电转换制冷,首先是通过太阳太阳能光电转换制冷,首先是通过太阳能电池将太阳能转换成电能,再用电能驱动能电池将太阳能转换成电能,再用电能驱动常规的压缩式制冷机。在目前太阳能电池成常规的压缩式制冷机。在目前太阳能电池成本较高的情况下,对于相同的制冷功率,本较高的情况下,对于相同的制冷功率,太太阳能光电转换制冷系统的成本要比太阳能光阳能光电转换制冷
4、系统的成本要比太阳能光热转换制冷系统的成本高出许多倍热转换制冷系统的成本高出许多倍,目前尚,目前尚难推广应用。因此,本章介绍的内容将不包难推广应用。因此,本章介绍的内容将不包括太阳能光电转换制冷。括太阳能光电转换制冷。太阳能光热转换制冷太阳能光热转换制冷首先是将太阳能转换成热能,再利用热首先是将太阳能转换成热能,再利用热能作为外界补偿来实现制冷目的。能作为外界补偿来实现制冷目的。其中太阳能吸收式制冷已经进入了应用其中太阳能吸收式制冷已经进入了应用阶段,而太阳能吸附式制冷、太阳能蒸阶段,而太阳能吸附式制冷、太阳能蒸汽喷射式汽喷射式 制冷还处在试验研究阶段。制冷还处在试验研究阶段。太阳能光热转换制
5、冷,首先是将太阳能转换成热太阳能光热转换制冷,首先是将太阳能转换成热能能(或机械能或机械能),再利用热能,再利用热能(或机械能或机械能)作为外界的补作为外界的补偿,使系统达到并维持所需的低温。偿,使系统达到并维持所需的低温。如果按上述消耗热能及消耗机械能这两大类补偿如果按上述消耗热能及消耗机械能这两大类补偿过程进行分类的话,太阳能制冷系统主要有以下几过程进行分类的话,太阳能制冷系统主要有以下几种类型。种类型。(重点介绍其中两种类型)(重点介绍其中两种类型)(1)太阳能吸收式制冷系统太阳能吸收式制冷系统(消耗热能消耗热能)。(2)太阳能吸附式制冷系统太阳能吸附式制冷系统(消耗热能消耗热能)。(3
6、)太阳能除湿式制冷系统太阳能除湿式制冷系统(消耗热能消耗热能)。(4)太阳能蒸汽压缩式制冷系统太阳能蒸汽压缩式制冷系统(消耗机械能消耗机械能)。(5)太阳能蒸汽喷射式制冷系统太阳能蒸汽喷射式制冷系统(消耗热能消耗热能)。太阳能太阳能吸收式吸收式制冷系统制冷系统 吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为工质来运行的。这两种物质在同一压强下有不同的沸点,其中高沸点的组分称为吸收剂,高沸点的组分称为吸收剂,低沸点的组分称为制冷剂。低沸点的组分称为制冷剂。吸收式制冷就是利用吸收式制冷就是利用溶液的浓度溶液的浓度随随其其温度温度和和压力压力变化而变化这一物理性质变化而变化这一物理性质,将制冷剂与溶液
7、,将制冷剂与溶液分离,通过制冷剂的分离,通过制冷剂的蒸发而制冷蒸发而制冷,又通过溶液实,又通过溶液实现对制冷剂的吸收。现对制冷剂的吸收。太阳能太阳能吸收式吸收式制冷制冷该系统的工作原理:该系统的工作原理:利用太阳能集热器采集热量加热热水;再以利用太阳能集热器采集热量加热热水;再以热水加热发生器中的溶液产生冷凝蒸汽,制热水加热发生器中的溶液产生冷凝蒸汽,制冷剂经过冷却、冷凝和节流降压冷剂经过冷却、冷凝和节流降压在蒸发器中在蒸发器中由液体汽化吸热实现制冷由液体汽化吸热实现制冷,之后制冷剂蒸汽,之后制冷剂蒸汽被吸收器中的吸收溶液吸收,吸收完成后再被吸收器中的吸收溶液吸收,吸收完成后再由泵加压将含有制
