光伏相變式冰蓄冷儲能箱的設(shè)計(jì)

盛 珺，王現(xiàn)軍，劉俊峰，張雪梅，徐 瓊，張靜雯

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226001）

1 研究背景

目前，冰蓄冷技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于空調(diào)、冰箱等領(lǐng)域，國內(nèi)許多學(xué)者也做了相應(yīng)的研究。黃建軍[1]介紹了常用的冰蓄冷空調(diào)形式，從經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面分析了動態(tài)冰蓄冷技術(shù)的優(yōu)勢。錢歡等[2]提出了一種定轉(zhuǎn)速獨(dú)立光伏直驅(qū)冰蓄冷裝置，免除蓄電池和逆變器的使用，利用光伏電池所發(fā)直流電驅(qū)動定轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)制冷。韋自妍等[3]將相變蓄冷技術(shù)應(yīng)用于商超冷柜中，并在不同工況下對系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，添加蓄冷材料的冷柜可以延緩溫升幅度，節(jié)省能耗。蔡春森等[4]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)24 V 太陽能直流冰箱可以正常運(yùn)行，加入純水作為蓄冷負(fù)載后，冰箱穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)率為40.1%，提高了冰箱的性能。

但冰蓄冷技術(shù)大多應(yīng)用于較大規(guī)模的設(shè)備中，很少進(jìn)入個(gè)人和家庭之中，原因在于：1）需要占用較大建筑面積；2）相比于常規(guī)制冷，前期投資較多，獲益周期長；3）設(shè)計(jì)與調(diào)試相對復(fù)雜。為此，本設(shè)計(jì)將冰蓄冷和光伏發(fā)電技術(shù)在不會影響制冷效率的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化，并且與戶外制冷箱相結(jié)合，改變傳統(tǒng)戶外儲能箱的制冷源，并創(chuàng)新研發(fā)冰蓄冷技術(shù)的離網(wǎng)使用和逆使用，可以滿足冷藏需要，有效節(jié)省能耗。

2 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包含太陽能發(fā)電/儲能系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)四部分。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，整體呈箱式側(cè)開門結(jié)構(gòu)，分為上下兩層，上層為蓄冷槽，下層為冷藏室和功能箱。功能箱內(nèi)存放蓄電池組、直流變頻壓縮機(jī)和控制電路；冷藏室內(nèi)附有蒸發(fā)器和風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行制冷。儲能箱尺寸設(shè)計(jì)為長0.4 m，寬0.4 m，高0.7 m，冷藏室有效容積為40 L，蓄冰槽的有效容積為18 L。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

本產(chǎn)品可以利用太陽能板產(chǎn)生電能，通過蓄電池儲能，白天儲能箱在進(jìn)行常規(guī)制冷的同時(shí)，可以把蓄冰槽里的水制成冰，夜間通過融冰來彌補(bǔ)晚上電力不足制冷效率低的情況。使用溫度控制裝置可以檢測溫度，驅(qū)動壓縮機(jī)和水泵進(jìn)行制冷降溫，使冷藏室始終保持低溫環(huán)境。同時(shí)，利用自主研發(fā)的雙蓄電池輪流充放控制系統(tǒng)，使續(xù)航能力大幅提升。制冷機(jī)組利用直流變頻壓縮機(jī)對制冷劑進(jìn)行循環(huán)流動，同時(shí)變頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電能的高效利用。蓄冰槽內(nèi)的相變材料在低溫凝固成冰，在夜間或其他無光條件下進(jìn)行融化，通過風(fēng)機(jī)盤管實(shí)現(xiàn)冷量的傳輸和交換。光伏相變式冰蓄冷儲能箱工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

2.1 太陽能發(fā)電/儲能系統(tǒng)

本產(chǎn)品選擇離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，可用于戶外或用電不方便地區(qū)。在太陽能板角度設(shè)計(jì)上，采用可調(diào)節(jié)角度的太陽能板支架結(jié)構(gòu)，可根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況來調(diào)節(jié)太陽能板的傾角，方便攜帶和使用。選用兩塊85 W 的單晶硅太陽能電池板放于太陽能板支架上，太陽能板與箱體通過MC4 光伏連接器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)太陽能板與箱體的連接和分離。由于儲能箱可由直流電機(jī)驅(qū)動，因此不需要逆變器[5]。選用型號為12 V/200 Ah 的鉛酸蓄電池，其具有成本低、耐高溫、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可用于儲存太陽能電池板產(chǎn)生的電能，并給制冷系統(tǒng)供電。

2.2 制冷系統(tǒng)

