CN101865586B - 太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能冰箱，特别涉及一种基于直流变频压缩机以及相变蓄冷的太阳能光伏冰箱系统。系统主要由太阳能光伏发电系统和冰箱制冷系统两部分组成。太阳能光伏发电系统由光伏电池板、控制器、蓄电池构成；冰箱的制冷系统主要包括压缩机、冷凝器、节流装置、冷冻室/冷藏室蒸发器以及与之并联的蓄冷器蒸发器。采用热管作为蓄冷器和冰箱空间的热量传输装置。蓄冷器在电能充足时储冷，电能不足时放冷。蓄电池则实现蓄冷器冷量释放完毕光伏电池板发电仍然不足时的供电。此外，光伏发电系统的蓄电池和控制器与冰箱一体设置，外形结构更为美观实用。本系统可完全不消耗电网电能，对于节约电能和可再生能源的有效利用具有非常深远的研究意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能冰箱，特别涉及一种基于直流变频压缩机以及相变蓄冷的太阳能光伏冰箱系统，属于光伏制冷领域。
背景技术
太阳能是利用最为广泛的清洁可再生能源，太阳能制冷技术具有良好的季节匹配性，即夏季太阳辐射较强，相应的制冷需求也最大，而冬季太阳能辐射相对较弱，此时制冷需求也较小，基于这一特点，太阳能制冷技术得到了越来越多的重视和研究。
太阳能光伏制冷技术相对于太阳能吸收式、太阳能半导体制冷技术而言，具有制冷效果较好、能量利用率较高，自身损失低等优点。随着光伏电池产业的蓬勃发展以及光电转换效率的不断提高，太阳能光伏制冷技术显示出了强劲的发展势头。
将直流变频技术和高效相变潜热蓄冷技术应用于太阳能光伏冰箱系统，能够更大程度的延长冰箱的使用寿命、提高能源利用效率。现今的研究大多集中在太阳能光伏电池驱动的交流变频冰箱或者常规的家用冰箱上，目前市场上还没有太阳能光伏直流蓄冷冰箱的产品出现，国内外相关的研究也不多见。南京大学的方贵银等人发明了一种太阳能光伏蓄能冰箱系统，并于2009年申请了中国专利，专利公开号为CN 101441014A。此发明设计的系统主要由太阳能光伏发电系统和电冰箱制冷循环系统两部分组成。太阳能光伏发电系统由太阳能供电电池方阵、防反充二极管、控制器、蓄电池组和直流-交流逆变器组成。电冰箱制冷循环系统由压缩机、冷凝器、电磁阀、节流装置、冷冻室蒸发器、冷冻室蓄冷器、冷藏室蒸发器和冷藏室蓄冷器组成。该发明设计的冰箱需要逆变装置，降低了系统的能量利用效率。ALBIFZ，Robert，Charles等人于1999年发明了一种太阳能冰箱，专利号为WO 99/63415。该系统利用一个开关控制一个或多个压缩机的电流，每个变速压缩机与独立的制冷剂循环回路相连。Chengjun Julian Chen发明了一种太阳能光伏冰箱系统，并申请了美国专利，专利号为US 7,543,455B1。系统利用太阳能电池驱动直流变频压缩机运行，冰箱工作腔放置有储能容器，其中的蓄冷材料为丙三醇、酒精以及水的混合工质，冷冻室的温度保持在-10℃～-20℃，冷藏室为+2℃～+7℃，在太阳不够充足的时间，蓄冷材料蓄存的能量能够保证系统正常运行一天以上。发明者采用泵循环的方式传递蓄冷器的冷量，一方面增加了系统结构的复杂性，另一方面，泵循环需要消耗额外的电能，采用充电电池驱动，不能实现真正意义上的离电网运行。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有太阳能光伏冰箱系统的上述缺陷，提供了一种完全不消耗外部能量的新型太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，该系统从结构上对冰箱系统进行了改进，将太阳能光伏电池、蓄电池、蓄冷器三者配合使用，能够有效的保证冰箱的连续运行，并且完全不消耗电网电能，对于节约电能和可再生能源的有效利用具有非常深远的研究意义。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统包括太阳能光伏发电系统和冰箱制冷系统两部分，所述的太阳能光伏发电系统包括太阳能光伏电池板、控制器和蓄电池，太阳能光伏电池板与控制器相连，控制器与蓄电池连接。
