CN105972856B - 一种太阳能冰箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能冰箱。包括冰箱箱体、太阳能光伏供电装置、直流变频压缩机、第一冷凝器、毛细管、第一蒸发器、吸附床、第二冷凝器、控制阀、储液罐、第二蒸发器；其中太阳能光伏供电装置包括光伏电池和控制器；所述光伏电池表面覆盖有由选择性反射膜和选择性发射膜复合制成的光谱选择性复合材料层；所述光伏电池和吸附床构成复合吸附床。本发明通过太阳能平板式吸附制冷系统和太阳能光伏直流制冷系统的整合实现光伏光热综合利用，利用辐射制冷技术进一步提高吸附制冷系统的制冷效率，并可采用廉价的非晶硅光伏电池实现较高的光伏发电效率，显著提高了太阳能冰箱的总效率。

Description

一种太阳能冰箱

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种太阳能冰箱，特别涉及太阳能吸附制冷、太阳能光伏直流制冷和辐射制冷技术的结合。

背景技术

传统冰箱的使用需要消耗大量常规能源，间接对环境造成污染，从我国的供能和环保的需求来看，开发使用清洁能源的冰箱将是大势所趋，其中太阳能冰箱的应用最为广泛。此外太阳能冰箱在尚未被纳入供电网络的偏远地区的疫苗、药品、食品的储存上还发挥着重要作用。在诸多太阳能冰箱技术中，太阳能光伏冰箱和太阳能吸附冰箱具有广阔的应用前景，但这两种太阳能冰箱技术中仍各自存在一些缺陷。

太阳能光伏直流制冷技术多采用晶硅光伏电池发电驱动压缩机制冷，在常温下具有较高的光电转换效率。太阳能光伏冰箱具有在白天制冷效果好、能量利用率高等优点，但若需夜间制冷则需使用蓄电池，充放电过程中电能二次转化效率低，且蓄电模块笨重而昂贵，再加上晶硅光伏电池较高的价格，系统的经济性仍有待提高。

太阳能吸附制冷技术中平板式吸附制冷系统结构及运行控制简单，技术上已经较为成熟，白天由吸附床集热，吸附床内吸附材料在高温下释放出被吸附的工质，气体工质经冷凝液化储存，夜间吸附床打开盖板，温度降低后吸附材料开始吸附工质，则液化储存的工质不断汽化吸热，达到制冷目的。太阳能平板式吸附制冷系统与季节匹配度高，适合在昼夜温差较大的地区应用，但只能在夜间制冷，此外，平板式吸附床白天需维持高温，夜间又需要持续散热，需要承压的密封结构限制了其白天的保温性能和夜间的散热性能，导致其制冷功率较低。

辐射制冷技术是指地表的常温物体通过“大气窗口”之一的8~13μm波段与温度很低的外太空进行辐射换热，以及与温度相对较低的大气层进行辐射换热，从而达到一定的制冷效果的被动制冷方式。辐射制冷无运动部件，无噪声，无污染，对环境保护具有积极意义。但是单独的辐射制冷系统由于单位面积制冷功率较低且工作时间段为夜间，存在装置成本较高而利用率低的缺陷。

非晶硅光伏电池的发电效率接近于多晶硅电池，而其生产过程耗电少，无污染，成本只有多晶硅电池的三分之一。但由于存在光致衰减效应（长时间的强光照射导致电池内部产生缺陷，降低其光电转换性能），其推广应用受到了严重限制。大量的实验研究证明，对于非晶硅电池而言，在更高的温度下，光致衰减效应会明显减弱。研究表明在90℃时，非晶硅电池在光致衰减稳定后具有明显高于25℃时的效率，而在太阳能平板式吸附制冷系统中，常用的活性炭-甲醇工质对需要较高的吸附温度（70～100℃），此温度区间非常适合非晶硅电池的长期高效发电（请参考J. Rozario, A.H. Vora, S.K. Debnath, M.J.M.Pathak, J.M. Pearce. The effects of dispatch strategy on electricalperformance of amorphous silicon-based solar photovoltaic-thermal systems.Renewable Energy 2014；68；459-465）。

