第1章 绪论
1.1 概述
能源是社会发展至关重要的物质保障，对经济的发展和人民生活质量的提高有着十分重要的作用。在人类社会发展的进程中，伴随着化石能源的不断开发利用，人类社会的发展迈上了一个新台阶。但与此同时，化石能源的开发利用不仅造成了传统化石能源的日益枯竭，而且造成了全球气候变暖、臭氧空洞、雾霾等环境问题。实现经济、资源、能源、环境协调可持续发展已成为全球共识。
目前，由于科技的进步和环保意识的提高以及各国人民的努力，全世界的能源消费模式和能源开发利用结构正向着低碳环保型逐步发展，但受经济发展需求和人口增长的影响，在未来很长时间内，石油和天然气占一次能源的比例仍可能保持在较高水平。可再生能源资源的开发与利用是应对全球能源短缺和改善环境*为直接的方式之一。
我国煤炭在一次能源消费中的比重长期保持在70%左右。煤炭的燃烧不仅产生大量粉尘，且产生的温室气体是各能源品种中*多的。通过我国政府和人民的不断努力，以煤炭为主的能源结构正逐步发生着较大的改变，且已经带来较为显著的环境效益。继续优化能源开发利用结构，积极且持续地发展可再生能源，对于我国“蓝天保卫战”具有更为重要的意义。
我国建筑能耗约占全社会总能耗的1/3，其中*主要的耗能方式是采暖和供冷，即人们常说的空调。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，空调耗能不断增加。在夏季，巨大的制冷需求常常消耗大量常规能源，甚至导致用电高峰期的电力紧张。因此，实现绿色制冷成为解决能源与环境问题的重要途径之一。
在众多可再生能源中，太阳内部每时每刻都进行着核聚变反应并释放出巨大能量，太阳能资源储量巨大，且对其进行开发利用的过程具有环境友好性，使得合理开发与利用太阳能资源成为各国可再生能源开发利用的重要内容。我国国土面积辽阔，在这广袤的土地上有着较为丰富的太阳能资源。表1-1是我国的太阳能总辐射量和日照时数的区域分布。年日照时间大于2200h的地区占全国总面积的2/3，太阳能年辐射总量为3340～8400MJ，较为丰富的太阳能资源为我国开发利用太阳能资源提供了有力的保障。
太阳辐射在时间上的变化规律、地域分布与制冷空调需求在时间变化规律、地域分布上相吻合，良好的地域与季节的匹配性，以及太阳能制冷大多采用环境友好型制冷工质对，使得温室效应系数和臭氧破坏系数几乎为零，因此太阳能制冷展现出光明的应用前景。对太阳能制冷开展研究和探索，加快推进太阳能制冷的规模化生产和使用，对于实现可持续发展有重要意义。
1.2 太阳能制冷的技术途径
太阳能制冷空调，就是以太阳能作为全部或主要的驱动能源，驱动制冷空调机运行，达到制冷的目的。将太阳能用于驱动制冷空调系统的形式多样，根据太阳能转换利用方式的不同，主要有两种方式：其一是先将太阳光能转换为电能，再以电力制冷，即太阳能光伏制冷；其二是先进行光-热转换，再以热能制冷，即太阳能光热制冷。太阳能光热制冷是通过收集的太阳辐射热能驱动制冷系统，主要有吸附制冷、吸收制冷、喷射制冷以及其他制冷方式。太阳能光伏制冷利用光伏组件将太阳能转换为电能驱动制冷机组运行，制冷机组工作方式主要有蒸汽压缩制冷、半导体制冷、热声制冷和磁致制冷等。还可利用太阳能集热器集热驱动热机发电带动制冷机组。太阳能制冷的具体技术路径如图1-1所示。
图1-1 太阳能制冷的技术路径
以太阳热能驱动的制冷空调系统以及各种太阳能热利用系统中，太阳能集热器是不可或缺的部分，太阳能集热器一定程度上反映了太阳热能利用技术的发展进程。
太阳能集热器是将太阳辐射能转换为传输介质内部能量的特殊类型的热交换设备，是将热量传递到流经集热器的流体(通常是空气、水或油)的装置。收集的太阳辐射能量可从循环流体输送到空调设备驱动源、热水或热能储存器件内，在夜间或阴天仍可以使用。
在太阳能空调领域一般使用的集热器有太阳能平板集热器、真空管集热器和聚焦型集热器，其中聚焦型集热器包括复合抛物面集热器、菲涅耳集热器等。
