淺析太陽能光伏驅(qū)動冰蓄冷田頭冷庫的應(yīng)用與發(fā)展

羅 志 高 ，卓 獻 榮 ，陳 秋 麗 ，李 康 敏 ，羅 媚 ，李 國 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)品開發(fā)有限公司，廣州 510277）

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

太陽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。太陽能光伏系統(tǒng)的容量范圍很大，小到0.3W～2W的太陽能庭院燈，大到MW級的太陽能光伏電站；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。太陽能光伏發(fā)電被認為是當前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)［3］。近年來，太陽能制冷在太陽能輻射資源與用冷需求匹配性較高，采用太陽能驅(qū)動制冷已成為太陽能利用研究熱點與重點之一。

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

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 太陽能制冷研究現(xiàn)狀

太陽能制冷系統(tǒng)形式多樣，就太陽能應(yīng)用來說，主要有太陽能光熱制冷與太陽能光伏制冷。太陽能光熱制冷是收集太陽輻射能加熱傳熱工質(zhì)來驅(qū)動制冷系統(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。太陽能光伏制冷是利用光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動制冷機組運行的制冷模式，制冷機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。太陽能制冷的分類如圖1所示。

圖1 太陽能制冷方式的分類

1.2 太陽能光伏制冷研究現(xiàn)狀

太陽能光伏發(fā)電將太陽能轉(zhuǎn)化為高品位電能，可直接用于驅(qū)動工農(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。因此太陽能光伏發(fā)電是全球優(yōu)先發(fā)展的可再生能源。太陽能光伏發(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情況。

圖2 2006-2011年間全球可再生能源年平均增長率

圖2給出了2006-2011 年間全球可再生能源年平均增長率情況，太陽能光伏發(fā)電量的平均增長率達到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最快的。全球的光伏發(fā)電裝機容量也是逐年增加，從1995年的約0.6GW增加至2012 年的約100GW，增長近170 倍。全球光伏發(fā)電年裝機容量如圖3所示。

圖3 1995年-2012年間全球光伏發(fā)電裝機容量

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中國新能源發(fā)電分析報告》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/千瓦時下降到2014 年的0.98 元/千瓦時，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60%。與此同時，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］。隨著太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電成本終將降到與化石燃料發(fā)電成本競爭水準。

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)電在未來能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。因此，太陽能光伏制冷的研究近年來呈現(xiàn)出較好的發(fā)展態(tài)勢。

太陽能光伏制冷不僅包含了采用太陽能光伏陣列發(fā)電驅(qū)動傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷機組運行制冷，還包括了新型的太陽能光伏半導(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)模化利用受到制約。因此采用太陽能光伏發(fā)電驅(qū)動制冷效率高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、技術(shù)成熟的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)成為了太陽能光伏制冷研究的重點與熱點，太陽能光伏驅(qū)動蒸汽壓縮式制冷模式在未來制冷領(lǐng)域占有重要的地位。

1.3 太陽能光伏直驅(qū)制冷系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

因為太陽能具有間歇性，在太陽能光伏制冷系統(tǒng)中，為確保輸出電能的穩(wěn)定性，需要能量存儲設(shè)施來彌補太陽能間歇性的不足?？刹捎霉夥?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)保問題是光伏制冷系統(tǒng)規(guī)?；c產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。因為蓄電池使用壽命只有3～5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，且蓄電池價格較高，因此在整個系統(tǒng)的投資運行成本中，蓄電池的成本占比較大。2009年Moth等采用RETScreen 4模擬計算了印度齋普爾（Jaipur）地區(qū)的光伏冰箱的經(jīng)濟性能［5］。計算條件為壓縮機每天工作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算，系統(tǒng)不具有經(jīng)濟性能。

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

基于環(huán)保優(yōu)先與經(jīng)濟可行，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)動直流變速制冰機，采用新型控制器控制四個直流變頻壓縮機并聯(lián)工作［6］。采用復(fù)合壓縮機系統(tǒng)可大大降低壓縮機啟動的功率，降低壓縮機的輻照度閾值下限。采用具有最大功率點控制策略的控制器，提高了系統(tǒng)效率，光伏組件實際轉(zhuǎn)化效率為9.2 %，壓縮機的太陽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的直流變頻壓縮機運行后，單天最大制冰量為17kg。

2 太陽能光伏制冷面臨的問題及應(yīng)用前景

2.1 太陽能光伏制冷研究及應(yīng)用存在的問題

經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者持續(xù)研究表明［7-10］，太陽能光伏制冷在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運行效率和制冷性能方面不斷獲得改進和發(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。但太陽能間歇性這個核心問題仍然困擾著光伏制冷的研究與應(yīng)用。為克服這個難題，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)在以下兩個方面：

（1）光伏+并網(wǎng)模式驅(qū)動制冷系統(tǒng)是依靠電網(wǎng)容量來消除太陽能的波動與間歇性對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)定可靠運行。但由于光伏陣列輸出的電能具有很大的波動性，接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)的電能勢必造成一定的沖擊，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)定性并存儲光伏陣列產(chǎn)生的剩余電能。目前光伏發(fā)電、蓄電池儲能及蒸汽壓縮機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)計制造的復(fù)雜性及投資和維護成本，在經(jīng)濟性方面無法與市電驅(qū)動的空調(diào)相比。適用于無電網(wǎng)且十分炎熱的沙漠、孤島和河谷等對制冷需求大于經(jīng)濟性能的特殊地方及領(lǐng)域。蓄電池成本過高，生命周期短及污染環(huán)境等問題也制約了光伏空調(diào)的發(fā)展。

