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1、中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用学术会议论文 编号：111003 基金项目：国家自然科学基金（50876064）及教育部博士点基金（200802481115）太阳能自动售货机实验研究及性能分析王前进1，李惠泽2，王聪3，翟晓强4（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）(Tel: 021-34206296, Email: xqzhai)摘 要 太阳能自动售货机可以有效利用太阳能，减少对常规电源的依赖。通过对太阳能自动售货机的实验研究，分析了其性能随环境温度、太阳辐射、电池板材料及角度、售货机容量等因素的变化规律，对全国四个太阳能资源分布带的代表城市进行系统的匹配设计计算。
2、关键词 太阳能自动售货机;实验研究;影响因素;匹配设计0 引 言太阳能电池技术的突飞猛进使光伏发电技术越来越受到人们的关注1。随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展。太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡2。目前，中国大约有78万台自动售货机，而据中国自动售货机专业委员会对中国内地售货机应用市场做出的预测，未来中国的售货机总量将达到300万台3，如此数量庞大的售货机需求量将会导致每天至少1500万度电量供应4。自动售货机的耗电主要来自于保障内部合理冷藏温度的制冷系统，此外，许多自动售货机直接放置在户外。因此，如果将太阳能光伏制冷技术应用到售货机系统中，开发出太阳能自动售货机
3、，将会产生明显的节能效果。国内外学者和专家也对相关领域做了部分研究。Thomachan A. Kattakayam和K. Srinivasan的研究证明太阳能电池-蓄电池-逆变器冰箱系统可以正常工作5。Socrates Kaplanis等将普通冰箱改装成适用于太阳能光伏系统的直流冰箱，并对其部分特性进行了研究6。Petros J. Axaopoulos 和Michael P. Theodoridis研究了太阳能光伏制冷的方法以及制冷压缩机的控制策略7。刘群生等对太阳能光伏直流冰箱的系统性能进行了研究，探讨了系统制冷的温度及运转率等参数8。现有研究大多局限于采用逆变器的交流冰箱系统，并且主要研究
4、了冰箱在室内的运行工况。针对自动售货机应用的实际情况，本文提出了一种适用于室外的太阳能自动售货机系统，开展了进行实验研究，并分析了其性能随主要影响因素的变化规律。1 实验装置及原理该太阳能自动售货机系统主要由太阳能电池板、控制器、直流冰柜、蓄电池等几部分组成，如图1所示。系统摒弃了逆变器，选用了带有玻璃门的直流展示冰柜，减少系统的自重，使整个系统美观大方，适用于室外场所及展会等。实验装置外观如图2所示。实验装置的主要部件配置包括：太阳能电池板、冰柜、蓄电池、控制器、压缩机等。其中电池板面积为0.9112m2，最大功率为120Wp；冰柜有效容积为122L，采用透明玻璃门；蓄电池为铅酸蓄电池，容量
5、66Ah；控制器额定电压12V；压缩机为直流压缩机，名义电压12V。冰柜内设定温度为1015。该系统采用了太阳能光伏发电制冷技术，在阳光充足的情况下，太阳能电池板接收太阳辐射，将其转化为直流电，并通过太阳能控制器驱动直流冰柜，使制冷系统正常运行，达到冷藏的目的。同时，多余的电能可以储存在蓄电池中，以备系统在夜晚和阴雨天的情况下正常工作。图1 太阳能自动售货机系统结构图9图2 实验装置外观图示该实验系统中电池板的充电电压和电流、蓄电池电压和放电电流直接由控制器读得，电压测量精度为0.01V，电流测量精度为0.1A；冰柜的输入电压和输入电流由外接万用表测得，测量精度分别为0.01V和0.1A；环境