发明内容

为了解决已有的太阳能冰箱中存在的缺陷，综合太阳能吸附制冷、太阳能光伏直流制冷和辐射制冷技术的优点，本发明通过太阳能的光伏光热综合利用和辐射制冷的应用提供一种新型太阳能冰箱。

一种新型太阳能冰箱包括冰箱箱体19、太阳能光伏直流制冷系统和太阳能吸附制冷系统；

所述太阳能光伏直流制冷系统包括太阳能光伏供电装置、直流变频压缩机3、第一冷凝器4、毛细管5、第一蒸发器6；所述直流变频压缩机3、第一冷凝器4和毛细管5位于冰箱箱体19外部，所述第一蒸发器6位于冰箱箱体19内；所述太阳能光伏供电装置包括光伏电池1和控制器2；所述光伏电池顶面覆盖有光谱选择性复合材料层20；所述光谱选择性复合材料层20由选择性反射膜21和选择性发射膜22复合制成；

所述太阳能吸附制冷系统包括吸附床7、第二冷凝器8、控制阀9、储液罐10、第二蒸发器11，吸附床7通过连接管道依次直接与第二冷凝器6、储液罐10以及第二蒸发器11相连，所述储液罐10与第二蒸发器11间的管道上设有控制阀9，所述第二蒸发器11位于冰箱箱体19内部，第二冷凝器8、控制阀9与储液罐10位于冰箱箱体19外侧的上部；

在日间，由太阳能光伏直流制冷系统维持冰箱箱体19内的低温，太阳能光伏供电装置供电，直流变频压缩机3得电工作，由压缩制冷循环稳定地为冰箱提供冷量；与此同时，太阳能吸附制冷系统中吸附床7内的吸附材料温度升高，吸附在其中的制冷工质缓慢释放，气态的制冷工质经过第二冷凝器6冷凝后液化降温，流入储液罐10中储存起来，在此过程中控制阀9多次短暂开启，使储液罐10中存储的液态制冷工质流入第二蒸发器11，维持冰箱箱体19内温度稳定。

在夜间，太阳能光伏直流制冷系统停止工作，新型太阳能冰箱由太阳能吸附制冷系统维持箱体内低温；傍晚时，吸附床7内吸附材料15与环境空气对流散热，同时通过辐射制冷的方式进一步增强散热，吸附材料15温度降低至接近环境温度后再单独依靠辐射制冷进一步冷却至低于环境温度；此时控制阀9多次短暂开启，吸附材料15开始吸附制冷工质，第二蒸发器11中液态制冷工质间歇汽化吸热，使得冰箱内低温；在此过程中吸附床7维持在低于环境温度的状态，该过程持续到第二天早晨。

进一步限定的技术解决方案如下：

所述光伏电池1和吸附床7构成复合吸附床12；所述吸附床7包括盒状的保温壳体17，保温壳体17的顶面为透明盖板13，内部设有吸附材料15，光伏电池1贴合设于吸附材料15的顶面，保温壳体17的底部开设有工质出入口16；透明盖板13两侧和保温壳体17之间分别设有盖板开启机构14；光伏电池1接受到透过透明盖板13的太阳辐照。

所述透明盖板13的材料为全波段高透过率材料如聚乙烯膜，其在包括0.2~3 μm的太阳辐射波段和8~13 μm的“大气窗口”波段的全波段内的透过率均大于0.85，能有效地保证辐射制冷表面与外太空和天空之间进行辐射换热，获得制冷效果。

所述光谱选择性复合材料层20的厚度为25 μm，在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.8，在8~13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在3~8 μm波段和13 μm以上波段的反射率大于0.9。

所述选择性反射膜21的材料为氧化铟锡薄膜，厚度为12.5 μm，在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.9，在其他波段的反射率大于0.9。

