孫康杰 上海交通大學(xué)工程熱物理研究所

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光伏發(fā)電應(yīng)用的新途徑——光伏制冷系統(tǒng)

孫康杰 上海交通大學(xué)工程熱物理研究所

摘要：光伏發(fā)電制冷系統(tǒng)具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn).本文介紹了各種光伏制冷技術(shù)的原理、特點(diǎn)及存在問題, 指出提高光伏發(fā)電制冷技術(shù)的利用效率和降低成本是其實(shí)用化的關(guān)鍵所在。

關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電;制冷;利用效率

1 國內(nèi)外光伏發(fā)電研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來，世界各國的能源政策都在力求發(fā)展可再生能源，以解決化石燃料日益匱乏帶來的能源危機(jī)。據(jù)英國石油公司（BP）2013年6月發(fā)布的《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)，北美洲（美國、加拿大和墨西哥等國）2012可再生能源消費(fèi)量占總量的比例達(dá)24%；歐洲及歐亞大陸國家（奧地利、比利時(shí)、瑞士等國）則達(dá)到41.7%。以德國為例，新能源發(fā)電（主要為光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電）日發(fā)電量高達(dá)3 000萬W，約占總負(fù)荷50%。中國的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2012年，可再生能源包括風(fēng)能、太陽能、地?zé)帷⑸锖屠l(fā)電等的消費(fèi)總量達(dá)到31.9 Mt油當(dāng)量，占能量消耗總量的13.4%。因此，我國在制定能源可持續(xù)利用和發(fā)展戰(zhàn)略時(shí)，必須大力發(fā)展可再生能源，走綠色能源之路，而分布式光伏發(fā)電已成為當(dāng)今世界最有希望的可再生能源資源之一。

20世紀(jì)60年代，美國率先開發(fā)分布式光伏發(fā)電裝置，在人造地球衛(wèi)星上使用太陽能作為能源之一。20世紀(jì)70年代，美國、以色列等國大量使用分布式光伏發(fā)電裝置，并使之商業(yè)化，大力推廣民用屋頂光伏發(fā)電站。1983年，美國在加州建成當(dāng)時(shí)世界最大分布式光伏發(fā)電站，裝機(jī)容量達(dá)1600萬W。日本于1964年實(shí)施補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)辦法，推廣每戶3 000 W 的“市電并聯(lián)型太陽能光電系統(tǒng)”，政策規(guī)定:第一年政府補(bǔ)助49%經(jīng)費(fèi)；以后逐年減少補(bǔ)助。日照充足時(shí)，自家發(fā)電系統(tǒng)供應(yīng)負(fù)載，若有節(jié)余另行儲(chǔ)存。當(dāng)由于日照不足造成發(fā)電量不足或不發(fā)電時(shí)，所需電力由電力公司提供。這在當(dāng)時(shí)對(duì)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(fā)電系統(tǒng)，1997年達(dá)9 400戶，總裝機(jī)容量達(dá)3 200萬W。德國關(guān)閉核電站的能源轉(zhuǎn)型工程大大加快了分布式光伏發(fā)電裝置的應(yīng)用。截止到2011年底，德國光伏裝機(jī)容量達(dá)到24.8 GW，到2012年8月底，光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)30 GW，其中80%的容量是從低壓電網(wǎng)接入的；意大利的光伏發(fā)電裝置裝機(jī)容量達(dá)12 GW，奧地利太陽能光伏發(fā)電裝置裝機(jī)容量達(dá)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(fā)生了關(guān)于可再生能源電力輸入電網(wǎng)、干擾電網(wǎng)正常運(yùn)行的矛盾和爭議。

20世紀(jì)80年代，我國開始引進(jìn)太陽能光伏電池板生產(chǎn)線，由于太陽能光伏電池板可以出口賺取外匯的利益驅(qū)動(dòng)，在2002年無錫尚德的迅速崛起帶動(dòng)下，2006年全國光伏電池板產(chǎn)量達(dá)到438 MW，2007年達(dá)到1 188 MW。太陽能光伏電池板產(chǎn)能超過歐洲、日本成為世界第一，所占全球總產(chǎn)量百分比從2002年的1.07%達(dá)到2008年的15%。但光伏電池板的大規(guī)模生產(chǎn)并未帶動(dòng)我國太陽能光伏發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，其原因是成本太高。

光伏空調(diào)系統(tǒng)作為光伏發(fā)電的一種，近年來被國外企業(yè)廣泛關(guān)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(diào)研究工作。其中，日本的研究很成功。從上世紀(jì)80年代到現(xiàn)今，日本已經(jīng)建成了多套實(shí)用性的太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)，并且已出口到中東等國。就國內(nèi)外空調(diào)技術(shù)形式而言，太陽能空調(diào)的研究與應(yīng)用主要是以熱能驅(qū)動(dòng)的吸收式太陽能空調(diào)技術(shù)為主，而在光電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域則多采用并網(wǎng)形式，且多用于中央空調(diào)的使用。但是在我國，交流并網(wǎng)技術(shù)存在很大的制約，首先它仍處于不成熟的發(fā)展階段；其次，電網(wǎng)電源質(zhì)量不高，電壓不穩(wěn)定、干擾和脈動(dòng)一直存在于著各種電器設(shè)備中，特別是在農(nóng)村與偏遠(yuǎn)地區(qū)更是如此；再次，政府針對(duì)光伏領(lǐng)域的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定、并網(wǎng)技術(shù)的要求等方面并未足夠規(guī)范；最后，使用小型的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，且采用交流并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行并網(wǎng)存在較高的風(fēng)險(xiǎn)成本，上述四種現(xiàn)實(shí)障礙，嚴(yán)重影響了以家庭為單位的小型風(fēng)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。因此將光伏發(fā)電技術(shù)與空調(diào)制冷相結(jié)合可以有效地避免交流并網(wǎng)技術(shù)，從而有效地提高太陽能的利用效能。