選用型號為BD35H 的直流壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，制冷劑為R134a。制冷過程如下：蒸發(fā)器內(nèi)低溫低壓的制冷劑，由于壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的負(fù)壓被吸進(jìn)壓縮機(jī)。經(jīng)過壓縮，制冷劑成為高溫高壓狀態(tài)，并傳送到冷凝器。在冷凝器中，氣態(tài)制冷劑對外放熱變成低溫高壓的液體。之后，制冷劑從冷凝器進(jìn)入節(jié)流裝置，由低溫高壓的狀態(tài)節(jié)流到低溫低壓狀態(tài)，然后進(jìn)入到蒸發(fā)器時(shí)會迅速地蒸發(fā)吸熱，帶走箱體內(nèi)的熱量，從而實(shí)現(xiàn)制冷降溫和制冰的目的。最后，制冷劑再回到壓縮機(jī)開始新一輪的制冷循環(huán)[6]。直流壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 直流壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.3 冰蓄冷系統(tǒng)

通電后制冷機(jī)組運(yùn)行，隨著壓縮機(jī)的持續(xù)運(yùn)行，制冷工質(zhì)不斷流動，蒸發(fā)器將冷量傳輸至冷藏室，使溫度不斷降低并維持在2 ℃～5 ℃的范圍，同時(shí)蓄冰槽內(nèi)附著在蒸發(fā)器上的冰層不斷變厚，達(dá)到蓄冰的效果。

夜間，光伏發(fā)電系統(tǒng)停止工作，通過水泵帶動水在蓄冰槽和風(fēng)機(jī)盤管間的流動。風(fēng)機(jī)盤管將水與箱體內(nèi)的空氣進(jìn)行換熱，將箱內(nèi)熱量帶回到蓄冰槽中，箱內(nèi)溫度降低而水溫升高。溫度較高的水回到蓄冰槽中，從而實(shí)現(xiàn)蓄冰槽的融冰放冷。

本設(shè)計(jì)運(yùn)用冰蓄冷的逆使用，在白天正常制冷的同時(shí)給蓄冰槽里的水制冰，在晚上蓄電池電不足的時(shí)候，通過融冰來進(jìn)行制冷，彌補(bǔ)正常制冷的不足。并且，白天制的冰所需的融冰時(shí)間較長，冰層較厚，可以大大提高制冷效率，延長冷藏時(shí)間。

2.4 智能控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用雙蓄電池新能源充放電切換控制系統(tǒng)和儲能箱溫度控制系統(tǒng)。

2.4.1 充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙蓄電池型控制器：該類型控制器充電和放電可以同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)一塊電池充電時(shí)，另一塊電池進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同時(shí)充放電。當(dāng)充電狀態(tài)下的電池先充滿電后，將兩塊電池的工作模式進(jìn)行切換，滿電量電池開始放電，低電量電池開始充電。當(dāng)放電電池電量先達(dá)到低電量報(bào)警閾值時(shí)，重復(fù)模式切換的工作?？刂破魍ㄟ^檢測電壓判斷電池容量，實(shí)現(xiàn)自行切換[7]。

本設(shè)計(jì)在雙蓄電池的基礎(chǔ)上，結(jié)合單蓄電池B 型控制器的工作模式，實(shí)現(xiàn)新能源模塊直接給負(fù)載供電，同時(shí)將蓄電池的充放電功能分離，即充電電池和放電電池在一個(gè)電量循環(huán)周期內(nèi)處于同一工作模式，即充電電池長期處于充電狀態(tài)，放電電池長期處于放電狀態(tài)，維持電池電流方向穩(wěn)定，提高產(chǎn)品安全性，并通過切換電路和控制器，實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電自動控制。整體控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示，切換控制電路可以檢測兩塊蓄電池的電壓，當(dāng)蓄電池電壓較低時(shí)，新能源模塊電能輸入，實(shí)現(xiàn)充電；當(dāng)新能源模塊供電不足時(shí)，切換控制電路控制蓄電池放電。

圖3 整體控制系統(tǒng)框圖

充放電控制系統(tǒng)工作過程：

1）控制器啟動后，切換電路中的檢測模塊開始工作，對蓄電池的電量進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，確定蓄電池的工作狀態(tài)。蓄電池有三種工作狀態(tài)，分別是充電、放電、靜置。

2）控制器確認(rèn)蓄電池對應(yīng)的工作狀態(tài)后，將充電工作狀態(tài)的電池接入充電電路，放電工作狀態(tài)的電池接入放電電路。

3）充放電控制器將充電或放電信號發(fā)送給切換控制電路，用于切換控制電路判斷工作狀態(tài)。

4）在設(shè)備工作狀況不滿足發(fā)電條件，但負(fù)載仍需要電力輸出時(shí)，放電電路保持接通，直到電池放電截止；對應(yīng)地，在負(fù)載不需要輸出，但設(shè)備工作狀況滿足發(fā)電條件時(shí)，充電電路保持接通，直到兩個(gè)蓄電池充滿電后充電截止。

2.4.2 儲能箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)使用DHT22 傳感器，該傳感器可以同時(shí)檢測溫度和濕度，測量誤差±0.5 ℃，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。溫度控制系統(tǒng)采用雙溫度傳感器，測量箱體內(nèi)溫度和箱體外溫度，便于智能控溫，節(jié)省能耗。

