太阳能光伏直流冰箱系统的实验研究

蔡春森，李 健，袁银男，邹 毅，喜冠南

(1.南通大学机械工程学院，江苏南通226019；2.南通怡柯新能源科技有限公司，江苏南通226019)

随着太阳能光伏发电技术的不断发展以及太阳电池技术的不断进步，给太阳能资源丰富但电力匮乏的偏远山区、岛屿等地区配备必要的食品、药品等货物冷冻冷藏设备带来了重大便利。光伏发电技术源于将太阳的辐射能量转化为电能，因此太阳的日照状况很大程度上制约了光伏制冷技术在冷冻冷藏设备上的应用。目前，国外对光伏冰箱的研究较为丰富，Thomachan A K等[1-3]对小型太阳能-蓄电池冰箱系统中蓄电池的匹配、充放电特性等方面做了系统的研究。研究表明蓄电池的应用能够保证该系统的正常运行。Kaplanis S等[4]将一台传统电冰箱系统改造成了12 V光伏直流冰箱，并对其性能进行了分析研究。Modi A等[5]对太阳电池供电运行、蓄电池供电运行及断电3种情况下的冰箱性能进行了实验研究，结果显示系统的制冷效率(COP)值从早上到下午逐渐减小。国内对光伏冰箱的研究起步相对较晚，代彦军等[6]针对一种太阳能半导体冰箱进行了实验研究与性能分析，实验表明冰箱性能与太阳辐射条件有很大关系，存在分别使COP和制冷量达到最大值的最佳太阳辐照度。刘群生等[7]对太阳能光伏直流冰箱系统的能量管理和系统匹配等问题进行了深入研究分析。

目前技术条件下，太阳能光伏冰箱要想达到实用化还有一定的困难，光伏电池板的输出效率、气象状况以及系统的匹配控制等一系列因素很大程度上影响着系统的性能。本研究以24 V光伏直流冰箱系统为研究对象，通过实验分析冰箱系统在运行过程中各部件的电流、电压以及冰箱内部温度的变化情况，探讨了系统的性能效果。

1 系统部件选型及运行原理

本研究中的光伏直流冰箱系统包括太阳能光伏电池板、铅酸蓄电池、光伏控制器以及直流冰箱等部件，本系统所用的直流冰箱是在一台传统的交流电冰箱的基础上改造而成，改造后直流冰箱压缩机的额定功率为66 W，制冷剂为R134a，冰箱总容积为90 L。根据改造后冰箱系统的需求，所选择的光伏电池板必须满足电压及功率两方面的要求，本系统采用两块功率为70 W的光伏电池板串联为系统供电，两个12 V铅酸蓄电池串联满足系统24 V工作电压的需求。

该系统运行原理：太阳光辐射到太阳能板上，太阳能板将其转化为直流电，直流电经过控制器为系统供电，控制器可以实现对蓄电池的过充电及过放电的保护功能。如果光照充足，光伏电池板一方面为直流冰箱供电，另一方面为蓄电池充电；如果光照不足，则光伏电池板和蓄电池一并为冰箱供电；在阴雨天气情况下，光伏电池板没有电量输出，由蓄电池单独为冰箱供电。

2 实验与分析

2.1 实验装置

冰箱系统的各部件连接以及数据采集点布置情况如图1所示，实验地点为南通，为使光伏电池板能接受最佳光照辐射，根据南通地处北纬32°01'，选择光伏电池板倾角约为32°。图1中点划线连线部分表示的是系统运行时光伏电池板、蓄电池及冰箱负载处的电压、电流信号采集线，虚线连线部分表示的是冰箱内部温度以及环境温度采集线。图1中电信号采集卡以及温度采集卡分别采用了北京中泰USB7600A以及USB7411两种数据采集卡，温度传感器为PT100，分别使用两种调理模块对电路中的电压、电流信号进行调理，以便于信号的采集与存储。

图1 光伏直流冰箱系统实验示意图

2.2 实验结果与分析

本研究是在南通地区10月中各种不同气象条件下进行的，实验时冰箱置于室内，实验前打开冰箱箱门，使得冰箱内部温度与室内温度保持充分平衡之后启动光伏直流冰箱压缩机工作。图2所示为当月几种相同气象条件下各时间点光伏电池板输出功率的对比情况，由各时间点光伏电池板输出功率分布可以看出，相同气象状况下光伏电池板的输出功率分布基本一致；晴天下午14:00之后光伏电池板的输出功率与多云状况下的光伏电池板的输出功率分布较为接近；阴天状况下光伏电池板的输出功率趋近0，此种状况光伏电池板输出功率可以忽略不计。