2 光伏制冷系統(tǒng)

光伏制冷系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是太陽能光伏發(fā)電的一種應(yīng)用， 利用光伏轉(zhuǎn)換裝置將太陽能轉(zhuǎn)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(dòng)壓縮機(jī)、冰箱殼體及制冷系統(tǒng)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(zhuǎn)化成直流電， 直接推動(dòng)無刷直流電動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)冰箱的制冷運(yùn)行.太陽能光伏冰箱原理圖如圖1所示。廣東工業(yè)大通過表l來說明太陽能光伏冰箱與常規(guī)冰箱相比有無競爭力，為了使結(jié)果具有可比性[1]， 以BCD-180 型常規(guī)冰箱（壓縮機(jī)功率為70 W， 耗電量為0.03 kWh）作為比較的基礎(chǔ)。

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(nèi)外已有太陽能冰箱/冷柜研究成果的基礎(chǔ)上優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，研制出光伏電池驅(qū)動(dòng)的太陽能冰箱/冷柜[2]，該產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo)是，光伏電池驅(qū)動(dòng)的太陽能冰箱/冷柜容積為190 L， 溫度平均為-18 ～ 5℃之間調(diào)節(jié)， 經(jīng)使用測(cè)試， 平均正常使用時(shí)間達(dá)97%以上.光伏電池的峰值功率為300 W， 白天平均產(chǎn)電功率為120 W， 日平均產(chǎn)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(jī)最大COP值可達(dá)2.0， 且有保護(hù)和調(diào)速功能.光伏電池驅(qū)動(dòng)的太陽能冰箱/冷柜完全不用電網(wǎng)電力， 依靠太陽能可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷， 可靠性高， 節(jié)能環(huán)保， 具有巨大的環(huán)保和社會(huì)效益，但其價(jià)格是常規(guī)相同容積冰箱的3～4倍.相信隨著光伏電池價(jià)格的不斷下降， 太陽能光伏冰箱/冷柜價(jià)格也會(huì)大幅度下降， 會(huì)有很大的市場潛力。

合肥工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了獨(dú)立光伏空調(diào)及其制冷技術(shù)的研究， 提出了光伏空調(diào)系統(tǒng)各參量的優(yōu)化配置方法， 對(duì)光伏空調(diào)系統(tǒng)電池陣列最佳傾角的定義進(jìn)行了闡述。不過文獻(xiàn)中將空調(diào)負(fù)荷近似處理為全年均衡負(fù)載， 其提出的最佳傾角的定義沒有得到體現(xiàn)。合肥工業(yè)大學(xué)還對(duì)光伏空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了研究， 采用兩相驅(qū)動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單相交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速， 使小容量光伏空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行， 并采用脈寬調(diào)制技術(shù)大大改善了電機(jī)的運(yùn)行性能。埃及對(duì)光伏空調(diào)的研究中提出了一個(gè)新的低成本的控制方案。通過限制空調(diào)電機(jī)的電流和使用最大功率跟蹤功能來降低系統(tǒng)的初始投資， 通過對(duì)空調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的優(yōu)化來降低空調(diào)的運(yùn)行成本。上海交通大學(xué)搭建了一個(gè)的獨(dú)立光伏空調(diào)系統(tǒng)交流系統(tǒng)，為一個(gè)獨(dú)立的的房間供冷與采暖， 以研究系統(tǒng)的匹配性能與運(yùn)行特點(diǎn)。系統(tǒng)的主要參數(shù)見表2，系統(tǒng)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(shù)經(jīng)濟(jì)比較

表2　獨(dú)立光伏空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)

圖2　系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)語

光伏制冷系統(tǒng)很好地利用了光伏發(fā)電和制冷負(fù)荷的一致性， 采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)較簡單， 性能可靠， 運(yùn)行中的維護(hù)也較方便。光伏制冷技術(shù)優(yōu)先或完全使用太陽能， 有利于降低建筑能耗、減小電網(wǎng)壓力以及降低二氧化碳排放。獨(dú)立系統(tǒng)在無電地區(qū)可以發(fā)揮很大作用， 為當(dāng)?shù)鼐用窕蜻叿拦俦峁┮粋€(gè)舒適的環(huán)境， 儲(chǔ)存食物和藥品并網(wǎng)系統(tǒng)則可省去蓄電池的投資和維護(hù)費(fèi)用， 在電網(wǎng)發(fā)達(dá)地區(qū)具有優(yōu)勢(shì)。目前， 越來越多的光伏制冷產(chǎn)品開始進(jìn)人市場， 具有很好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 朱軍山， 徐岳生， 劉彩池， 等.一種實(shí)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