8、冷剂的溶液送入发生器进由泵加压将含有制冷剂的溶液送入发生器进行加热蒸发,完成一个制冷循环。行加热蒸发,完成一个制冷循环。目前用作太阳能吸收式制冷的有以溴化锂为吸收剂的制目前用作太阳能吸收式制冷的有以溴化锂为吸收剂的制冷机;另一类吸收式制冷机是氨吸收式制冷机。冷机;另一类吸收式制冷机是氨吸收式制冷机。太阳能氨水吸收式制冷系统 太阳能吸收式制冷太阳能吸收式制冷特点特点太阳能吸收式制冷是目前应用太阳能制太阳能吸收式制冷是目前应用太阳能制冷最成功的方式之一,也较容易实现。冷最成功的方式之一,也较容易实现。目前太阳能溴化锂吸收式制冷机已广泛目前太阳能溴化锂吸收式制冷机已广泛应用在大型空调领域。应用在大型
9、空调领域。但是吸收式制冷系统庞大,运行复杂,但是吸收式制冷系统庞大,运行复杂,并且制冷剂存在易结晶、腐蚀性强、蒸并且制冷剂存在易结晶、腐蚀性强、蒸发温度发温度只能在只能在0以上以上等缺点,同时其工等缺点,同时其工作压力高,具有一定危险性。作压力高,具有一定危险性。太阳能太阳能吸附式吸附式制冷制冷吸附式制冷是利用物质的吸附式制冷是利用物质的物态变化物态变化来达到来达到制冷的目的。制冷的目的。工作过程由工作过程由热解吸热解吸和和冷却吸附冷却吸附组成,组成,基本循环过程是利用太阳能使吸附剂和吸基本循环过程是利用太阳能使吸附剂和吸附质形成的混合物在吸附器中解吸,放出附质形成的混合物在吸附器中解吸,放出
10、高温高压的制冷剂气体进入冷凝器,冷凝高温高压的制冷剂气体进入冷凝器,冷凝出来的制冷剂液体由节流阀进入蒸发器。出来的制冷剂液体由节流阀进入蒸发器。制冷剂蒸发时吸收热量,产生制冷效果,制冷剂蒸发时吸收热量,产生制冷效果,蒸发出来的制冷剂气体进入吸附发生器,蒸发出来的制冷剂气体进入吸附发生器,被吸附后形成新的混合物被吸附后形成新的混合物(或络合物或络合物),从,从而完成一次吸附制冷循环过程。而完成一次吸附制冷循环过程。用于吸附式制冷系统的吸附式制冷系统的吸附剂用于吸附式制冷系统的吸附式制冷系统的吸附剂-制冷剂组合可以制冷剂组合可以有不同的选择,例如:沸石有不同的选择,例如:沸石-水,活性碳水,活性碳
11、-甲醇等。这些物质均无甲醇等。这些物质均无毒、无害,也不会破坏大气臭氧层。毒、无害,也不会破坏大气臭氧层。太阳能太阳能蒸汽喷射式蒸汽喷射式制冷制冷太阳集热器成为蒸汽喷射式制冷机循环的热源。在太阳集太阳集热器成为蒸汽喷射式制冷机循环的热源。在太阳集热器循环中,工质先后被太阳集热器加热,然后再去加热热器循环中,工质先后被太阳集热器加热,然后再去加热低沸点工质至高压状态。高压蒸气进入蒸汽喷射式制冷机低沸点工质至高压状态。高压蒸气进入蒸汽喷射式制冷机后放热,温度迅速降低,然后又回到太阳集热器和锅炉再后放热,温度迅速降低,然后又回到太阳集热器和锅炉再进行加热。进行加热。在蒸汽喷射式制冷机循环中,高压蒸气
12、通过蒸汽喷射器的在蒸汽喷射式制冷机循环中,高压蒸气通过蒸汽喷射器的喷嘴,吸引蒸发器内生成的低压蒸汽,进入混合室。在混喷嘴,吸引蒸发器内生成的低压蒸汽,进入混合室。在混合蒸汽流经扩压室后,速度降低,压力增加,然后进入冷合蒸汽流经扩压室后,速度降低,压力增加,然后进入冷凝器被冷凝成液体,该液态的低沸点工质在蒸发器内蒸发,凝器被冷凝成液体,该液态的低沸点工质在蒸发器内蒸发,吸收冷媒水的热量,从而达到制冷的目的。吸收冷媒水的热量,从而达到制冷的目的。太阳能蒸汽喷射式制冷太阳能蒸汽喷射式制冷太阳能蒸汽喷射式制冷系统主要由太阳集热器和蒸汽喷射太阳能蒸汽喷射式制冷系统主要由太阳集热器和蒸汽喷射式制冷机两大部
