CN103069174B - 太阳能压缩机/泵组合 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能压缩机和泵,具有一槽状的抛物线反射器,用以在制冷剂通过系统时加热一管道中的制冷剂。压缩机、泵组合包括一覆盖反射器的透镜,透镜隔热、保护反射器不受各种污染物影响,同时增加进入反射器的太阳能的强度。反射器将太阳能转换成热能,当制冷剂通过反射器时使制冷剂过热,减少或消除了系统为获得所需过热阶段而必须作的机械功的量。

Description

太阳能压缩机/泵组合
背景技术
[0001] 人们早已认识到太阳能提供了可用于很多不同应用的一种清洁、高效、廉价和可 再生的能源。一旦太阳能可以被有效地利用,可以相信它能满足未来世界的能源需求。这 导致了对太阳能及其转化利用的大量研究和投资,例如通过太阳能电池转化成电能,以用 于加热应用的太阳能热水和空间加热器形式转化成热能,以及可以用于住宅和商业大厦供 能的能量贮存。然而,对于将太阳能用于冷却系统的研究则很少。本发明希望在现有技术 的基础上提供重大的进步,以将太阳的热量转换到一种可以提供冷却而非其它应用的系统 中。
[0002] 机械冷却系统已被本领域所公知。在一个使用基础的蒸汽压缩循环的制冷系统 中,当低温的制冷剂例如氟里昂以液体和蒸汽的混合物形式进入蒸发器并被输入热量完全 气化时,在蒸发器处即获得冷却。系统中其余的部分则试图回收制冷剂,并将其恢复到可以 被再次用于提供冷却的状态。离开蒸发器的处于饱和或轻微过热状态的蒸汽进入压缩机, 压缩机提高制冷剂的压力以及相应的温度。高压的热的制冷剂进入冷凝热交换器,用周围 的空气或水将制冷剂冷却到接近完全冷凝成液体前的饱和温度。此后高压液体被节流至较 低的压力,这使得部分制冷剂气化而同时温度下降。留下的低温液体可以产生有用的制冷。
[0003] 附图1描述了一个典型的单级蒸汽压缩系统。典型的系统具有四个主要部件:一 蒸发器10, 一压缩机20, 一冷凝器30,以及一膨胀阀40 (也被称为节流阀)。循环的热力学 状态为饱和蒸汽状态的制冷剂进入压缩机,被压缩至一较高的压力,也导致较高的温度。热 的被压缩的蒸汽此时处于过热蒸汽的热力学状态,具有可以通常可用冷却水或冷却空气冷 凝的温度和压力。该热蒸汽被导向至冷凝器,并在此通过流经一盘管或管束被在盘管或管 束外流动的冷却水或冷却空气冷却而冷凝成液体。循环的制冷剂就是在这里从系统中排出 热量的,排出的热量则被水或空气(任何一种存在的情况)带走。
[0004] 冷凝的液体制冷剂,处于饱和液体这一热力学状态,接着被导向通过一膨胀阀并 经此压力急剧下降。降压导致了部分液体制冷剂的绝热闪蒸蒸发。绝热闪蒸蒸发的自动制 冷效果降低了液体和蒸汽混合的制冷剂的温度,使其比待制冷的封闭空间的温度更低。
[0005] 冷的混合物此后被导向至蒸发器中的盘管或管束内。可以使用一风扇以使封闭空 间中的暖空气被循环流经带有冷的液体和蒸汽混合的制冷剂的盘管或管束外周。暖空气使 冷的制冷剂混合物中的液体部分被蒸发。同时,循环空气被冷却,由此将封闭空间的温度降 低至需要的温度。循环的制冷剂在蒸发器处吸收并带走热量,热量此后则在冷凝器处被排 出并由冷凝器中使用的水或空气转移至别处。为了完成制冷循环,离开蒸发器的制冷剂蒸 汽再次成为饱和蒸汽并回到压缩机。
[0006] 蒸汽压缩制冷系统中主要的能源输入是驱动压缩机的机械动力。压缩机的最小功 率如方程式(1)所示。由于制冷剂蒸汽的体积V较大,压缩机的功率需求较大。此外操作 风扇或栗以驱动外部流体也需要额外的功率。
[0007] JviP ⑴。
[0008] 对于蒸汽压缩制冷系统的重要的考虑因素是它的能效比(C0P),定义为制冷量和 总电能需求的比率。一个提供制冷温度为-l〇°C (14°F)同时向30°C (86°F)温度排热的 系统的COP大约是3。当将驱动外部流体的电力需求计算在能效比中时,系统的COP会比该 水平减小。如果能量需求可以由太阳能提供,或者至少是能量需求中的大部分由太阳能供 应,C0P将会引人注目地增加并极大地改进系统的效率和成本。本发明采用一种可以替代 现有压缩机或者与现有压缩机共用在一个冷却系统中以增加制冷和减小成本的太阳能压 缩机来直接改进现有冷却系统的效率。
