羅 志 高 ，卓 獻(xiàn) 榮 ，陳 秋 麗 ，李 康 敏 ，羅 媚 ，李 國(guó) 權(quán)

（1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，廣州 510225；2. 廣州市通用新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有限公司，廣州 510277）

近幾年來(lái)，果蔬原產(chǎn)地冷庫(kù)（俗稱“田頭冷庫(kù)”）的建造數(shù)量隨著果蔬產(chǎn)業(yè)發(fā)展，電商銷(xiāo)售的爆發(fā)式增長(zhǎng)，尤其在冷庫(kù)種類上，已經(jīng)從原有的倉(cāng)儲(chǔ)保鮮功能，向生產(chǎn)加工、包裝、物流配送等功能發(fā)展。從冷鏈物流運(yùn)輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，“田頭冷庫(kù)”是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)地鮮活農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地到消費(fèi)市場(chǎng)，高效對(duì)接的保鮮冷鏈第一環(huán)節(jié)，但因傳統(tǒng)“田頭冷庫(kù)”的運(yùn)行電耗所占保鮮成本比例大、供配電擴(kuò)容成本高，其推廣應(yīng)用受到局限［1-2］。

太陽(yáng)能是人類可利用的最直接的清潔能源之一，是化石能源的主要替代能源之一。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的容量范圍很大，小到0.3W～2W的太陽(yáng)能庭院燈，大到MW級(jí)的太陽(yáng)能光伏電站；其應(yīng)用形式也多種多樣，使用范圍涉及家用、交通、通信、空間應(yīng)用等諸多領(lǐng)域。太陽(yáng)能光伏發(fā)電被認(rèn)為是當(dāng)前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)［3］。近年來(lái)，太陽(yáng)能制冷在太陽(yáng)能輻射資源與用冷需求匹配性較高，采用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)制冷已成為太陽(yáng)能利用研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)之一。

因此，研究太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)冰蓄冷“田頭冷庫(kù)”的系統(tǒng)，以太陽(yáng)能光伏直接變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)以替代蓄電池和逆變器，利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電代替供電電網(wǎng)，為“田頭冷庫(kù)”系統(tǒng)運(yùn)行提供所需的電力，擺脫供電電網(wǎng)的限制，這對(duì)降低“田頭冷庫(kù)”的運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)“田頭冷庫(kù)”的源頭保鮮功能，推進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 太陽(yáng)能制冷研究現(xiàn)狀

太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)形式多樣，就太陽(yáng)能應(yīng)用來(lái)說(shuō)，主要有太陽(yáng)能光熱制冷與太陽(yáng)能光伏制冷。太陽(yáng)能光熱制冷是收集太陽(yáng)輻射能加熱傳熱工質(zhì)來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，主要有吸附式制冷、吸收式制冷、噴射制冷和其他制冷方式。太陽(yáng)能光伏制冷是利用光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組運(yùn)行的制冷模式，制冷機(jī)組工作方式主要有蒸汽壓縮式制冷、半導(dǎo)體制冷、熱聲式制冷和磁致式制冷等。太陽(yáng)能制冷的分類如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能制冷方式的分類

1.2 太陽(yáng)能光伏制冷研究現(xiàn)狀

太陽(yáng)能光伏發(fā)電將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高品位電能，可直接用于驅(qū)動(dòng)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備及人們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N電器，具有廣闊的發(fā)展前景。因此太陽(yáng)能光伏發(fā)電是全球優(yōu)先發(fā)展的可再生能源。太陽(yáng)能光伏發(fā)電在可再生能源利用中的占比逐年增加，圖2給出了全球可再生能源增長(zhǎng)情況。

圖2 2006-2011年間全球可再生能源年平均增長(zhǎng)率

圖2給出了2006-2011 年間全球可再生能源年平均增長(zhǎng)率情況，太陽(yáng)能光伏發(fā)電量的平均增長(zhǎng)率達(dá)到58%，且僅2011 年的光伏發(fā)電量就增加了74%，光伏發(fā)電是所有可再生能源增長(zhǎng)最快的。全球的光伏發(fā)電裝機(jī)容量也是逐年增加，從1995年的約0.6GW增加至2012 年的約100GW，增長(zhǎng)近170 倍。全球光伏發(fā)電年裝機(jī)容量如圖3所示。