13、分组成。它们分别依照太阳集热器循环和式制冷机两大部分组成。它们分别依照太阳集热器循环和蒸汽喷射式制冷机循环的规律运行。蒸汽喷射式制冷机循环的规律运行。在喷射式制冷技术中,循环泵是唯一的运行部件,系统设在喷射式制冷技术中,循环泵是唯一的运行部件,系统设置比较简单、运行稳定、可靠性高,但喷射制冷效置比较简单、运行稳定、可靠性高,但喷射制冷效率率较低。较低。光电转换制冷光电转换制冷利用光伏转换装置将太阳能转化成电能利用光伏转换装置将太阳能转化成电能后,再用于驱动后,再用于驱动半导体制冷系统半导体制冷系统或或常规常规压缩式制冷系统压缩式制冷系统实现制冷的方法,即光实现制冷的方法,即光电半导体制冷和光电
14、压缩式制冷。电半导体制冷和光电压缩式制冷。其前提是将太阳能转换为电能,其关键其前提是将太阳能转换为电能,其关键是光电转换技术,必须采用光电转换接是光电转换技术,必须采用光电转换接受器,即光电池,它的工作原理是光伏受器,即光电池,它的工作原理是光伏效应。效应。太阳能半导体制冷太阳能半导体制冷利用太阳能电池产生的电能来供给半导利用太阳能电池产生的电能来供给半导体制冷装置,实现热能传递的制冷方式。体制冷装置,实现热能传递的制冷方式。半导体制冷的理论基础是固体的热电效半导体制冷的理论基础是固体的热电效应,即当直流电通过两种不同导电材料应,即当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时,结点上将产生吸热或放
15、构成的回路时,结点上将产生吸热或放热现象。热现象。(4 4)珀尔帖效应珀尔帖效应 在两种不同金属导线组成的环路中接入直流电源,则其中一个在两种不同金属导线组成的环路中接入直流电源,则其中一个节点的温度降低,吸收外界热量,另一个节点温度升高,向外界放节点的温度降低,吸收外界热量,另一个节点温度升高,向外界放出热量,这种制冷或制热的现象,就是珀尔帖效应。珀尔帖效应也出热量,这种制冷或制热的现象,就是珀尔帖效应。珀尔帖效应也是由于两种不同金属节点的电位差引起的,当电流从高电位的金属是由于两种不同金属节点的电位差引起的,当电流从高电位的金属(铁)流入低电位的金属(铜)时,其减少的热量将以热的形式向(铁
16、)流入低电位的金属(铜)时,其减少的热量将以热的形式向外界释放;而电流从低电位的金属流入高电位的金属时,则需要从外界释放;而电流从低电位的金属流入高电位的金属时,则需要从外界补入能量以提高它的电位,故该节点的温度应低于所处的环境外界补入能量以提高它的电位,故该节点的温度应低于所处的环境温度。于是,就能实现制冷的效果。温度。于是,就能实现制冷的效果。铜、铁组成闭合回路的珀尔帖效铜、铁组成闭合回路的珀尔帖效应示意图应示意图2、核心部件半导体制冷器的原理当直流电源接通,上面接当直流电源接通,上面接头的电流方向是头的电流方向是n-pn-p,温度,温度降低,并且吸热,形成冷降低,并且吸热,形成冷端;下面