在全球能源緊缺及環(huán)境保護的主旨下，光伏發(fā)電勢必會在未來世界能源結(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)成熟且價格低廉的產(chǎn)品代替蓄電池存儲能量并能同時解決太陽的波動性與間歇性對制冷系統(tǒng)的影響，那么太陽能光伏“田頭冷庫”將會具有廣闊的應(yīng)用前景。眾所周知，冰蓄冷系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、蓄冷能力強且價格低廉等優(yōu)點。若能充分利用白天太陽能資源實現(xiàn)高效光伏直驅(qū)制冰蓄冷，而夜間利用白天存儲的冷量供冷，實現(xiàn)蓄冰代替蓄電，不僅節(jié)省蓄電池的投資運行成本，還能有效減少光一電一冷之間的能量轉(zhuǎn)換存儲損失，克服太陽輻照間歇性對光伏制冷系統(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，且在國家與電網(wǎng)鼓勵分布式光伏能源產(chǎn)生的電能就地消納的環(huán)境下，未來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)動的價格低廉、技術(shù)成熟的冰蓄冷替代蓄電池儲能的“田頭冷庫”在經(jīng)濟性、便利性以及環(huán)保性等方面，與市電驅(qū)動的“田頭冷庫”相比具有一定的競爭優(yōu)勢。此外，分布式光伏能源驅(qū)動冰蓄冷冷庫系統(tǒng)在供冷需求量較大、人煙稀少且無電網(wǎng)的熱帶偏遠地區(qū)具有非常好的利用價值。因此，采用分布式太陽能光伏能源驅(qū)動制冷機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能可帶來較好的經(jīng)濟效益。

目前，各國正在積極探索可再生能源的利用與大力開發(fā)，隨著我國政府補貼項目的不斷出臺和完善，平價上網(wǎng)也將不再是遙遠的夢想。在民用領(lǐng)域，太陽能光伏發(fā)電用戶通過“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的方式，除了滿足自身對電能的需求外，剩余的太陽能發(fā)電量可以通過電網(wǎng)轉(zhuǎn)售給國家。由于我國人口眾多，人均耕地使用面積不到世界平均水平的一半，有大量的土地因為無法耕種而被閑置，我們正好用來做太陽能光伏驅(qū)動冰蓄冷田頭冷庫的開發(fā)與應(yīng)用。另一方面隨著光伏發(fā)電原材料價格進一步降低，技術(shù)進一步研發(fā)成熟，太陽能光伏驅(qū)動系統(tǒng)的成本投入也將越來越低。通過在太陽能資源豐富的地區(qū)建設(shè)太陽能光伏驅(qū)動冰蓄冷田頭冷庫，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，隨著國家節(jié)能減排政策的逐步落實，碳交易和碳排放逐步形成市場規(guī)模，在大型企業(yè)屋頂及公用建筑設(shè)施中，使用太陽能光伏驅(qū)動冰蓄冷技術(shù)將可以減少對化石燃料發(fā)電的依賴，從而減少污染物的排放，對提升田頭冷庫的環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。最后，太陽能光伏驅(qū)動冰蓄冷田頭冷庫在我國有著廣泛的應(yīng)用前景。在我國廣袤的山區(qū)農(nóng)田，邊遠民族地區(qū)和一些邊防哨所、崗?fù)?，甚至海島等，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，太陽能光伏驅(qū)動冰蓄冷田頭冷庫就顯現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢。未來，我國公用太陽能光伏產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展，其快速發(fā)展勢頭將得到世界的矚目。

綜上所述，本文旨在提出采用獨立分布式光伏驅(qū)動冰蓄冷“田頭冷庫”的冰蓄冷替代蓄電池儲能、光伏能源穩(wěn)定供電來實現(xiàn)高效蓄能、換能及高品質(zhì)供能。獲得制冷效率高且價格低廉，具有即開即用特性的全天候持續(xù)高效穩(wěn)定運行的光伏制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)太陽能的最大化利用，確保分布式光伏能源直接驅(qū)動的制冰蓄冷系統(tǒng)全天候持續(xù)高效運行，具備更高的經(jīng)濟效益。為今后分布式能源驅(qū)動冰蓄冷“田頭冷庫”規(guī)模化應(yīng)用提供科學(xué)機理及合理的技術(shù)支撐。

3 結(jié)論

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

太陽能光伏發(fā)電的規(guī)?？煽?，整個系統(tǒng)具有良好的移動性和極強的適應(yīng)性，由于太陽能光伏驅(qū)動冰蓄冷“田頭冷庫”的存在，使得“田頭冷庫”較之常規(guī)冷庫具有一定的優(yōu)勢，系統(tǒng)完全由太陽能供電而不消耗電網(wǎng)電能，是真正意義上的“綠色冷庫”，特別適用于偏遠山區(qū)，無電地區(qū)，以及邊遠游牧民族某些用電難以到達的“田頭冷庫”場合使用，對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，具有良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。