圖3 1995年-2012年間全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量

目前，光伏產(chǎn)量及光伏電池轉(zhuǎn)化效率不斷增加，光伏組件成本逐年減少?！?015中國(guó)新能源發(fā)電分析報(bào)告》顯示，2009 年-2014 年全球光伏組件成本下降了75%，全球大型光伏電站平均度電成本從2010 年的1.97 元/千瓦時(shí)下降到2014 年的0.98 元/千瓦時(shí)，度電成本減少了一半，其中分布式光伏電站度電成本減少幅度超過(guò)60%。與此同時(shí)，光伏組件光電轉(zhuǎn)化效率卻逐年提高，2015 年多晶硅與單晶硅組件的光電效率分別提高到了18.7%和20.4%［4］。隨著太陽(yáng)能光伏技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本終將降到與化石燃料發(fā)電成本競(jìng)爭(zhēng)水準(zhǔn)。

綜上所述，隨著光伏組件成本的有效降低及光電轉(zhuǎn)換效率的提高，光伏發(fā)電在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。因此，太陽(yáng)能光伏制冷的研究近年來(lái)呈現(xiàn)出較好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

太陽(yáng)能光伏制冷不僅包含了采用太陽(yáng)能光伏陣列發(fā)電驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷機(jī)組運(yùn)行制冷，還包括了新型的太陽(yáng)能光伏半導(dǎo)體制冷、熱聲制冷及磁致制冷。現(xiàn)階段制冷效率較低且技術(shù)有待完善的半導(dǎo)體制冷、熱聲制冷及磁致制冷產(chǎn)業(yè)化發(fā)展及規(guī)?；檬艿街萍s。因此采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)制冷效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、技術(shù)成熟的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)成為了太陽(yáng)能光伏制冷研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)，太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮式制冷模式在未來(lái)制冷領(lǐng)域占有重要的地位。

1.3 太陽(yáng)能光伏直驅(qū)制冷系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

因?yàn)樘?yáng)能具有間歇性，在太陽(yáng)能光伏制冷系統(tǒng)中，為確保輸出電能的穩(wěn)定性，需要能量存儲(chǔ)設(shè)施來(lái)彌補(bǔ)太陽(yáng)能間歇性的不足。可采用光伏+電網(wǎng)聯(lián)合供能及光伏+蓄電池復(fù)合能源系統(tǒng)兩種方式確保電能輸出的穩(wěn)定性，受限于光伏并網(wǎng)的技術(shù)與政策，第一種方式適合大型集中供冷系統(tǒng)，而戶用光伏冰箱與戶用空調(diào)則通常采用蓄電池維持電能穩(wěn)定。因此，市面上85%以上的光伏制冷系統(tǒng)采用光伏+蓄電池復(fù)合供能模式，即在Boost升壓電路后接上蓄電池用于穩(wěn)定直流母線電壓。但蓄電池的壽命及環(huán)保問(wèn)題是光伏制冷系統(tǒng)規(guī)?；c產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。因?yàn)樾铍姵厥褂脡勖挥?～5年，在光伏制冷系統(tǒng)15-20年的生命周期內(nèi)需要更換蓄電池3～5次，且蓄電池價(jià)格較高，因此在整個(gè)系統(tǒng)的投資運(yùn)行成本中，蓄電池的成本占比較大。2009年Moth等采用RETScreen 4模擬計(jì)算了印度齋普爾（Jaipur）地區(qū)的光伏冰箱的經(jīng)濟(jì)性能［5］。計(jì)算條件為壓縮機(jī)每天工作15h，每周工作7 天；光伏組件和蓄電池的生命周期分別為24年和5 年，蓄電池和逆變器的工作效率分別為80%和90%，蓄電池的最大放電深度為65%，溫室氣體排放年限為21 年。結(jié)果表明，如果不采用碳排放方法計(jì)算，系統(tǒng)不具有經(jīng)濟(jì)性能。