17、接头的电流方向端;下面接头的电流方向是是p-np-n,温度上升,并且放,温度上升,并且放热,形成热端。把若干对热,形成热端。把若干对热电偶连接起来就构成了热电偶连接起来就构成了常用的热电堆,借助各种常用的热电堆,借助各种传热器件,使热电堆的热传热器件,使热电堆的热端不断散热,并保持一定端不断散热,并保持一定的温度,把热电堆的冷端的温度,把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热,放到工作环境中去吸热,产生低温,这就是半导体产生低温,这就是半导体制冷的工作原理。制冷的工作原理。光电压缩式制冷光电压缩式制冷 首先利用光伏转换装置将太阳能转化成电能,首先利用光伏转换装置将太阳能转化成电能,制冷的过程是常规压
18、缩式制冷。制冷的过程是常规压缩式制冷。光电压缩式制冷的优点是可采用技术成熟且光电压缩式制冷的优点是可采用技术成熟且效率高的压缩式制冷技术便可以方便地获取效率高的压缩式制冷技术便可以方便地获取冷量。光电压缩式制冷系统在日照好又缺少冷量。光电压缩式制冷系统在日照好又缺少电力设施的一些国家和地区已得到应用,如电力设施的一些国家和地区已得到应用,如非洲国家用于生活和药品冷藏。但其成本比非洲国家用于生活和药品冷藏。但其成本比常规制冷循环高约常规制冷循环高约34 倍。随着光伏转换倍。随着光伏转换装置效率的提高和成本的降低,光电式太阳装置效率的提高和成本的降低,光电式太阳能制冷产品将有广阔的发展前景。能制冷
19、产品将有广阔的发展前景。太阳能制冷的优点太阳能制冷的优点太阳能制冷技术在我国目前还处于试验阶段。太阳能制冷技术在我国目前还处于试验阶段。与常规制冷技术相比,具有以下优点:与常规制冷技术相比,具有以下优点:采用的工质不含氟里昂,硅胶、活性碳、甲采用的工质不含氟里昂,硅胶、活性碳、甲醇、溴化锂等均无毒无害,对大气层的保护意醇、溴化锂等均无毒无害,对大气层的保护意义明显;义明显;太阳能制冷设备几乎不消耗电能等常规能源,太阳能制冷设备几乎不消耗电能等常规能源,因此运行成本几乎可以忽略不计,非常节能;因此运行成本几乎可以忽略不计,非常节能;太阳能制冷设备(除压缩式制冷)无运动部太阳能制冷设备(除压缩式制
20、冷)无运动部件,系统运行十分安静;件,系统运行十分安静;系统在接近真空的状态下运行,无高压爆炸系统在接近真空的状态下运行,无高压爆炸等危险,安全可靠。等危险,安全可靠。太阳能空调的优点太阳能空调的优点太阳能空调的最大优点在于季节适应性好季节适应性好:一方面,夏季烈日当头,太阳辐射能量剧增,人们在炎热的天气迫切需要空调;另一方面,由于夏季太阳辐射能量增加,使依靠太阳能来驱动的空调系统可以产生更多的冷量。常规电能空调,天热是用电高峰,制冷与常规电能空调,天热是用电高峰,制冷与季节耗能矛盾十分突出。季节耗能矛盾十分突出。而而太阳能空调系统的太阳能空调系统的制冷能力是随着太阳制冷能力是随着太阳辐射能量
21、的增加而增大的辐射能量的增加而增大的,这正好与夏季,这正好与夏季人们对空调的迫切要求相匹配。人们对空调的迫切要求相匹配。太阳能制冷空调可以用多种方式来实太阳能制冷空调可以用多种方式来实现,每种方式又都有其自身的特点,这现,每种方式又都有其自身的特点,这些将在本章下面几节分别予以介绍。若些将在本章下面几节分别予以介绍。若以目前使用较多的太阳能吸收式空调为以目前使用较多的太阳能吸收式空调为例,将例,将太阳能吸收式空调系统太阳能吸收式空调系统与常规的与常规的压缩式空调系统压缩式空调系统进行比较,除了进行比较,除了季节适季节适应性好应性好这个最大优点之外,它还具有以这个最大优点之外,它还具有以下几个主