所述的冰箱制冷系统包括压缩机、冷凝器、节流装置、冷冻室蒸发器、冷冻室蓄冷器蒸发器、冷藏室蒸发器、冷藏室蓄冷器蒸发器以及热管。所述压缩机分别与控制器、冷凝器、冷藏室蒸发器和冷藏室蓄冷器蒸发器相连，冷凝器还通过节流装置分别与冷冻室蒸发器、冷冻室蓄冷器蒸发器相连接，冷冻室蒸发器和冷冻室蓄冷器蒸发器并联连接，然后又与同样并联连接的冷藏室蒸发器和冷藏室蓄冷器蒸发器串联连接；
所述热管包括用于冷冻室蓄冷器和冷冻室之间热量传输的冷冻室热管、以及用于冷藏室蓄冷器和冷藏室之间热量传输的冷藏室热管；冷冻室热管的两端分别置于冷冻室蓄冷器和冷冻室之间，冷藏室热管的两端分别置于冷藏室蓄冷器和冷藏室之间；
所述太阳能光伏发电系统中的控制器和蓄电池与冰箱一体设置，冰箱上部放置冰箱制冷系统、冷冻室以及冷藏室，冰箱下部有一箱体，用于放置控制器和蓄电池。
在冰箱的底部设置有滚动滑轮和对滚动滑轮进行固定的固定装置。
所述冷冻室热管蒸发端置于冷冻室蓄冷器中，冷凝端置于冷冻室中；所述冷藏室热管蒸发端置于冷藏室蓄冷器中，冷凝端置于冷藏室中；冷冻室热管和冷藏室热管的蒸发端和冷凝端都设置有用于强化传热效果的翅片。冷冻室热管至少有2/3的部分与冷冻室内部的空气接触，冷藏室热管至少有2/3的部分与冷冻室内部的空气接触。冷藏室热管和冷冻室热管的竖直部分分别敷设在与冷藏室和冷冻室相对应的冰箱后壁板内侧预先设置的凹槽中。
冷冻室蓄冷器中采用相变温度为-24～-12℃的蓄冷材料；冷藏室蓄冷器中采用相变温度为0～5℃的蓄冷材料。
所述的冷冻室热管和冷藏室热管均为重力热管或有芯热管。
冷冻室蓄冷器和冷冻室之间、冷藏室蓄冷器和冷藏室之间都设置有由保温材料制成的隔板。
所述冷藏室热管选用乙烷或丙酮或乙醇或甲苯作为工质，乙烷选用的壳体材料为黄铜或不锈钢，丙酮选用的壳体材料为铝或铜或不锈钢，乙醇选用的壳体材料为铜或不锈钢，甲苯选用的壳体材料为低碳钢或不锈钢或低合金钢；；所述冷冻室热管选用氨或氟利昂类物质作为工质，氨选用的壳体材料为铝或不锈钢或低碳钢；氟利昂选用的壳体材料为铝。
所述蓄电池为铅酸蓄电池或硅胶蓄电池或镉镍蓄电池。
所述光伏电池为单晶硅或多晶硅或非晶硅材料。
本发明中的压缩机采用直流变频压缩机，能够直接利用太阳能电池发出的直流电，无需使用逆变装置，降低了系统的能量损失，能量利用率得到大幅度提高。在太阳能光伏发电系统中，采用蓄电池来储存白天多余的太阳能转化而成的电能，以供夜晚或阴雨天使用；在冰箱制冷系统中，采用蓄冷器中的蓄冷材料来储存冷量，在电能充足时，作为冰箱负载储存冷量，以供系统缺电时使用，通过相变蓄冷材料释放冷量来维持冰箱内的温度。冰箱内蓄冷材料释放的冷量通过热管实现蓄冷器和冰箱空间热量的传导，维持在缺电情况下冰箱内部温度的稳定性和均匀性。直流变频压缩机和相变蓄冷技术的引进，能够有效减少压缩机的启停次数，延长压缩机的使用寿命。整个系统完全不耗费电网电能，完全可替代常规冰箱使用。
太阳能光伏发电系统的蓄电池和控制器与冰箱一体设置，上部为制冷系统以及冷冻室冷藏室，下部留有适当空间，将蓄电池、控制器置于其中，整个壳体采用相同的外部设计，克服了之前将冰箱和光伏发电设备分开安装而导致的连线杂乱以及外观不够精致等问题，能够更好的满足家用需求。由于蓄电池重量较大，不利于冰箱的搬运等，因此，在冰箱底座设计有滑轮和固定装置。当使用者需要移动冰箱时，将固定控制打开，由滑轮带动箱体移动；当需要稳定放置时，将固定控制摁下，滑轮即被固定，冰箱不能被推动。