典型的太阳能平板集热器主要由透明盖板、涂层吸收板和防雨的隔热箱体组成，是目前应用*为广泛的太阳能集热器。太阳能平板集热器主要应用于太阳能低温热利用系统中，如生活用水加热、游泳池加热、建筑物采暖和空调等领域。国内已有多处利用太阳能集热器与制冷机组相结合进行采暖、空调和制冷的示范工程，具有较好的经济效益和环境效益。此外，平板型太阳能集热器还可用于除湿、提供工业用热水等。
太阳能真空管集热器主要由吸热体和玻璃管套管组成，吸热体表面镀有光谱选择性吸收涂层，玻璃套管之间的夹层保持有较高的真空度，有效地减小了真空管内空气的传导和对流热损。管内选择性吸收涂层的低红外发射率，有效降低了吸热体的辐射热损失。
太阳能真空管集热器可分为全玻璃真空管和金属吸热体真空管两大类，金属吸热体真空管具有工作温度高、承压能力强、耐热冲击性能好等优点，成为当今世界真空管集热器一个重要的发展方向。在相同的周围环境条件和工作温度下，真空管集热器的热损只是常规的平板型集热器的1/8左右。
聚焦型集热器是由聚光器以反射或折射的方式将一定面积上的太阳能集中到更小面积的接收器上，接收器将光能转换为热能，再由工作介质(水、空气或导热油)带走。由于接收器上的能流密度高，所以聚焦型太阳能集热器能够获得比平板型集热器高得多的温度，为太阳能中高温热利用提供了条件。按照不同的聚焦方式，可以将聚焦型集热器分为旋转抛物式聚光集热器、抛物面槽式聚光集热器(parabolic trough concentrator)、复合抛物面聚光集热器(compound parabolic concentrator)、塔式和菲涅耳式聚光集热器等。
1.2.1 太阳能光热制冷
利用集热器件收集或聚集太阳能驱动制冷机组的工作方式主要有太阳能吸附制冷、太阳能吸收制冷、太阳能工质直喷式制冷和太阳能除湿制冷等方式。吸收与吸附制冷均是通过热源驱动使得吸附/吸收工质对(如活性炭甲醇工质对、溴化锂和水等)循环完成吸附/吸收、解吸的过程。
1.2.2 太阳能吸附制冷
太阳能吸附制冷是利用太阳能作为驱动热源使液态制冷工质在固体吸附剂上吸附/解吸的循环过程中实现制冷。置于室外的吸附床吸收太阳辐射能量后，装填于吸附集热床中的多孔固体吸附剂温度升高，使得吸附于其孔隙中的制冷剂解吸出来，在冷凝器中冷凝为液体，储存于蒸发器中；当太阳辐射消失时，吸附床集热器向周围环境散热，固体多孔吸附剂温度降低，系统压力降低，冷凝为液体制冷剂被固体多孔吸附剂重新吸附于孔隙内。在此过程中制冷剂由液态变为气态，释放相变潜热，实现蒸发制冷，完成一次吸附制冷循环。
1.2.3 太阳能吸收制冷
利用吸收溶液与液态制冷剂的溶液浓度变化来获取冷量，因为采用不含氟氯烃化合物的溶液作为循环工质，且工质无臭、无毒、无害，没有运动部件，噪声低，所以被广泛研究。集热器在太阳辐射条件下吸收热量，用于加热发生器里的吸收剂与制冷剂组成的二元溶液，溶液受热后，发生器内压强增加，制冷剂在一定压力下吸热蒸发，变成气态进入冷凝器，然后经节流阀节流流入蒸发器内蒸发吸热制冷；从蒸发器出来的低压蒸汽重新进入吸收器被吸收剂吸收，吸收过程中放出的相变潜能被冷媒水带走进行制冷。形成的浓溶液由泵送入发生器中，被热源加热后蒸发产生的高压制冷剂蒸汽进入冷凝器冷却，而稀溶液减压回流到吸收器完成一个循环。
1.2.4 太阳能喷射制冷
太阳能喷射制冷系统分为太阳能集热系统和喷射制冷循环系统两个部分，液态制冷剂在发生器中被加热加压后成为高压蒸汽进入喷射器中，经过喷嘴后变成高速气流，喷嘴附近形成真空状态，将蒸发器中的低压蒸汽吸入喷射器中，同时维持蒸发器的真空及低温环境，在这一过程中产生冷量；喷射器再将两股蒸汽充分混合后，在扩压器中提高压力并进入冷凝器中冷凝成液体。从冷凝器中出来的液体制冷剂一部分经循环泵进入发生器，另一部分经膨胀阀节流降压后进入蒸发器蒸发制冷，从而完成制冷循环。
1.2.5 太阳能光伏制冷