22、要优点下几个主要优点:(1)传统的压缩式制冷机以传统的压缩式制冷机以氟里昂氟里昂为为介质介质,它对大气层有一定的破坏作用,它对大气层有一定的破坏作用,特别是特别是蒙特利尔协议书蒙特利尔协议书签订后,国际上签订后,国际上将将禁用氟氯烃化合物禁用氟氯烃化合物,迫切要求寻找代,迫切要求寻找代用工质;用工质;而吸收式制冷机以不含氟氯烃而吸收式制冷机以不含氟氯烃化合物的化合物的溴化锂溴化锂为介质,无臭、无毒、为介质,无臭、无毒、无害,十分有利于保护环境无害,十分有利于保护环境。(2)(2)压缩式制冷机的主要部件是压缩机,压缩式制冷机的主要部件是压缩机,无论采取何种措施,都仍会有一定的噪声无论采取何种措施
23、,都仍会有一定的噪声;而吸收式制冷机除了功率很小的屏蔽泵之而吸收式制冷机除了功率很小的屏蔽泵之外,无其他运动部件,外,无其他运动部件,运转安静,噪运转安静,噪声低。声低。(3)(3)同一套太阳能吸收式空调系统可以同一套太阳能吸收式空调系统可以将将夏季制冷、冬季采暖夏季制冷、冬季采暖和其他季节提供热和其他季节提供热水三种功能结合水三种功能结合起来,做到起来,做到 一机多用一机多用,四季常用四季常用,从而可以显著地提高太阳能,从而可以显著地提高太阳能系统的利用率和经济性。系统的利用率和经济性。太阳能空调在现阶段的局限性太阳能空调在现阶段的局限性 (1)(1)虽然太阳能空调可以显著减少常规能源的虽然
24、太阳能空调可以显著减少常规能源的消耗,大幅度降低运行费用,但由于现有太阳集热消耗,大幅度降低运行费用,但由于现有太阳集热器的价格较高,造成器的价格较高,造成太阳能空调系统的初始投太阳能空调系统的初始投资偏高资偏高。要解决这个问题的途径,应当是坚持不。要解决这个问题的途径,应当是坚持不懈地降低现有太阳集热器的成本,使越来越多的单懈地降低现有太阳集热器的成本,使越来越多的单位和家庭具有使用太阳位和家庭具有使用太阳 能空调的经济承受力。能空调的经济承受力。(2)(2)虽然太阳能空调可以无偿利用太阳能虽然太阳能空调可以无偿利用太阳能资源,但由于自然条件下的太阳能辐照密度资源,但由于自然条件下的太阳能辐
25、照密度不高,不高,使太阳集热器采光面积与空调建筑面使太阳集热器采光面积与空调建筑面积的配比受到限制,因此目前尚只适用于积的配比受到限制,因此目前尚只适用于层层数不多的建筑。数不多的建筑。要解决这个问题的途径,应当是加紧研要解决这个问题的途径,应当是加紧研制可产生制可产生水蒸气的水蒸气的中温中温太阳集热器太阳集热器,以便将,以便将中温太阳集热器与蒸汽型吸收式制冷机结合,中温太阳集热器与蒸汽型吸收式制冷机结合,进一步提高太阳集热器采光面积与空调建筑进一步提高太阳集热器采光面积与空调建筑面积的配比。面积的配比。(3)虽然太阳能空调开始进入实用化示范虽然太阳能空调开始进入实用化示范阶段,愿意使用太阳能
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