本发明设计的太阳能光伏蓄冷冰箱系统，与常规冰箱以及光伏直流冰箱系统相比，具有显著的优点：
(1)太阳能为系统的唯一动力源，太阳能的获得与冰箱冷负荷在季节上高度匹配，如夏季光照较强、太阳能充沛，冰箱耗能也最多；冬季太阳能较弱，此时冰箱的耗能也较少，这样可以有效缓解电力紧张问题，特别适用于边远山区以及游牧民族地区；
(2)系统充分利用了可再生能源，减少了矿物能源消耗，具有节能、环保、安全等特点，是真正意义上的“绿色家电”；
(3)采用直流变频压缩机，可以直接利用太阳能电池发出的直流电，系统结构简单，能量损失大幅度降低，可减少压缩机的启停次数，提高运行效率；
(4)系统具有蓄电池和相变蓄冷材料，具有储能作用，可以保证在夜间和阴雨天气太阳能辐射不足的条件下系统的正常运行；
(5)采用热管作为蓄冷器和冰箱空间的导热元件，利用工作液体的蒸发和冷凝来传递热量，能够实现快速传热，保证在缺电的情况下冰箱室内温度的稳定性和均匀性；
(6)光伏发电系统的蓄电池和控制器与冰箱一体设置，设备布置更为紧凑，外观更为美观，冰箱底座设有滚动滑轮和固定装置，能够满足使用者移动或保持冰箱稳定的不同需求。
附图说明
图1为太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统原理图；
图2为冰箱结构正视剖面图；
图3为冷藏室/冷冻室蓄冷部件结构图(侧视剖面)；
图4为冰箱后壁内侧平视图；
图中：I-太阳能光伏发电系统；II-冰箱制冷系统；1-光伏电池板；2-控制器；3-蓄电池；4-导线；5-压缩机，6-冷凝器；7-节流装置；8-冷冻室蒸发器；9-冷冻室蓄冷器蒸发器；10-冷藏室蒸发器；11-冷藏室蓄冷器蒸发器；12-冷冻室蓄冷器；13-冷冻室；14-冷藏室蓄冷器；15-冷藏室；16-冷冻室热管冷凝端；17-冷冻室热管蒸发端；18-冷藏室热管冷凝端；19-冰箱外壳；20-冷藏室热管蒸发端；21-蓄冷材料；22-热管；23-隔板；24-热管冷凝端翅片；25-热管蒸发端翅片；26-滚动滑轮及固定装置；27-布置热管的凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一优选实施例进行详细说明：
如图1所示，本发明中的太阳能光伏冰箱系统主要由太阳能光伏发电系统I和冰箱制冷系统II两部分组成。太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池板1、控制器2、蓄电池3以及相互之间连接的导线4构成；冰箱制冷系统主要包括压缩机5、冷凝器6、节流装置7、冷冻室蒸发器8、冷冻室蓄冷器蒸发器9、冷藏室蒸发器10、冷藏室蓄冷器蒸发器11。
太阳能光伏电池板1通过导线4与控制器2一端相连，控制器2第二端与蓄电池3连接，第三端与压缩机5连接。压缩机5一端与冷凝器6相连，另一端分别与冷藏室蒸发器10和冷藏室蓄冷器蒸发器11连接；冷凝器6另一端通过节流装置7分别与冷冻室蒸发器8、冷冻室蓄冷器蒸发器9连接；冷冻室蒸发器8和冷冻室蓄冷器蒸发器9并联连接，与同样并联连接的冷藏室蒸发器10和冷藏室蓄冷器蒸发器11串联连接。