2000年突尼斯的Adnene Cherif等動(dòng)態(tài)模擬了不帶蓄電池的交流壓縮機(jī)的光伏冰箱。對(duì)該冰箱在不同天氣條件的性能進(jìn)行分析對(duì)比，還分析了系統(tǒng)在變負(fù)載情況時(shí)光伏組件供能的可靠性，最后與采用蓄電池的傳統(tǒng)光伏冰箱進(jìn)行了對(duì)比分析。系統(tǒng)采用了帶最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的DC/DC控制器，確保光伏組件工作在最大功率點(diǎn)，采用帶脈寬調(diào)整器（PWM）的DC/AC逆變器控制和優(yōu)化各個(gè)部件。通過(guò)分析還可以看出，當(dāng)光伏組件功率為200W，負(fù)載為1000Wh/天，每年需要的能量為179kW·h，可存儲(chǔ)的能量為115 kW·h，滿足率為87%。

基于環(huán)保優(yōu)先與經(jīng)濟(jì)可行，2007年希臘的Petros J. Axaopoulos等率先嘗試摒棄蓄電池、控制器和逆變器，直接采用光伏組件驅(qū)動(dòng)直流變速制冰機(jī)，采用新型控制器控制四個(gè)直流變頻壓縮機(jī)并聯(lián)工作［6］。采用復(fù)合壓縮機(jī)系統(tǒng)可大大降低壓縮機(jī)啟動(dòng)的功率，降低壓縮機(jī)的輻照度閾值下限。采用具有最大功率點(diǎn)控制策略的控制器，提高了系統(tǒng)效率，光伏組件實(shí)際轉(zhuǎn)化效率為9.2 %，壓縮機(jī)的太陽(yáng)能輻照度閡值下限由至少400W/m2下降到150W/m2。采用峰值功率為440Wp的直流變頻壓縮機(jī)運(yùn)行后，單天最大制冰量為17kg。

2 太陽(yáng)能光伏制冷面臨的問(wèn)題及應(yīng)用前景

2.1 太陽(yáng)能光伏制冷研究及應(yīng)用存在的問(wèn)題

經(jīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者持續(xù)研究表明［7-10］，太陽(yáng)能光伏制冷在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行效率和制冷性能方面不斷獲得改進(jìn)和發(fā)展，且光伏制冷研究己取得較好的成果并走上了產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展道路。但太陽(yáng)能間歇性這個(gè)核心問(wèn)題仍然困擾著光伏制冷的研究與應(yīng)用。為克服這個(gè)難題，現(xiàn)階段主要采取并網(wǎng)發(fā)電和蓄電池輔助這兩種辦法來(lái)確保光伏組件輸出電能的穩(wěn)定性。但是采取的并網(wǎng)發(fā)電和蓄電池輔助的辦法都有局限性，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）光伏+并網(wǎng)模式驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)是依靠電網(wǎng)容量來(lái)消除太陽(yáng)能的波動(dòng)與間歇性對(duì)光伏陣列輸出電能的影響。目前并網(wǎng)技術(shù)己十分成熟，在電網(wǎng)大容量的包容下，制冷系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。但由于光伏陣列輸出的電能具有很大的波動(dòng)性，接入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)的電能勢(shì)必造成一定的沖擊，因此從電力安全角度考慮，電網(wǎng)是不允許較多的小型分布式光伏電站接入電網(wǎng)。因此采用并網(wǎng)蓄能驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)的模式受限于電網(wǎng)接納程度。

