小型太阳能光伏直流车载冰箱的实验性能研究

黄 洁，雷明镜，张 华

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

近年来环保和节能日益成为制冷研究的焦点，而太阳能作为21 世纪最具有开发潜力的新能源之一尤其受关注。伴随着光伏电池的快速发展，对太阳能光伏直流冰箱系统的研究也成为绿色制冷技术的一个新方向［1-3］。Kattakayam 等［4］对普通家用冰箱进行改造，使其成为适合于光伏太阳能系统的直流冰箱，采用直流变频压缩机，增加冰箱保温层，并对冰箱的变频运行特性进行了讨论。刘群生等［5］采用直流变频压缩机研究了一个光伏直流冰箱带负载和空载时的冷藏/冷冻特性和系统能量分析。本文设计一种小型太阳能光伏直流车载冰箱系统，对其进行启动和稳定运行特性实验研究，并分析讨论系统能量分布及应用可行性。

1 太阳能车载冰箱制冷系统

太阳能车载冰箱制冷系统由太阳能电池板、制冷系统与冰箱壳体、无刷直流电动压缩机与蓄电池等连接而成。但是由于太阳辐射不是固定的［3］，仅有蓄电池是不能保证系统稳定运行，还需要一套自动控制系统进行自动控制和保护，从而防止太阳能电池的输出随太阳辐射的变化而发生太大的变化，故本文设计的系统配备有控制器。实验中采用直流压缩机冰箱，制冷工质为R134a，其臭氧消耗潜能ODP = 0，不消耗臭氧层，容积为45 L，只有一室，可冷藏或冷冻。冰箱所需电源为DC12V-24V，平均功率60 W。根据系统要求，计算得出相匹配的太阳能电池板、蓄电池和控制器的选用参数，结果分别如表1、2 和3 所示。太阳能光伏直流车载冰箱系统实物如图1 所示。

表 2 蓄电池参数Tab. 2 Parameters of the battery

表 3 控制器参数Tab. 3 Parameters of the controller

图 1 太阳能光伏直流车载冰箱系统实物Fig. 1 Solar photovoltaic DC car-refrigerator system

2 实验结果和分析

本实验利用一台直流冰箱作为一个独立的太阳能光伏直流制冷系统的负载，这样会使系统相对比较简单，而且得到的结论也不失一般性。实验是在上海地区4 月份连续晴天期间进行的。

开机前将冰箱的温度设为0 ℃，以检测冰箱制冷性能和测量运转率等。图2（a）为从开机到稳定运行时冰箱电流变化。从图中可以看出，制冷时间和光照度有关。冰箱稳定运行时，每隔一段时间制冷一次。上午9:30～10:30 左右，由于光照度相对较弱，太阳能板需要较长的时间给蓄电池充电，制冷所需时间较长，而中午光照度较强，因此冰箱制冷时间相对较短。

图2（b）为从开机到稳定运行时冰箱温度的变化。从图中可以看出，刚开机时温度为室温，冰箱工作后开始制冷，温度逐渐下降并趋于0 ℃。稳定运行时，温度在0 ℃附近上、下波动，波动范围上限为5 ℃，下限为-3 ℃，且和图中冰箱制冷时间相对应。冰箱的温度控制启停完全达到预期效果。图2（c）、（d）分别为从开机到稳定运行时蓄电池电压、负载功率变化。将图2（d）与图2（a）、（b）、（c）对比可知，一旦达到预先设定温度0 ℃，冰箱即停止运行，负载为0；当温度升高到4 ℃时，冰箱即再次启动，如此循环形成启停周期。

图 2 从开机到稳定运行时冰箱电流、冰箱温度、蓄电池电压、负载功率的变化Fig. 2 Changes of the current，the temperature in refrigerator，the voltage in battery，the load power from start-up to stable operation

图3（a）、（b）、（c）分别为稳定运行时冰箱电流、负载功率和冰箱温度的变化。从图3（a）中可见，冰箱制冷周期比较稳定。第一个周期是从10:56 至11:41 共计45 min，运行时间为21 min，停运时间为24 min；第二个周期是从11:42 至12:38 共计46 min，运行时间为23 min，停运时间为23 min；第三个周期是从12:39 至13:33 共计54 min，运行时间为32 min，停运时间为22 min；

图 3 稳定运行时冰箱电流、负载功率、冰箱温度变化Fig. 3 Changes of the current，the load power，the temperature during the stable operation process

第四个周期是从13:33 至14:24 共51 min，运行时间为33 min，停运时间为19 min。故可计算出冰箱在稳定运行时平均运行率为56%。而且，实验使用的蓄电池容量为100 Ah，完全无日照的情况下冰箱实际稳定运行时间达到34 h，基本达到使用要求。

从图3（b）中可以看到，稳定运行时每个周期压缩机运行时，负载均有上升趋势，即从62 W（第一个周期）上升到65 W（第二个周期）、70 W（第三个周期）、75 W（第四个周期）。这是因为此时大气温度是上升的，导致冰箱负载也有上升趋势。而且，从图3（b）中14:25 时的负载功率比第四个周期压缩机运行时的负载功率（75 W）要低也可印证上述现象。

从图3（c）中可以看出，每到0 ℃，冰箱都能按预期设定停机，但是冰箱的温控器继续显示温度下降至-2 ℃。这和预定的0 ℃有一定的误差。这是由于冰箱上安装的温控器不够精确存在迟缓导致。

图4 为从开机到稳定运行时蓄电池充电电流的变化。运行过程中由于蓄电池充电电流是电池板供应负载电流后剩余的，所以其大小与电池板的发电能力和负载电流有关。

图 4 从开机到稳定运行时蓄电池充电电流的变化Fig. 4 Changes of the charging current from start-up to stable operation

3 系统能量分析

通过分析系统中各个环节的能量消耗，找出能量消耗较多的环节和部位，并对其用能情况作出评价，指出过程用能改进的潜力和方向［6］。

由于负载冰箱中没有冷凝器风扇，所以负载功耗Pl为压缩机功耗，其计算式为

式中，Il、Ul分别为冰箱电流和电压。

本实验中Il、Ul平均值分别为4.67 A、12.4 V，故Pl= 57.91 W。

蓄电池充电功率计算式为

式中，Ib、Ub分 别为蓄电池充电电流和充电电压。

本实验中Ib、Ub平 均值分别为3.02 A、12.4 V，故Pb= 37.45 W。

太阳能电池板输出功率Ps计 算式为

式中，Is、Us分 别为太阳能电池板输出电流、工作电压。

本实验中Is平均值为7.69 A，取电池最佳工作电压为17.2 V，故Ps= 132.27 W。

本实验中无专门的装置测试控制器和线路功耗，两者总功耗是根据实验数据推算得到。总功耗Pc可表示为

因此，Pc= 36.91 W。

根据上述计算可以得出太阳能光伏冰箱系统能量分配，结果如表4 所示。

表 4 太阳能光伏冰箱系统能量分配Tab. 4 Energy distribution of the solar photovoltaic DC car-refrigerator system

4 结 论

在户外晴朗的实验条件下，当冰箱实现冷藏功能、预设温度为0 ℃时，压缩机输入功率平均为60 W，平均运行率为56%；在完全无日照情况下并由蓄电池供电时，冰箱可连续运行34 h。实验结果表明，该系统运行状况可达到预期目标。该制冷系统最显著的特点是可移动性强，可广泛用于汽车、缺电地区（偏远山区、边防哨所等）的食品保鲜、冷冻和疫苗血浆等医疗制品的冷藏等。