白天太阳能辐射充足时，由太阳能电池板1接收太阳辐射能，将其转化为直流电输出，直流电驱动压缩机5运行，使冰箱制冷系统II工作。同时，多余的电能存储到蓄电池3中，控制器2可实现蓄电池的过充电、过放电保护，在实现光伏直流制冷系统可靠运行的同时，也可以延长蓄电池3的使用寿命。此时，冷冻室蓄冷器12和冷藏室蓄冷器14中蓄冷材料21以冷负荷的形式存在，发生相变储存冷量。当夜间或阴雨天气太阳能辐射不足的情况下，蓄冷材料21发生相变释放潜热能，保证冰箱保冷时间以及储藏温度的要求。当蓄冷材料21的冷量释放完毕，太阳能光伏电池板1产生的电量仍然不能够满足冰箱压缩机5运行要求时，则由蓄电池3供电，驱动压缩机5运行。太阳能光伏电池板1、蓄电池3、蓄冷材料21三者配合使用，能够有效的保证冰箱的连续运行，并且完全不消耗电网电能，对于节约电能和可再生能源的有效利用具有非常深远的研究意义。
如图2、图3所示，热管22包括冷冻室热管和冷藏室热管，分别用于冷冻室蓄冷器12和冷冻室13之间、冷藏室蓄冷器14和冷藏室15之间的热量传输。热管蒸发端置于冷藏室或冷冻室的蓄冷器中，冷凝端置于冷藏室或冷冻室中；热管竖直部分敷设在冷藏室或冷冻室后壁板上内侧预先设计的凹槽27中，并且冷冻室热管至少有占到冷冻室热管表面积2/3的部分与冷冻室内部的空气接触，冷藏室热管至少有冷藏室热管2/3的部分与冷冻室内部的空气接触。热管冷凝端和蒸发端分别有翅片，能够有效的加强传热效果。冷藏室热管选用乙烷或丙酮或乙醇或甲苯作为工质，乙烷选用的壳体材料为黄铜或不锈钢，丙酮选用的壳体材料为铝或铜或不锈钢，乙醇选用的壳体材料为铜或不锈钢，甲苯选用的壳体材料为低碳钢或不锈钢或低合金钢；；所述冷冻室热管选用氨或氟利昂类物质作为工质，氨选用的壳体材料为铝或不锈钢或低碳钢；氟利昂选用的壳体材料为铝。热管工质在蒸发端吸收外界热量蒸发，蒸汽在压差作用下流向冷凝端，在冷凝端冷凝成液体后回到蒸发端，如此循环不已，就实现了热量从热管的一端传到另一端。
蓄冷器中蓄冷材料21的选择应综合考虑热力学、化学性质以及经济性等各方面因素，以及冷冻室/冷藏室工作温度的要求，合理选择。冷冻室蓄冷器12中采用相变温度在-24～-12℃的蓄冷材料；冷藏室蓄冷器14中采用相变温度在0～5℃的蓄冷材料。
冷冻室蓄冷器和冷冻室之间、冷藏室蓄冷器和冷藏室之间都采用保温性能良好的材料制成的隔板23隔开，这样可以保证在冰箱供电系统没有断电的情况下，蓄冷材料21不会因为温差而与冰箱的冷冻室和冷藏室发生自然换热。
太阳能光伏发电系统I的控制器2和蓄电池3与冰箱一体设置，冰箱上部为制冷系统II以及冷冻室13、冷藏室15，下部为放置控制器2和蓄电池3的箱体，上下外部壳体材料相同，且在底座设计有滚动滑轮和固定装置26，当使用者需要移动冰箱时，将固定控制打开，由滑轮带动箱体移动；当需要稳定放置时，将固定控制摁下，滑轮即被固定，冰箱不能被推动。
本实施例中的太阳能电池材料为单晶硅、多晶硅或非晶硅，蓄电池为铅酸蓄电池、硅胶蓄电池或镉镍蓄电池，压缩机为直流变频压缩机。
Claims (10)
1.太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，其特征在于：包括太阳能光伏发电系统(I)和冰箱制冷系统(II)两部分，所述的太阳能光伏发电系统包括太阳能光伏电池板(1)、控制器(2)和蓄电池(3)，太阳能光伏电池板(1)与控制器(2)相连，控制器(2)与蓄电池(3)连接；所述的冰箱制冷系统包括压缩机(5)、冷凝器(6)、节流装置(7)、冷冻室蒸发器(8)、冷冻室蓄冷器蒸发器(9)、冷藏室蒸发器(10)、冷藏室蓄冷器蒸发器(11)以及热管(22)；所述压缩机(5)分别与控制器(2)、冷凝器(6)、冷藏室蒸发器(10)和冷藏室蓄冷器蒸发器(11)相连，冷凝器(6)还通过节流装置(7)分别与冷冻室蒸发器(8)、冷冻室蓄冷器蒸发器(9)相连接，冷冻室蒸发器(8)和冷冻室蓄冷器蒸发器(9)并联连接，然后又与同样并联连接的冷藏室蒸发器(10)和冷藏室蓄冷器蒸发器(11)串联连接；