（2）光伏+蓄電池模式驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)是利用蓄電池維持光伏陣列輸出電能的穩(wěn)定性并存儲(chǔ)光伏陣列產(chǎn)生的剩余電能。目前光伏發(fā)電、蓄電池儲(chǔ)能及蒸汽壓縮機(jī)制冷均屬于十分成熟的技術(shù)，市面上大部分的光伏空調(diào)均采用此種模式。配備蓄電池后，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的復(fù)雜性及投資和維護(hù)成本，在經(jīng)濟(jì)性方面無(wú)法與市電驅(qū)動(dòng)的空調(diào)相比。適用于無(wú)電網(wǎng)且十分炎熱的沙漠、孤島和河谷等對(duì)制冷需求大于經(jīng)濟(jì)性能的特殊地方及領(lǐng)域。蓄電池成本過(guò)高，生命周期短及污染環(huán)境等問(wèn)題也制約了光伏空調(diào)的發(fā)展。

在全球能源緊缺及環(huán)境保護(hù)的主旨下，光伏發(fā)電勢(shì)必會(huì)在未來(lái)世界能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，因此光伏制冷也將是制冷領(lǐng)域的重要組成部分。解決目前的光伏制冷儲(chǔ)能難這一技術(shù)難題將成為光伏制冷研究工作的首要任務(wù)。

結(jié)合以上分析可得，在光伏制冷系統(tǒng)中，若采用某種技術(shù)成熟且價(jià)格低廉的產(chǎn)品代替蓄電池存儲(chǔ)能量并能同時(shí)解決太陽(yáng)的波動(dòng)性與間歇性對(duì)制冷系統(tǒng)的影響，那么太陽(yáng)能光伏“田頭冷庫(kù)”將會(huì)具有廣闊的應(yīng)用前景。眾所周知，冰蓄冷系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、蓄冷能力強(qiáng)且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。若能充分利用白天太陽(yáng)能資源實(shí)現(xiàn)高效光伏直驅(qū)制冰蓄冷，而夜間利用白天存儲(chǔ)的冷量供冷，實(shí)現(xiàn)蓄冰代替蓄電，不僅節(jié)省蓄電池的投資運(yùn)行成本，還能有效減少光一電一冷之間的能量轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)損失，克服太陽(yáng)輻照間歇性對(duì)光伏制冷系統(tǒng)工作穩(wěn)定性與持久性的影響，有效提高光伏制冷效率。

2.2 太陽(yáng)能光伏制冷應(yīng)用前景

隨著光伏光電轉(zhuǎn)換效率的提高及光伏成本的下降，分布式光伏能源系統(tǒng)的利用將逐步增加，且在國(guó)家與電網(wǎng)鼓勵(lì)分布式光伏能源產(chǎn)生的電能就地消納的環(huán)境下，未來(lái)分布式光伏能源在光伏能源結(jié)構(gòu)中占比較大［11］。因此，采用分布式光伏能源驅(qū)動(dòng)的價(jià)格低廉、技術(shù)成熟的冰蓄冷替代蓄電池儲(chǔ)能的“田頭冷庫(kù)”在經(jīng)濟(jì)性、便利性以及環(huán)保性等方面，與市電驅(qū)動(dòng)的“田頭冷庫(kù)”相比具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，分布式光伏能源驅(qū)動(dòng)冰蓄冷冷庫(kù)系統(tǒng)在供冷需求量較大、人煙稀少且無(wú)電網(wǎng)的熱帶偏遠(yuǎn)地區(qū)具有非常好的利用價(jià)值。因此，采用分布式太陽(yáng)能光伏能源驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組供冷具有較好的應(yīng)用，且制冷系統(tǒng)中采用冰蓄冷替代蓄電池儲(chǔ)能可帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，各國(guó)正在積極探索可再生能源的利用與大力開(kāi)發(fā)，隨著我國(guó)政府補(bǔ)貼項(xiàng)目的不斷出臺(tái)和完善，平價(jià)上網(wǎng)也將不再是遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想。在民用領(lǐng)域，太陽(yáng)能光伏發(fā)電用戶通過(guò)“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的方式，除了滿足自身對(duì)電能的需求外，剩余的太陽(yáng)能發(fā)電量可以通過(guò)電網(wǎng)轉(zhuǎn)售給國(guó)家。由于我國(guó)人口眾多，人均耕地使用面積不到世界平均水平的一半，有大量的土地因?yàn)闊o(wú)法耕種而被閑置，我們正好用來(lái)做太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)冰蓄冷田頭冷庫(kù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。另一方面隨著光伏發(fā)電原材料價(jià)格進(jìn)一步降低，技術(shù)進(jìn)一步研發(fā)成熟，太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本投入也將越來(lái)越低。通過(guò)在太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)建設(shè)太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)冰蓄冷田頭冷庫(kù)，將可以有效利用這些土地資源。在此條件之下，民用光伏發(fā)電系統(tǒng)必將得到快速發(fā)展。其次，隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的逐步落實(shí)，碳交易和碳排放逐步形成市場(chǎng)規(guī)模，在大型企業(yè)屋頂及公用建筑設(shè)施中，使用太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)冰蓄冷技術(shù)將可以減少對(duì)化石燃料發(fā)電的依賴，從而減少污染物的排放，對(duì)提升田頭冷庫(kù)的環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。最后，太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)冰蓄冷田頭冷庫(kù)在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)用前景。在我國(guó)廣袤的山區(qū)農(nóng)田，邊遠(yuǎn)民族地區(qū)和一些邊防哨所、崗?fù)ぃ踔梁u等，電力電網(wǎng)難以覆蓋的區(qū)域，食品供給與保存困難的地方，太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)冰蓄冷田頭冷庫(kù)就顯現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，我國(guó)公用太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展，其快速發(fā)展勢(shì)頭將得到世界的矚目。

