□王志明萬勇徐文娟文亦驍/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

太陽能光伏冷藏保鮮庫的研究設(shè)計(jì)

□王志明萬勇徐文娟文亦驍/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

對于一些土地肥沃、太陽光照充足的高海拔丘陵山區(qū)，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)作物如水果、蔬菜等特色農(nóng)產(chǎn)品，具有一定優(yōu)勢，但由于無電網(wǎng)覆蓋，生產(chǎn)的產(chǎn)品預(yù)冷、保鮮貯藏問題難以解決，限制了當(dāng)?shù)刭Y源的開發(fā)利用和特色農(nóng)產(chǎn)品的發(fā)展，阻礙了農(nóng)民收入的增加。隨著國家對太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的大力支持，光伏組件的價格持續(xù)下降，太陽能作為清潔、易得能源的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。利用太陽能光伏技術(shù)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能使冷藏庫制冷，用于水果、蔬菜的貯藏或預(yù)冷；通過對太陽能光伏冷藏庫技術(shù)進(jìn)行研究、示范和推廣應(yīng)用，對解決邊遠(yuǎn)無電網(wǎng)覆蓋地區(qū)特色農(nóng)產(chǎn)品的貯藏保鮮具有重要意義。

1 太陽能光伏冷藏庫的組成

太陽能光伏冷藏庫是通過將太陽能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動制冷設(shè)備工作的，該系統(tǒng)主要由太陽能電池板、控制器、逆變器、蓄電池、制冷設(shè)備、冷藏庫以及控制系統(tǒng)組成（如圖1所示）。

圖1 太陽能光伏冷庫組成

太陽能電池板收集太陽能并轉(zhuǎn)化為電能，通過控制器控制電能去向。光照充足需要制冷設(shè)備工作時，向逆變器直接供電，制冷設(shè)備空閑時對蓄電池進(jìn)行充電；光照不足或夜晚時，蓄電池放電提供電能。

制冷設(shè)備是整個系統(tǒng)中最大的耗能設(shè)備，在滿足貯藏要求的情況下應(yīng)盡量降低設(shè)備功耗。通過增加冷藏庫體的保溫性可有效減少能源消耗，降低制冷設(shè)備功耗。

2 太陽能冷藏庫的設(shè)計(jì)

下文以建設(shè)涼山州普格縣庫容為30t的太陽能冷藏庫為例進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.1 庫體設(shè)計(jì)及保溫材料選擇

設(shè)計(jì)庫容為30t的太陽能冷藏庫，庫體凈容積按0.2t/m3計(jì)算，庫體凈容積應(yīng)不小于150m3。庫體的尺寸確定為8m×7m× 3.5m（長×寬×高），庫內(nèi)凈容積為162m3。庫體材料采用聚氨酯泡沫夾芯彩鋼板，聚氨酯泡沫夾芯彩鋼板具有隔熱、防潮和氣密性良好、建庫快、美觀大方的優(yōu)點(diǎn)，但造價略高。對于一般的高溫冷藏庫采用100mm厚的聚氨酯泡沫夾芯彩鋼板即可，而對于太陽能冷藏庫，由于電力配置差，夜間無電，或采用蓄電池供應(yīng)電力，因此，庫體建設(shè)必須充分考慮庫體的保溫和節(jié)能性能，在庫體設(shè)計(jì)上應(yīng)采用高保溫的庫體材料，盡量減少電力消耗。本項(xiàng)目采用150mm厚的聚氨酯泡沫夾芯彩鋼板作庫體保溫材料，對于接縫進(jìn)行特殊的密封處理，以減少氣體泄漏導(dǎo)致的熱量損失，庫內(nèi)地面處理分別為承重層、防水防潮層、100mm厚擠塑板保溫層及混凝土承重層。

2.2 制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇

根據(jù)冷負(fù)荷計(jì)算，選用5P氟制冷壓縮機(jī)組，風(fēng)冷冷凝器，庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)選用DL-165型，冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)面積80m2，制冷控制系統(tǒng)采用專門設(shè)計(jì)的全自動溫度控制系統(tǒng)，庫內(nèi)溫度在0～15℃范圍內(nèi)可調(diào)。