用戶先設(shè)定所需冷藏溫度值，儲能箱啟動后，系統(tǒng)先檢測設(shè)定溫度，再檢測箱內(nèi)溫度，當(dāng)箱內(nèi)溫度大于等于用戶設(shè)定的值時(shí)，啟動制冷；當(dāng)箱內(nèi)溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，制冷停止，進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)箱體內(nèi)溫度回升時(shí)，繼續(xù)開始制冷，從而達(dá)到控制恒溫的狀態(tài)。溫度控制工作流程如圖4所示。

圖4 溫度控制工作流程圖

2.4.3 相變蓄冷材料的選擇

在儲能箱中，選擇適當(dāng)?shù)南嘧冃罾洳牧峡梢源蠓忍岣咭归g制冷能力，延緩箱內(nèi)溫度回升時(shí)間，節(jié)省能耗。相變材料按照組成成分可以分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料。有機(jī)相變材料有過冷度小、不易相分離、腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)小、相變潛熱低。無機(jī)相變材料主要包括水合鹽、化合物和金屬合金，其優(yōu)點(diǎn)是相變潛熱較大、導(dǎo)熱系數(shù)比較高，但一般存在較大的過冷和相分離現(xiàn)象。近年來，復(fù)合相變材料開始成為研究的重要方向，復(fù)合材料可以彌補(bǔ)各自缺點(diǎn)，兼具兩者優(yōu)勢，已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用于制冷行業(yè)[8]。根據(jù)相變溫度應(yīng)符合冰箱蒸發(fā)器溫度（0 ℃～20 ℃）的要求，本設(shè)計(jì)選用的相變蓄冷材料為甘露醇和氯化鉀的混合物，可以滿足冷藏要求。部分適用于儲能箱的相變蓄冷材料如表2所示。

表2 部分適用于儲能箱的相變蓄冷材料

3 理論分析

在分析系統(tǒng)性能時(shí)，需要計(jì)算太陽能板的光電轉(zhuǎn)換效率，用來評估實(shí)際過程中利用太陽能的效率[9]；通過測量輸入輸出的電壓、電流，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)蓄電池存儲的能量，評估蓄電池性能；利用壓縮機(jī)的運(yùn)行效率、制冷劑溫度變化，計(jì)算能量損失；分析融冰過程的能量效率，評估冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行效果。最后，算出系統(tǒng)的能量效率[10]。

光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率：

式中，ηPV為光電轉(zhuǎn)換效率；IP為光伏組件的輸出電流；VP為光伏組件的輸出電壓；G為太陽輻照度；APV為光伏組件的總面積。

蓄電池的能量平衡方程為：

式中，Qb為單位時(shí)間內(nèi)蓄電池儲存的能量；Ib、Vb分別為蓄電池的輸出電流和輸出電壓；π為開關(guān)常數(shù)，當(dāng)分布式光伏能源系統(tǒng)為負(fù)載供能時(shí)，π為1。

靜態(tài)制冰過程的能量平衡方程：

式中，WP為制冷機(jī)組的壓縮機(jī)運(yùn)行功率；mr為制冷劑的質(zhì)量流量；Cr為冷凝器中制冷劑的比熱容；Tcon,in為冷凝器入口處制冷劑溫度；Tcon,out為冷凝器出口處制冷劑溫度；mi為產(chǎn)冰率；h為冰的相變潛熱；Qloss為單位時(shí)間內(nèi)的能量損失。

靜態(tài)制冰機(jī)的性能參數(shù)COP：

融冰供冷過程的能量效率：

式中，ηa為融冰供冷過程的能量效率；Ca為水的比熱容；ma是水流的質(zhì)量流速；ΔTa為風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)出口處的水溫度差；t為融冰時(shí)間，Qstore為制冰后存儲的冷量。

系統(tǒng)能量效率：

4 結(jié)論

相比于其他制冷系統(tǒng)和設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)使用太陽能進(jìn)行供電，且使用冰蓄冷技術(shù)進(jìn)行融冰制冷，擁有以下優(yōu)勢：1）使用太陽能光伏系統(tǒng)進(jìn)行供電，使整套設(shè)備可以應(yīng)用于戶外，且可以優(yōu)化成為便攜式制冷設(shè)備。2）太陽能光伏制冷技術(shù)擁有可靠性高、節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，可以直接通過光伏系統(tǒng)驅(qū)動壓縮機(jī)，無需逆變器，提高了系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)成本。3）使用相變冰蓄冷技術(shù)，相變潛熱遠(yuǎn)比顯熱大，且蓄冷溫區(qū)適應(yīng)范圍廣，將直流變頻技術(shù)和高效潛熱相變蓄冷技術(shù)應(yīng)用于太陽能光伏冰箱系統(tǒng)能夠更大程度地延長冰箱的使用壽命，減少能耗，可以有效延長冷藏時(shí)間，適用于戶外野營、邊遠(yuǎn)山區(qū)的食物保鮮以及疫苗等醫(yī)療衛(wèi)生用品的冷藏。