綜上所述，本文旨在提出采用獨(dú)立分布式光伏驅(qū)動(dòng)冰蓄冷“田頭冷庫(kù)”的冰蓄冷替代蓄電池儲(chǔ)能、光伏能源穩(wěn)定供電來(lái)實(shí)現(xiàn)高效蓄能、換能及高品質(zhì)供能。獲得制冷效率高且價(jià)格低廉，具有即開(kāi)即用特性的全天候持續(xù)高效穩(wěn)定運(yùn)行的光伏制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的最大化利用，確保分布式光伏能源直接驅(qū)動(dòng)的制冰蓄冷系統(tǒng)全天候持續(xù)高效運(yùn)行，具備更高的經(jīng)濟(jì)效益。為今后分布式能源驅(qū)動(dòng)冰蓄冷“田頭冷庫(kù)”規(guī)?；瘧?yīng)用提供科學(xué)機(jī)理及合理的技術(shù)支撐。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)冰蓄冷田頭冷庫(kù)的應(yīng)用前景進(jìn)行分析，可以得出其具有較好的發(fā)展前景，在太陽(yáng)能光伏制冷領(lǐng)域，為解決太陽(yáng)能瞬時(shí)性與間歇性對(duì)制冷性能的影響，提出光伏直驅(qū)冰蓄冷技術(shù)，即制冷系統(tǒng)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)始終工作在太陽(yáng)能光伏陣列輸出的最大功率點(diǎn)，其運(yùn)行工況自適應(yīng)于隨太陽(yáng)輻照度波動(dòng)而時(shí)刻變化的輸出功率。為降低光伏制冷儲(chǔ)能裝置的成本，率先提出采用冰蓄冷替代蓄電池儲(chǔ)能，有望解決分布式光伏“田頭冷庫(kù)”制冷系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的難題，將為未來(lái)我國(guó)在農(nóng)業(yè)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供重要保障。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的規(guī)?？煽?，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的移動(dòng)性和極強(qiáng)的適應(yīng)性，由于太陽(yáng)能光伏驅(qū)動(dòng)冰蓄冷“田頭冷庫(kù)”的存在，使得“田頭冷庫(kù)”較之常規(guī)冷庫(kù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)完全由太陽(yáng)能供電而不消耗電網(wǎng)電能，是真正意義上的“綠色冷庫(kù)”，特別適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)，無(wú)電地區(qū)，以及邊遠(yuǎn)游牧民族某些用電難以到達(dá)的“田頭冷庫(kù)”場(chǎng)合使用，對(duì)食品保鮮以及疫苗等醫(yī)療衛(wèi)生用品的冷藏有重要意義，有利于人與自然的和諧相處及能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，具有良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。