发明内容
[0009] 本发明的目的是提供一种太阳能压缩机和栗,能够用于例如改进一现有的冷却系 统,通过使用太阳能为制冷剂提供动力作为部分或者代替一个传统的机械压缩系统。
[0010] 当制冷剂离开蒸发器或热交换器时,一太阳能反射器利用太阳能加热一穿过反射 器的管道,以减少或消除现有机械压缩机的能量需求。在许多实例中,太阳能压缩机可以完 全实现机械压缩机的目的,消除系统消耗的主要能量。为了提升本发明的能量效率,一可选 的联用热交换器或者一能源管理系统可以显著增加系统的C0P。
附图说明
[0011] 图1是现有技术中一种制冷循环的原理图;
[0012] 图2是在图1中加入本发明的太阳能压缩机和栗后的制冷循环的原理图;
[0013] 图3是本发明的太阳能压缩机的透视图;
[0014] 图4是图3中反射器沿线4-4的剖视图;
[0015] 图5是能够用于根据太阳的位置使反射器倾斜到最佳位置的齿轮系统;
[0016] 图6是反射器的一种替代实施例,反射器的每一端组装有一轴流栗。
具体实施方式
[0017] 本发明提供一种采用蒸汽压缩循环制冷方式的太阳能驱动的制冷系统。其热动力 循环可以是例如兰金循环,其中流体通过与一被太阳能收集器加热的流体的热交换在一被 提高的压力下蒸发。附图2示例了此前讨论的基础的制冷系统,但是加入了与现有的主压 缩机20并行或者绕行的本发明的太阳能压缩机50。在一些例子中,太阳能压缩机替代机械 压缩机20,而在另一些例子中,它作为第二能源起辅助作用。本发明的效果之一是它可以 容易地改造现有的制冷系统而令人注目地改进效率并降低运作成本,而不需要重新设计旧 系统或者建立新系统。本发明也提供一种可选的联用热交换器75,安装在太阳能压缩机50 之后,用以补偿或利用制冷剂在流出太阳能压缩机时的过量的热量。即,在某些情况下制冷 剂被加热到超出系统需求而多余的热量可以被用于许多目的,例如作为民用或商用水的加 热器,加热泳池或浴场,用作蒸汽发生器以发电,以及类似的用途。本领域公知有各种不同 的联用热交换器,为简要在此省略它们的具体描述。
[0018] 太阳能压缩机50也可以连接至一采用与主循环不同的制冷剂的第二热交换器 72。如果选用的第二制冷剂相比主循环的第一制冷剂沸点更低,可以从系统获得更多的热 量用以增加输出或系统的效率。
[0019] 如附图3和4所示,本发明优选使用一抛物线型的槽状反射器60以加热一中心设 置的载有制冷剂的管65。反射器60安装连接载有来自蒸发器10的处于饱和蒸汽状态的 制冷剂的管65,管道穿过反射器的焦点。从附图4可见,太阳光束100以平行方式进入反 射器而反射器60的弯曲面将光线反射至管65。由于制冷剂穿过反射器,能量被传送至管 道65提高了管道的温度,进而提高了穿过管道的制冷剂的温度,管道上可以覆盖吸能材料 以进一步增加传热。随着制冷剂温度的提高,压力也增加,直至蒸汽过热。这是制冷剂离开 机械压缩机时的状态,即过热状态,但是在此情形下没有机械能被用于转换制冷剂。这样, 作为制冷循环的部分,在制冷剂被导向至冷凝器30前,机械压缩机可以被旁路掉,或者,只 需要作极少的功或不需要作功。当蒸汽过热的程度超出系统需求时,联用热交换器75抽取 部分多余热量并将该热量用作如上文讨论过的那些目的。
[0020] 反射器60的弯曲面可以是抛物线,半圆或者一些可以将太阳光线聚集至管65上 的变形。管65优选铜管,其上涂覆有黑色吸能材料以增加制冷剂的热交换。管65沿着太阳 光线相交的焦点设置(参见附图4),从而有效地将最多的热量导向管道进而被制冷剂吸收。 温度可轻易达到华氏数百度,从而使制冷剂过热。反射器的内表面70也可以涂覆一高反射 材料以进一步增强反射器加热管65的能力。涂层可以是金属的或者其它高反射物质。为 进一步增强太阳光束100,以反射器盖的形式构成的放大透镜55可以被放置在反射器的上 表面,透镜使太阳光束通过的同时增加阳光加热管65的强度。透镜55是透明的,可进一步 用于对反射器隔热以防止通过反射器上部导致的热量损失,并避免杂质、水分、碎片、霉菌、 和其它污染物进入反射器。透镜55可以沿长边方向经铰链90与反射器60铰接,因而它可 以被旋转向上打开以便进入反射器的内部腔体,或者,它可以沿一轨道在反射器的顶部上 滑移。