所述选择性发射膜22的材料为聚酯薄膜或聚氟乙烯薄膜，厚度为12.5 μm，在8~13μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在其他波段的透过率大于0.9。

所述吸附材料15均匀平铺在保温壳体17的内部，与保温壳体17内侧壁面紧密贴合。

所述盖板开启机构14为设于盖板13和保温壳体17之间的手动式的窗铰链机构，处于关闭状态时，盖板13和保温壳体17紧密贴合，处于开启状态时，盖板13与保温壳体17之间留有较大的缝隙，使吸附材料15可与空气直接对流换热。

所述控制阀9为球阀或膜片阀或闸阀；在日间盖板开启机构14关闭时，控制阀9处于关闭状态，只在冰箱箱体19内的温度低于-20℃时短暂开启；在傍晚盖板开启机构14打开3～5小时，所述控制阀9开启并保持开启状态，直到第二天早晨盖板开启机构14关闭时重新进入关闭状态，形成循环。

所述储液罐10为可承压的密封结构储液罐。

所述光伏电池1为晶硅或非晶硅电池。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）本发明综合太阳能平板式吸附制冷系统和太阳能光伏直流制冷系统的优点，利用光伏制冷弥补平板式吸附制冷日间无法制冷的缺陷，利用吸附制冷替代了光伏制冷中昂贵且低效的蓄电机构，实现了太阳能冰箱领域中的光伏光热综合利用。系统制冷能力强，总效率明显提高。

（2）本发明中光伏电池上覆盖有光谱选择性复合材料层，参见图6，在0.2～3 μm的太阳辐射波段具有较高的透过率，从而保证白天的光伏光热性能；在8～13 μm的“大气窗口”波段具有较高的发射率，而在其他波段（3～8 μm和13 μm以上）具有较高反射率，这样既能凭借8～13 μm的“大气窗口”波段的高发射率进行辐射制冷，又能凭借其他波段（3～8 μm和13 μm以上）的高反射率减小其白天向周围环境辐射热能，夜间吸收周围环境的辐射热能，从而使吸附床白天具有较高的集热保温效果，夜间又具有辐射制冷和阻隔近地环境辐射热能的能力，能更快的散去工质吸附过程产生的吸附热并使吸附床维持在低于环境温度的状态。光谱选择性复合材料层通过辐射制冷的能力增强吸附床傍晚散热速度并使吸附床夜间能够维持在低于环境温度的状态，在维持冰箱箱体内温度稳定的前提下提高吸附式制冷效率。

（3）本发明使用复合吸附床实现光伏光热的综合利用，光伏电池可采用非晶硅电池，其白天在吸附床内高温环境下具有更高的发电效率，且成本明显低于晶硅光伏电池。

因此本发明通过太阳能平板式吸附制冷系统和太阳能光伏直流制冷系统的整合实现光伏光热综合利用，利用辐射制冷技术进一步提高吸附制冷系统的制冷效率，并可采用廉价的非晶硅光伏电池实现较高的光伏发电效率，最终实现太阳能冰箱更高的系统效率。

附图说明

图1为新型太阳能冰箱的整体结构示意图；

图2为复合吸附床的剖视结构示意图；

图3为选择性复合材料光谱特性简化示意图；

图4为选择性反射膜光谱特性简化示意图；

图5为选择性发射膜光谱特性简化示意图；

图6为选择性复合材料的理想光谱特性示意图。

上图中序号：光伏电池1、控制器2、直流变频压缩机3、第一冷凝器4、毛细管5、第一蒸发器6、吸附床7、第二冷凝器8、控制阀9、储液罐10、第二蒸发器11、复合吸附床12、透明盖板13、盖板开启机构14、吸附材料15、工质出入口16、保温壳体17、传热肋片18、冰箱箱体19、光谱选择性复合材料层20、选择性反射膜21、选择性发射膜22。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例