2.3 太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用

太陽能光伏冷藏庫是通過光伏系統(tǒng)供電來運(yùn)行的，在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時應(yīng)先計(jì)算出制冷設(shè)備負(fù)荷，再進(jìn)行光伏逆變供電部分的計(jì)算。通過確定冷藏庫規(guī)模及庫體參數(shù)，可計(jì)算出相應(yīng)的制冷設(shè)備負(fù)荷，負(fù)荷確定后即可進(jìn)行逆變器、電池組、太陽能電池板的參數(shù)設(shè)計(jì)。

3 主要技術(shù)參數(shù)的計(jì)算確定

3.1 庫容積確定

冷庫貯藏的容量：

式中：G——冷庫貯藏容量（t）；

V——冷庫的公稱容積（m3）；

ρ——貯藏物料的計(jì)量密度（kg/m3）；

η——容積利用系數(shù)。

冷庫的公稱容積為：

容量G=30（t）；蔬菜密度為250～350kg/m3，水果密度為400～450kg/m3，密度ρ取較小值ρ=320kg/m3；容積利用系數(shù)η一般為0.60～0.85，取η=0.60。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目冷藏庫公稱容積取值V=162m3。

3.2 冷藏庫冷負(fù)荷的計(jì)算

冷藏庫冷負(fù)荷的計(jì)算目的在于確定制冷設(shè)備的制冷能力，選擇制冷壓縮機(jī)組和冷風(fēng)機(jī)。

式中：Qq——庫內(nèi)冷卻負(fù)荷（W）；

Q1——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量（W）；

Q2——果蔬冷卻與呼吸形成的熱負(fù)荷（W）；

Q3——庫內(nèi)外氣體交換形成的熱負(fù)荷（W）；

Q4——冷藏庫操作管理形成的熱負(fù)荷（W）；

Q5——庫內(nèi)加濕形成的熱負(fù)荷（W）。

本冷藏庫容積為162m3，庫容量為30t，每間庫尺寸為8 m×7m×3.5m。

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量

式中：Q1——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量（W）；

k——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)[W/（m2·℃）]；

A——圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積（m2）；

Δt——冷庫內(nèi)外溫差（℃）。

裝配式冷庫傳熱系數(shù)k=0.24W/（m2·℃）；圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積A按每間庫尺寸8m×7m×3.5m計(jì)算，A=（8+7）×2×3.5+8×7=161 m2；項(xiàng)目設(shè)計(jì)Δt=40℃。

2）果蔬冷卻與呼吸形成的熱負(fù)荷

式中：Q2a——果蔬冷卻形成的熱負(fù)荷（W）；

Q2b——果蔬包裝形成材料冷卻的熱負(fù)荷（W）；Q2c——果蔬呼吸形成的熱負(fù)荷（W）。

式中：G′——冷藏庫一次入庫量（kg）；

C——果蔬比熱[J/（kg·℃）]；

Δt′——果蔬從入庫到最終的溫差（℃）；

τ——冷卻時間（s）。

按每庫30t=30000kg，每次入庫20%計(jì)算，G′=30000kg× 20%=6000kg；果蔬比熱取C=3.6×103J/kg·℃；項(xiàng)目設(shè)計(jì)Δt′= 40℃；冷卻時間τ=24h=86.4×103s。

由于進(jìn)入冷藏庫的包裝材料比較少，果蔬包裝形成材料冷卻的熱負(fù)荷較小，本項(xiàng)忽略不計(jì)。取Q2b=0。

式中：G′——冷藏庫一次入庫量（t）；

q1——果蔬處于初溫時的呼吸熱（W/t）; q2——果蔬處于終溫時的呼吸熱（W/t）。

查表可得，果蔬在25～30℃的呼吸熱，即初溫時的呼吸熱一般在4000～20000kJ/t·d，設(shè)計(jì)取中間值10000kJ/t·d，q1=10000×103÷（86.4×103）≈115.7W/t；設(shè)計(jì)果蔬終溫時呼吸熱為6000kJ/t·d，q2=6000×103÷（86.4×103）≈69.4W/t

庫體內(nèi)外氣體交換形成的熱負(fù)荷Q3，對于小型庫，因泄漏形成的熱負(fù)荷很小，可以忽略不計(jì),取Q3=0。

一般不考慮冷卻設(shè)備通風(fēng)風(fēng)機(jī)形成的熱負(fù)荷。因此

式中：N——風(fēng)機(jī)功率（W）；

n——風(fēng)機(jī)數(shù)量；

η——效率。

取N=550W；n=2；η=0.80。

式中：w——加濕量；

i——熱焓。

由于加濕量很小，可忽略不計(jì)。取Q5=0。

考慮到計(jì)算誤差和設(shè)備工作系數(shù)，選擇制冷設(shè)備制冷量應(yīng)增大20%，因此，制冷設(shè)備的制冷量應(yīng)為：