太阳能光伏制冷技术将光伏发电技术和制冷技术相结合，根据光伏发电系统的形式，可分为*立系统和并网系统；根据制冷方式，可分为太阳能压缩制冷和太阳能半导体制冷两种。*立系统根据制冷设备的特点又可分为直流系统、交流系统等，其重要区别是系统中是否带有逆变器。一般来说，光伏制冷的*立系统主要由太阳电池阵列、控制器、蓄电池组、逆变器和制冷设备等部分组成；并网系统主要由太阳电池阵列、并网逆变器和制冷设备组成。
*立光伏供能单元中的光伏组件将太阳能转换为电能，通过采用带有*大功率跟踪和变频调控技术的逆控机变频调控用电负载的频率使其自适应工作于光伏组件的*大功率点上，实现光伏直接驱动压缩机高效运行。蓄冷单元中制冷剂经压缩机压缩，再由冷凝器冷却后经过节流阀节流为低温工质，低温工质流入蒸发器吸热制冷，再流入压缩机完成制冷循环。
1.2.6 太阳能半导体制冷
太阳能半导体制冷系统就是利用半导体的热电制冷效应，由太阳能电池直接供给制冷系统所需的直流电，达到制冷的效果。半导体制冷是利用热电制冷效应的一种制冷方式，因此又称为热电制冷或温差电制冷。半导体制冷器的基本元件是热电偶对，即一个P型半导体元件和一个N型半导体元件连成的热电偶。当直流电源接通时，上面接头的电流方向是N→P，温度降低，并且吸热，形成冷端；下面接头的电流方向是P→N，温度升高，并且放热，形成热端。把若干对热电偶连接起来就构成了常用的热电堆，借助各种传热器件，使热电堆的热端不断散热，并保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热，从而对外界输出冷量。
1.2.7 太阳能热声制冷
太阳能热声制冷机是以太阳能为热源的热声发动机驱动的热声制冷机，包括太阳能集热装置、热声发动机和热声制冷机三部分。
太阳能集热装置收集太阳热能，为热声驱动器提供能量。声波在流体中以压力和速度振荡的方式传播，同时伴随着温度振荡。尽管日常生活中的热声现象微弱到很难察觉，但在声场中的固体介质周围，温度振荡、压力振荡和速度振荡三者结合可产生热声效应。
热声效应是热与声之间相互转换的现象。产生热声效应时，纵向传播模式维持稳定的声振荡和提供产生热声效应所需的声功流，横向模式则产生流体和固体的动量和热量相互作用。按能量转换方向的不同，热声效应可分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输。只要具备一定的条件，热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。
1.3 太阳能制冷技术发展简史
制冷技术是随着人类的需求而逐步发展起来的，在18世纪后期，Wiliam Cullen教授利用乙醚蒸发使水结冰，这是人类历史上*早的制冷过程。制冷技术的不断发展与利用同样伴随着化石能源的不断开发利用，也是造成传统化石能源日益枯竭和环境恶化问题的因素之一。能源危机和环境保护意识的提高为太阳能制冷的发展提供了契机，各类绿色制冷效应的发现，奠定了太阳能制冷技术发展的基础。
1.3.1 吸附制冷
吸附制冷现象发现于1848年，当时Faraday实验室发现氯化银吸附氨后，产生了制冷效应，这一发现，成为研究吸附制冷这一绿色制冷技术的开端。太阳能吸附制冷系统的应用*早可追溯到20世纪20年代，当时美国的铁路客车上使用了二氧化硫和硅胶作为吸附制冷工质对的吸附制冷系统。但是随着运行稳定且成本较为廉价的以CFCs(氯氟烃)为制冷工质的压缩机的发展，以热源驱动的吸附制冷被逐渐遗忘。20世纪70年代的石油危机以及以蒙特利尔和《京都议定书》为代表的保护环境的强烈呼声，吸附制冷可利用低品位热源且对环境友好的优势再次被凸显，为吸附制冷技术的发展提供了契机。特别是1992年*届吸附制冷大会在巴黎召开，成为吸附制冷技术发展的里程碑，各
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