[0021] 反射器优选与一驱动系统连接,如附图5所示,其中在反射器60底部的齿80与一 由电机(未画出)驱动的齿轮90相啮合。电机被软件控制,跟踪太阳的位置并将反射器向移 动中的太阳倾斜以优化太阳光束的效力,即,使太阳光束尽可能地在反射器60的顶面处与 透镜55正交。这类太阳跟踪系统已有商品存在,例如西班牙的Suntrack系统或新墨西哥斯 坦福的Array技术有限公司。当太阳在空中移动时,电机正向或反向驱动齿轮90,齿轮90 上的齿与反射器上的齿80啮合以倾斜反射器使其面向太阳。在另一优选的实施方式中,反 射器可以沿长度方向上下倾斜,以随着一年中从冬天到夏天太阳的路径变化跟踪太阳的不 同位置。驱动系统可以是基于GPS的,以利用在特定的时间和经度已知的太阳位置,或者, 利用太阳光束构建反馈环路来确定倾斜反射器的最佳角度。更优选地,跟踪系统接入互联 网以便遥控反射器。
[0022] 附图6示意了压缩机安装轴流栗的一种实施例。在进入如附图3所示的太阳能热 收集器部分60之前,来自蒸发器10的制冷剂在反射器的入口 120处进入一组叶片110。如 果需要,可以在轴流栗的入口处设置一增压电机(未画出)以抽吸从蒸发器10出来的制冷 剂。叶片阵列成排设置,典型的是成对设置:其一是转动的,另一组是静止的。转动的叶片 加速制冷剂蒸汽,而静止的叶片减速并改变流体的方向,以准备进入下一阶段的转子。在反 射器60的出口处可以设置一组相似的叶片130。第一组叶片类似于引擎将制冷剂推入系 统,而第二组叶片则类似于涡轮增压器,在制冷剂被太阳能收集器过热之后增加其压力,每 组叶片在一电磁轴上转动。这可以进一步增加系统的效率。
[0023] 系统可以安装在屋顶上,或者安全起见安装在柱子上,最好在太阳的视线范围内, 例如六分仪式的安装系统。反射器的总体积通常由一组因素决定,包括热量负载和需要的 最终结果。例如,如果额外能量的需求超过系统的本地需求,可以构建一较大的系统,在可 能的情况下,额外的能量可以被引入电力网以获取信用或税收优惠。有许多应用可以适用 本发明,包括蒸汽动力发电机,氢转换器,遥控水回收,民用或商用加热和冷却,水加热。
[0024] 本领域技术人员可以显然得知,本发明具有许多应用并能以多种方式实施。控制 反射器方向的系统,从系统获得的能源的应用,以及额外热能的贮存,被视为本发明的一部 分。因此,本发明并不受说明书中优选实施方式中的说明和描写的限制,而是由权利要求书 中的用词以其通常或惯用的含义进行解释。

Claims (4)

1. 一种太阳能驱动的制冷系统,包括:第一子系统,其包括一压缩机、一蒸发器、一冷 凝器和一膨胀阀,第一制冷剂通过第一子系统中的每个元件循环;第二子系统,包括太阳 能压缩机和第二热交换器,第二制冷剂通过太阳能压缩机和所述第二热交换器循环,其中 该第二制冷剂与第一制冷剂不同,并且其中所述第二制冷剂经太阳能压缩机由太阳能加热 至过热,其中,第二子系统的过热的第二制冷剂在太阳能压缩机中将能量传递到所述第一 子系统,以减少或者消除第一子系统的压缩机的负荷,所述太阳能压缩机具有一方向可控 的抛物面反射器,以便将阳光最佳地导向以加热包含第二制冷剂的管道;通过使用由第二 子系统产生的过热制冷剂,第一子系统的压缩机减少电功率需求而提高了第一子系统的效 率。
2. 根据权利要求1所述的太阳能驱动的制冷系统,其特征在于:在第一子系统中还设 有一联用热交换器。
3. 根据权利要求1所述的太阳能驱动的制冷系统,其特征在于:第二制冷剂的沸点低 于第一制冷剂的沸点。
4. 根据权利要求1所述的太阳能驱动的制冷系统,其特征在于:在抛物面反射器的出 口具有一组旋转叶片以加速气化的第二制冷剂。
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