所述热管包括用于冷冻室蓄冷器(12)和冷冻室(13)之间热量传输的冷冻室热管、以及用于冷藏室蓄冷器(14)和冷藏室(15)之间热量传输的冷藏室热管；冷冻室热管的两端分别置于冷冻室蓄冷器(12)和冷冻室(13)之间，冷藏室热管的两端分别置于冷藏室蓄冷器(14)和冷藏室(15)之间；
所述太阳能光伏发电系统(I)中的控制器(2)和蓄电池(3)与冰箱一体设置，冰箱上部放置冰箱制冷系统(II)、冷冻室(13)以及冷藏室(15)，冰箱下部有一箱体，用于放置控制器(2)和蓄电池(3)。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，其特征在于：所述压缩机(5)为直流变频压缩机。
3.根据权利要求1所述的太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，其特征在于：在冰箱的底部设置有滚动滑轮和对滚动滑轮进行固定的固定装置。
4.根据权利要求1所述的太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，其特征在于：所述冷冻室热管蒸发端置于冷冻室蓄冷器(12)中，冷凝端置于冷冻室中；所述冷藏室热管蒸发端置于冷藏室蓄冷器(12)中，冷凝端置于冷藏室中；冷冻室热管和冷藏室热管的蒸发端和冷凝端都设置有用于强化传热效果的翅片；
冷冻室热管至少有2/3的部分与冷冻室内部的空气接触，冷藏室热管至少有2/3的部分与冷藏室内部的空气接触；
冷藏室热管和冷冻室热管的竖直部分分别敷设在与冷藏室和冷冻室相对应的冰箱后壁板内侧预先设置的凹槽(27)中。
5.根据权利要求1所述的太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，其特征在于：冷冻室蓄冷器(12)中采用相变温度为-24～-12℃的蓄冷材料；冷藏室蓄冷器(14)中采用相变温度为0～5℃的蓄冷材料。
6.根据权利要求1所述的太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，其特征在于：所述的冷冻室热管和冷藏室热管均为重力热管或有芯热管。
7.根据权利要求1所述的太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，其特征在于：冷冻室蓄冷器(12)和冷冻室(13)之间、冷藏室蓄冷器(14)和冷藏室(15)之间都设置有由保温材料制成的隔板(23)。
8.据权利要求1所述的太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，其特征在于：所述冷藏室热管选用乙烷或丙酮或乙醇或甲苯作为工质，乙烷选用的壳体材料为黄铜或不锈钢，丙酮选用的壳体材料为铝或铜或不锈钢，乙醇选用的壳体材料为铜或不锈钢，甲苯选用的壳体材料为低碳钢或不锈钢或低合金钢；所述冷冻室热管选用氨或氟利昂类物质作为工质，氨选用的壳体材料为铝或不锈钢或低碳钢，氟利昂选用的壳体材料为铝。
9.根据权利要求1所述的太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，其特征在于：所述蓄电池为铅酸蓄电池或硅胶蓄电池或镉镍蓄电池。
10.根据权利要求1所述的太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，其特征在于：所述光伏电池板为单晶硅或多晶硅或非晶硅材料。
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