参见图1，一种新型太阳能冰箱包括冰箱箱体19、太阳能光伏直流制冷系统和太阳能吸附制冷系统。

太阳能光伏直流制冷系统包括太阳能光伏供电装置、直流变频压缩机3、第一冷凝器4、毛细管5、第一蒸发器6。直流变频压缩机3、第一冷凝器4和毛细管5位于冰箱箱体19外部，第一蒸发器6位于冰箱箱体19内。太阳能光伏供电装置包括光伏电池1和控制器2；光伏电池1的顶面覆盖有光谱选择性复合材料层20；光谱选择性复合材料层20由选择性反射膜21和选择性发射膜22复合制成，见图2右侧的局部放大图。

太阳能吸附制冷系统包括吸附床7、第二冷凝器8、控制阀9、储液罐10、第二蒸发器11，吸附床7通过连接管道依次直接与第二冷凝器6、储液罐10以及第二蒸发器11相连；储液罐10与第二蒸发器11间的管道上安装有控制阀9，控制阀9为球阀；第二蒸发器11位于冰箱箱体19内部，第二冷凝器8、控制阀9与储液罐10位于冰箱箱体19外侧的上部。

参见图2，太阳能光伏供电装置包括光伏电池1和控制器2，光伏电池1和吸附床7构成复合吸附床12。吸附床7包括盒状的保温壳体17，保温壳体17的顶面为透明盖板13，内部均匀平铺着吸附材料15，与保温壳体17内侧壁面紧密贴合；光伏电池1贴合设于吸附材料15的顶面，见图2右侧的局部放大图，保温壳体17的底部开设有工质出入口16；透明盖板13两侧和保温壳体17之间分别设有盖板开启机构14；盖板开启机构14为安装于盖板13和保温壳体17之间的手动式的窗铰链机构，由手动控制开关。光伏电池1接受到透过透明盖板13的太阳辐照。图2中复合吸附床12的盖板开启机构14为关闭状态，关闭状态时，盖板13和保温壳体17紧密贴合；图2左侧的局部放大图中的盖板开启机构14为开启状态，开启后盖板13与保温壳体17之间留有较大的缝隙，使吸附材料15可与空气直接对流换热。

光伏电池1表面覆盖的光谱选择性复合材料层20的厚度为25 μm，光谱选择性复合材料层20的光谱特性简化示意参见图3；光谱选择性复合材料层20由选择性反射膜21和选择性发射膜22复合制成，选择性反射膜21和选择性发射膜22的光谱特性简化示意分别参见图4和图5，选择性反射膜21为氧化铟锡（ITO）薄膜，厚度为12.5 μm，在0.2～3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.9，在其他波段的反射率大于0.9；选择性发射膜22为聚酯（PET）薄膜，厚度为12.5 μm，在8～13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在其他波段的透过率大于0.9。

本发明的工作原理说明如下：

参见图1和图2，以日间环境温度为18～25℃、夜间环境温度为15～20℃的典型晴朗气候条件为例作如下分析。

在日间，绝大部分太阳辐射透过复合吸附床12上的盖板13和选择性发射膜22到达选择性反射膜21上，到达选择性反射膜21上的太阳辐射绝大部分继续被透过而到达光伏电池1和吸附材料15上，被转化成电能和热能。太阳能光伏直流制冷系统维持冰箱箱体19内的低温，太阳能光伏供电装置供电，直流变频压缩机3得电工作，由压缩制冷循环稳定地为冰箱提供冷量；与此同时，复合吸附床12中的吸附床7的盖板13与保温壳体17结合使吸附材料15处于密闭的蓄热状态，选择性反射膜6在3～8 μm和13μm以上波段的高反射率能有效地减小封装材料与周围近地环境间因辐射换热而产生的热损失，保证较高的蓄热能力。当吸附材料15的温度达到70～100℃时，吸附在其中的制冷工质缓慢释放，气态的制冷工质经过第二冷凝器6冷凝后液化降温，流入储液罐10中储存起来，此过程一般需要耗时6～9小时。日间，盖板开启机构14关闭时，控制阀9处于关闭状态，当压缩制冷循环提供的冷量过多而导致冰箱箱体19内温度低于-20℃时，控制阀9短暂开启，则在重力作用下储液罐10中存储的液态制冷工质少量流入第二蒸发器11，这部分温度较高的制冷工质与冰箱箱体19内环境换热，使冰箱箱体19内温度维持在-10～-20℃的范围，控制阀9多次开启使得储液罐10中储存的制冷工质全部流入第二蒸发器11中。