制冷設(shè)備選擇5P制冷壓縮機(jī)組。

3.3 太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 逆變器參數(shù)

5P氟制冷壓縮機(jī)組功率P1≤4.5kW，取P1=4.5kW；DL-80型冷風(fēng)機(jī)功率P2=1.1kW，化霜功率P3=3.6kW；制冷系統(tǒng)最大運(yùn)行功率P=P1+P2=5.6kW。一般逆變器轉(zhuǎn)化效率為96%，逆變器實(shí)際輸入功率為5.83kW，選取額定功率為6kW的太陽能逆變器即可滿足要求。項(xiàng)目選擇聯(lián)眾48V6000型太陽能光伏逆變器，輸入電壓DC48V，轉(zhuǎn)化效率97%。

3.3.2 蓄電池的設(shè)計(jì)

光伏系統(tǒng)中使用的電池有鎳氫、鎳鎘電池和鉛酸蓄電池，但是考慮到技術(shù)成熟性和成本等因素，通常使用鉛酸蓄電池。蓄電池的容量的計(jì)算方法如下：

式中：Qb——電池容量；

N——自給天數(shù)；

Qd——是日平均負(fù)載；

D0——最大放電深度。

設(shè)計(jì)自給天數(shù)為N=3d；以每天工作5h計(jì)算，能源消耗為30kW·h/d，Qd=30000÷48÷0.97≈644.3Ah；80%深度放電D0= 0.8。

選用12V/100Ah的蓄電池，需要串聯(lián)的電池個數(shù)：

需要并聯(lián)的電池個數(shù)：

取整數(shù)25個。蓄電系統(tǒng)所需12V/100Ah的電池個數(shù)為：

3.3.3 太陽能電池板的設(shè)計(jì)

太陽能電池板設(shè)計(jì)的基本思想就是滿足年平均日負(fù)載的用電需求。計(jì)算太陽能電池板組件的基本方法是用負(fù)載平均每天所需要的能量（安時數(shù)）除以一塊太陽能電池板組件在一天中可以產(chǎn)生的能量（安時數(shù)），這樣就可以算出系統(tǒng)需要并聯(lián)的太陽能電池板組件數(shù)，使用這些太陽能電池板并聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電流。將系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓除以太陽能電池板組件的標(biāo)稱電壓，就可以得到需要串聯(lián)的太陽能電池板組件數(shù)，使用這些太陽能電池板組件串聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電壓。計(jì)算公式如下：

并聯(lián)的組件數(shù)量=日平均負(fù)載（Ah）/組件日輸出（Ah）串聯(lián)的組件數(shù)量=系統(tǒng)電量（Ah）/組件電量（Ah）

項(xiàng)目選用天威TW225P60-AA的電池板，組件輸出功率為225W，工作電壓為29.3V，工作電流為7.68A。以每天工作8 h計(jì)算，電池板日輸出為8×225÷29.3≈61.4Ah。

電池板日平均負(fù)載=蓄電池充電負(fù)載+制冷設(shè)備負(fù)載

以制冷設(shè)備日間工作4h計(jì)算，則制冷設(shè)備負(fù)載為4×6000÷ 48÷0.97≈515.5Ah，蓄電池每日充放1次，則可視電池充電負(fù)載等同放電負(fù)載。

電池板日平均負(fù)載=644.3+515.5=1159.8Ah；

串聯(lián)的組件數(shù)量=1159.8÷61.4=18.9（塊），取整數(shù)19塊；

串聯(lián)組件數(shù)量=48÷29.3=1.6（塊），取整數(shù)2塊；

所需的電池板總數(shù)=19×2=38（塊）。

4 結(jié)語

通過對太陽能冷藏庫的設(shè)計(jì)計(jì)算、科學(xué)配置，2016年在涼山州普格縣建成了四川省首座太陽能冷藏保鮮庫。項(xiàng)目的實(shí)施充分利用了當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源，實(shí)現(xiàn)了果蔬產(chǎn)地預(yù)冷、冷藏保鮮，目前設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益顯著，起到了良好的科技示范作用。