非成像聚光集热器太阳能制冷实验测试分析

汉京晓 钟俞良

（1北京市热力集团有限责任公司 北京 100026 2北京能源集团有限责任公司 北京 100026 3中广热（广州）能源技术有限公司 广东广州 510030）

引言

太阳能是公认的未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的替代能源之一，具有取用方便、能量巨大、无污染、安全性好等优点[1-2]，充分利用太阳能资源进行供能有助于减少化石能源的消耗及环境的污染。太阳能制冷是太阳能利用的一个重要方向。太阳能制冷季节的匹配性良好[3-4]：在天气越热，太阳辐照越强，越需要制冷的时候，太阳能制冷的效率越高。

从原理上来讲，太阳能制冷可分为太阳能光-电制冷和太阳能光-热制冷两种方式[5]。太阳能光-电制冷是利用太阳能转换为电能，再利用电能驱动空调压缩机实现制冷[6]，但由于在太阳能光-电转换过程中太阳能光-电转换效率过低，与太阳能光-热制冷相比，不具有经济上和效率上的优势；太阳能光-热制冷是将太阳能转换为热能，然后再利用热能驱动制冷机制冷[7]，太阳能光-热制冷可分为太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷三种系统[8]，本文主要探究太阳能吸收式制冷。

1 太阳能吸收式制冷原理

太阳能吸收式制冷通常由太阳能集热器和溴化锂吸收式机组组成，系统利用太阳能集热器加温后的高温热水在发生器中让溴化锂水溶液受热蒸发变浓，即用太阳能替代普通吸收式制冷的热源。太阳能吸收式制冷主要利用了两个特性：一是在接近真空状态，水的蒸发温度仅为4℃左右；二是溴化锂浓溶液吸水能力很强。

太阳能吸收式制冷系统主要由吸收器、发生器、冷凝器和蒸发器组成，吸收器中的溴化锂浓溶液吸收低温水蒸汽后变稀；发生器中溴化锂稀溶液吸收来自太阳能集热器热水的热量后，溶液中的水受热蒸发，高温水蒸气进入到冷凝器，发生器中的溴化锂稀溶液变浓；冷凝器中的高温水蒸气在冷却水的作用下变为高压低温液态水进入到蒸发器；蒸发器中的高压低温液态水吸收来自冷冻水的热量吸热膨胀为低温水蒸气进入到吸收器，冷冻水温度降低后即可用于空调制冷。以下是基本原理图：

图1 太阳能吸收式制冷原理图

2 非成像聚光集热器

本文引入非成像聚光集热器作为系统热源，非成像高效聚光太阳能集热器外观结构为平板型集热器结构，在平板结构内部，集热器由4个双抛物面太阳能高效聚光槽和4根真空集热管组成，4根真空集热管在集热器内部串联组成。非成像聚光太阳能集热器将平板集热的无缝聚光、真空管集热的真空保温及聚光集热的高聚光比等诸多优点融为一体，同时避免了平板集热器的高热损、真空管集热的漏光以及聚光集热的跟踪复杂等缺点。集热器在采用导热油为热循环工质的情况下，集热温度能高达180℃，特别适用于中温集热及太阳能制冷。

图2 集热器室外稳态效率曲线和集热器实物图

3 实验与测试分析

3.1 实验系统简介

非成像聚光太阳能集热吸收式制冷系统主要由20块非成像聚光太阳能集热器、1台单效溴化锂吸收式制冷机组、1台保温水箱、1台冷却塔及室内空调风盘末端组成，主要设备参数如下：

（1）非成像聚光太阳能集热器：

表1 非成像聚光太阳能集热器参数

（2）单效溴化锂吸收式制冷机组：

表2 单效溴化锂吸收式制冷机组参数

（3）保温水箱：

表3 保温水箱参数

（4）冷却塔：

表4 冷却塔参数

3.2 工艺测点布置

系统主要工艺测点为温度传感器测点，采用的温度传感器测温范围为0-300℃，精度±0.1℃，在数据采集仪中的显示分辨率为0.1℃。主要测点代号如表5所示：

表5 主要测点布置情况

3.3 理论计算

3.3.1 集热效率

非成像聚光集热器系统的整体集热效率可由吸收的能量与入射的能量的比值进行计算，其表达式为：

式中：ηj，非成像聚光集热器集热效率；c，集热器中导热介质的比热，J/kg·℃；m1，集热器导热介质质量流量，kg/s；A，集热器总集热面积，m2；G，太阳辐照强度，W/m2；

3.3.2 制冷效率

式中：ηl，系统制冷效率；cp，制冷机组循环介质水的比热，J/kg·℃；m2，制冷机组热水侧质量流量，kg/s；m3，制冷机组冷冻水侧质量流量，kg/s；

3.3.3 系统COP

3.4 测试结果

实验共测试3h时长，系统的集热效率、制冷效率以及系统COP逐时曲线如图3所示，从图中可以看出系统集热效率在中午13:37达到最大值0.69，随着光照强度的降低，系统集热效率也逐渐降低，测试阶段系统的平均集热效率保持在0.5左右；系统的制冷效率在集热效率较为稳定的情况下，能达到0.65-0.7；系统综合COP最高值能达到0.39。此结果可为太阳能制冷工程提供参考。

图3 系统效率曲线

针对上述测试结果，可从系统集热效率的提升角度增大系统综合COP：一方面是提高系统管路、设备的保温性能；另一方面是从非成像聚光集热器结构方面进行优化和设计，优化集热器的聚光比来达到更好的效果。

结语

非成像聚光太阳能制冷系统可实现较为理想的制冷效果，通过非成像集热器提供高效稳定的系统集热效率系统COP最大值能达到0.39。太阳能热利用技术目前较为成熟，太阳能冷利用技术相对来讲起步较晚，本文测试数据可为太阳能制冷工程提供参考。