在夜间，太阳能光伏直流制冷系统停止工作，新型太阳能冰箱由太阳能吸附制冷系统维持箱体内低温。傍晚时，通过盖板开启机构14打开透明盖板13，吸附床7内吸附材料15与环境空气对流散热，同时，吸附床7内热量通过热传导的方式逐层传递给选择性发射膜22，选择性发射膜22利用其在“大气窗口”波段的高发射率将热量通过热辐射的方式传递给外太空和大气层，进一步增强散热。经过3～4小时吸附材料15温度降低至接近环境温度后关闭透明盖板13，无对流换热则吸附床7可依靠辐射制冷进一步冷却至低于环境温度5～10℃。此时短暂开启控制阀9，吸附材料15开始吸附制冷工质，第二蒸发器11中液态制冷工质汽化吸热，控制阀9多次短暂开启使得冰箱内温度维持在-10～-20℃；在此过程中吸附床7维持在低于环境温度的状态，其缓慢产生的少量吸附热通过辐射制冷散去，该过程持续到第二天早晨；吸附过程结束后控制阀重新进入关闭状态，形成循环。

光谱选择性复合材料层4在0.2～3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.8，在8～13μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在3~8μm和13 μm以上波段的反射率大于0.9。

光伏电池1可采用晶硅或非晶硅电池，由于日间电池工作温度随吸附床7内温度的升高而升高，故采用非晶硅时可获得比常温下更高的发电效率。透明盖板13的材料为全波段高透过率材料如聚乙烯膜，其在包括0.2~3μm的太阳辐射波段和8~13μm的“大气窗口”波段的全波段内的透过率均大于0.85，能保证辐射制冷表面与外太空和天空之间的辐射换热。

Claims (9)

1.一种太阳能冰箱，包括冰箱箱体（19）、太阳能光伏直流制冷系统和太阳能吸附制冷系统，其特征在于：

所述太阳能光伏直流制冷系统包括太阳能光伏供电装置、直流变频压缩机（3）、第一冷凝器（4）、毛细管（5）、第一蒸发器（6）；所述直流变频压缩机（3）、第一冷凝器（4）和毛细管（5）位于冰箱箱体（19）外部，所述第一蒸发器（6）位于冰箱箱体（19）内；所述太阳能光伏供电装置包括光伏电池（1）和控制器（2）；所述光伏电池（1）的顶面覆盖有光谱选择性复合材料层（20）；所述光谱选择性复合材料层（20）由选择性反射膜（21）和选择性发射膜（22）复合制成；

所述太阳能吸附制冷系统包括吸附床（7）、第二冷凝器（8）、控制阀（9）、储液罐（10）、第二蒸发器（11），吸附床（7）通过连接管道依次直接与第二冷凝器（8）、储液罐（10）以及第二蒸发器（11）相连，所述储液罐（10）与第二蒸发器（11）间的管道上设有控制阀（9），所述第二蒸发器（11）位于冰箱箱体（19）内部，第二冷凝器（8）、控制阀（9）与储液罐（10）位于冰箱箱体（19）外侧的上部；