图2 光伏电池板输出功率对比图

2.2.1 系统空载实验与分析

选取当月某个典型的晴好天气对系统进行了空载实验，冰箱内部不放任何负载，实验当天室内温度(24±1)℃。图3所示为当日9:00至11:00时间段内光伏直流冰箱运行过程中图1各温度采集点的温度变化情况，冰箱运行约0.5 h之后达到稳定运行状态，在冰箱稳态运行过程中离蒸发排管越近，该处的温度波动越大，测试点2处的温度波动最大，其最大温度波动约为2℃。导致这种结果的原因在于压缩机停机时，蒸发排管周围的部分冷量传递给了箱内温度相对较高的地方(图1中测试点3、测试点4处)。

图3 冰箱空载温度变化曲线

图4所示为相同时间段内光伏直流冰箱运行过程中的功耗曲线，在达到稳态运行之前冰箱的工作功率变化较大，冰箱刚开机的时候功率迅速上升到68.9 W，然后下降到48.5 W，随之再上升到55.9 W，之后功率逐渐下降，这是因为压缩机刚启动时需要一定的转矩力，待压缩机启动后功率下降，之后随着制冷系统内压差的形成功率逐渐上升。随着冷柜内温度的逐渐降低，所需功率也随之减少，系统功率逐渐下降。冰箱运行约0.5 h后第一次停机，之后冰箱进入稳态运行循环，稳态运行过程中冰箱的运转率约为48.8%。

图4 冰箱空载功耗曲线

经过实验测试，计算得出该直流冰箱空载稳态运行的平均功率约为28.8 W，由此计算得出该冰箱空载稳态运行一天的总能耗约为0.691 kWh。晴天气象状况下光伏电池板平均输出功率约为66 W，云层较多的多云气象状况下光伏电池板平均输出功率约为36 W，阴雨气象状况下光伏电池板输出功率为0。按南通10月份日均光照9 h以及光伏系统蓄电池最佳循环放电深度为50%计算，连续晴天气象条件下冰箱系统最长维持运行25天，连续多云气象条件下冰箱系统最长维持运行6天，阴雨气象条件下冰箱系统最长维持运行3天。

2.2.2 系统带蓄冷负载实验与分析

该实验同样选择10月某个典型晴好天气进行，实验前在冰箱内部蒸发器上方放置装有0.5 kg纯水的水袋作为蓄冷负载，实验当天室内温度为(22±1)℃。

图5所示为当日9:30至12:00时间段内光伏直流冰箱运行过程中图1各温度采集点的温度变化情况，冰箱运行约1小时20分钟之后达到稳定运行状态，与图3空载实验温度变化比较，可以明显看出从开机到稳态运行，带蓄冷负载冰箱用时要长的多，这是因为在此过程中，制冷系统要将箱内蓄冷负载的热负荷带走。

图5 带负载冰箱温度变化曲线

图6所示为该时间段内冰箱功率的变化情况，对比图4可知，带负载时冰箱的功耗与空载情况下的功耗基本相当。进入稳态运行后，冰箱的运转率约为40.1%，这是由于放入0.5 kg的水起到了蓄冷的作用，从而降低了冰箱的启停次数与运行时间。

3 结论

通过建立24 V光伏直流冰箱系统，并对其进行实验研究分析可知：

(1)经实验验证，本研究中搭建的光伏直流冰箱系统能够正常的运行，空载状态下，稳态运行过程中冰箱的运转率约为48.8%，稳态运行的平均功率约为28.8 W；

图6 带负载冰箱功耗曲线

(2)南通10月气象状况下，结合实验结果计算得出：连续晴天气象条件下冰箱系统最长维持运行25天，连续多云气象条件下冰箱系统最长维持运行6天，阴雨气象条件下冰箱系统最长维持运行3天；

(3)在加入0.5 kg水作为蓄冷负载之后，冰箱的稳态运转率约为40.1%，有效地提高了冰箱的性能，若是选用适量相变潜热更大的材料作为蓄冷材料，冰箱的各项特性将会有更大的提高。

[1]THOMACHAN A K，SRINIVASAN K.Experimental investigation on a series-parallel cluster of photovoltaic panels[J].Solar Energy，1997，61(4):231-240.

[2]THOMACHAN A K，SRINIVASAN K.Thermal performance characterization of a photovoltaic driven domestic refrigerator[J].International Journal of Refrigeration，2000，23(3):190-196.

[3]THOMACHAN A K，SRINIVASAN K.Lead acid batteries in solar refrigeration systems[J].Renewable Energy，2004，29(8):1243-1250.

[4] SOCRATES K，NIKOLAOS P.The study and performance of a modified conventional refrigerator to serve as a PV powered one[J].Renewable Energy，2006，31(6):771-780.

[5]MODI A，CHAUDHURI A，VIJAY B，et al.Performance analysis of a solar photovoltaic operated domestic refrigerator[J].Applied Energy，2009，86(12):2583-2591.

[6] 代彦军，王如竹，倪靓.太阳能半导体冰箱实验研究与性能分析[J].太阳能学报，2002，23(6)：754-758.

[7] 刘群生，付鑫，张鹏，等.太阳能光伏直流冰箱系统性能研究[J].太阳能学报，2007，28(2)：184-188.