所述光伏电池（1）和吸附床（7）构成复合吸附床（12）；所述吸附床（7）包括盒状的保温壳体（17），保温壳体（17）的顶面为透明盖板（13），内部设有吸附材料（15），光伏电池（1）贴合设于吸附材料（15）的顶面，保温壳体（17）的底部开设有工质出入口（16）；透明盖板（13）两侧和保温壳体（17）之间分别设有盖板开启机构（14）；光伏电池（1）接受到透过透明盖板（13）的太阳辐照；

在日间，由太阳能光伏直流制冷系统维持冰箱箱体（19）内的低温，太阳能光伏供电装置供电，直流变频压缩机（3）得电工作，由压缩制冷循环稳定地为冰箱提供冷量；与此同时，太阳能吸附制冷系统中吸附床（7）内的吸附材料温度升高，吸附在其中的制冷工质缓慢释放，气态的制冷工质经过第二冷凝器（8 ）冷凝后液化降温，流入储液罐（10）中储存起来，在此过程中控制阀（9）多次短暂开启，使储液罐（10）中存储的液态制冷工质流入第二蒸发器（11），维持冰箱箱体（19）内温度稳定；在夜间，太阳能光伏直流制冷系统停止工作，新型太阳能冰箱由太阳能吸附制冷系统维持箱体内低温；傍晚时，吸附床（7）内的吸附材料与环境空气对流散热，待吸附材料温度降低至接近环境温度关闭透明盖板（13），无对流换热则吸附床（7）可依靠辐射制冷进一步冷却至低于环境温度5～10℃，此时短暂开启控制阀（9），吸附材料（15）开始吸附制冷工质，第二蒸发器（11）中液态制冷工质汽化吸热，控制阀（9）多次短暂开启使得冰箱内温度维持在-10～-20℃；在此过程中吸附床（7）维持在低于环境温度的状态，其缓慢产生的少量吸附热通过辐射制冷散去，该过程持续到第二天早晨；吸附过程结束后控制阀（9）重新进入关闭状态，形成循环。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能冰箱，其特征在于：所述透明盖板（13）的材料为全波段高透过率材料，其在包括0.2~3 μm的太阳辐射波段和8~13 μm的“大气窗口”波段的全波段内的透过率均大于0.85，能有效地保证辐射制冷表面与外太空和天空之间进行辐射换热，获得制冷效果。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能冰箱，其特征在于：所述光谱选择性复合材料层（20）的厚度为25 μm，在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.8，在8~13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在3~8 μm波段和13 μm以上波段的反射率大于0.9。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能冰箱，其特征在于：所述选择性反射膜（21）的材料为氧化铟锡薄膜，厚度为12.5 μm，在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.9，在其他波段的反射率大于0.9。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能冰箱，其特征在于：所述选择性发射膜（22）的材料为聚酯薄膜或聚氟乙烯薄膜，厚度为12.5 μm，在8~13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在其他波段的透过率大于0.9。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能冰箱，其特征在于：所述吸附材料（15）均匀平铺在保温壳体（17）的内部，与保温壳体（17）内侧壁面紧密贴合。

7.根据权利要求1所述的一种太阳能冰箱，其特征在于：所述盖板开启机构（14）为设于盖板（13）和保温壳体（17）之间的手动式的窗铰链机构，处于关闭状态时，盖板（13）和保温壳体（17）紧密贴合，处于开启状态时，盖板（13）与保温壳体（17）之间留有较大的缝隙，使吸附材料（15）可与空气直接对流换热。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能冰箱，其特征在于：所述控制阀（9）为球阀或膜片阀或闸阀；所述盖板开启机构（14）为手动式的窗铰链机构，在日间盖板开启机构（14）关闭时，控制阀（9）处于关闭状态，只在冰箱箱体（19）内的温度低于-20℃时短暂开启；在傍晚盖板开启机构（14）打开3～5小时，所述控制阀（9）开启并保持开启状态，直到第二天早晨盖板开启机构（14）关闭时重新进入关闭状态，形成循环。

9.根据权利要求1所述的一种太阳能冰箱，其特征在于：所述储液罐（10）为可承压的密封结构储液罐。