6、温度和冰柜内温度由铂电阻传感器测得，测量精度为0.1；太阳辐射资料由总辐射表（型号TBQ-2）测得，测量范围为02000W/m2，信号输出为020mV，测试精度2%。2 实验研究及分析在上海地区的7、8月晴好天气对太阳能自动售货机实验装置进行了实验测试，结果表明系统可以正常运行，在夏季典型晴天工况下（日总辐射13.36MJ/m2，环境温度30.6），太阳能电池板的平均转化效率为10%，到达压缩机的电能占总转化电能的73%，太阳能自动售货机中夏季冷饮的冷藏温度为10（储藏冷饮的有效容量为13L），并且，蓄电池储存的电能可以满足一定时间内系统运行的需求。太阳能保证率可达到50%。根据系统运行情况发
7、现，影响太阳能自动售货机系统性能的主要因素包括：环境温度、太阳辐射、电池板材料及角度、售货机容量等。本文着重分析系统性能随各影响因素的变化规律。2.1 系统性能随环境温度的变化环境温度对系统性能的影响较大，这主要体现在系统的需冷量和电池板的光电转化效率方面。图3表示系统单位时间需冷量随环境温度的变化，由图可见，随着环境温度的升高，系统的需冷量呈现线性增加的趋势。但是，压缩机产生的冷量是有限的，因此，随着环境温度的升高，制冷量可能会不足以满足需冷量，系统将偏离设定工况。此外，环境温度还对太阳能电池板的光电转化效率有影响。太阳能电池板背面温度与环境温度和太阳辐射照度有关，而不同背面温度会影响太阳能
8、电池方阵的充电电压。在太阳辐照度一定的条件下，单片太阳能电池的背面温度仅由环境温度决定，环境温度每升高1，太阳能电池背面温度升高1，其充电电压下降约2mV10。在太阳能自动售货机的实验系统中，其平均的工作电流约为6.1A。则，环境温度每升高1，单片太阳能电池板的功率将下降约0.0122W。在该系统中，太阳能电池板单片电池串联片数为36片，所以环境温度每升高1，太阳能电池板的充电功率将下降约0.44W。在太阳辐射相近的情况下，电池充电功率的降低就意味着电池板光电转化效率的降低。本实验中的数据进一步证实了这种规律，如表1所示。图3系统单位时间需冷量随环境温度的变化表1 环境温度对电池板光电转化效率
9、的影响日期太阳总辐射 / MJ环境温度 / 光电转化效率 / %7.1917.07132.210.1757.3116.92834.59.9602.2 系统性能随太阳辐射强度的变化太阳辐射强度对太阳能自动售货机系统性能的影响主要体现在影响太阳能电池板的输出功率。在环境温度接近的情况下，太阳能电池板的输出功率与太阳辐照度近似成正比。表2所示为环境温度接近的两天的实验数据，可以看出7月19日的太阳辐射高于8月8日，同时，其产生的电能也略高。表2 太阳辐射对电池板输出功率的影响日期太阳总辐射 / MJ环境温度 / 电池板输出电能 / MJ7.1917.07132.21.7378.813.19433.1
10、1.4122.3 系统性能随太阳能电池板的变化电池板对太阳能自动售货机系统性能的影响主要体现在电池板安放的角度和电池板的材料。改变电池板的安放角度，可以得到不同的实验工况，分析比较这些实验数据可以发现，电池板的角度会影响电池板接收太阳辐射的量，进而影响到电池板的光电转化效率及整个系统的总运行时间。表3为实验中3天太阳辐射及相应的发电量数据，从表中可以看出在电池板安放角度为10和30时，电池板的光电转化效率较高，而当角度为60时，光电转化效率降低比较严重。根据参考文献11 12，电池板在受阳光直射时可以接受最大的阳光辐射，而在实验时间段，太阳直射的角度约在1030之间，与表中数据比较吻合。表3
11、电池板安放角度对输出电能的影响日期太阳总辐射 / MJ电池板角度 / 电池板输出电能 / MJ光电转化效率 / %7.2217.998101.97610.9797.1917.071301.73710.1757.2113.472601.1438.484除了电池板的输出电能和光电转化效率，电池板的安放角度还对整个系统运行的总时间有一定的影响。图4所示为系统运行总时间随电池板角度的变化，从图中可以直观的看出，当电池板安装角度在25左右时，系统具有最长的运行时间，这是由于处于该角度时电池板可以接受更多的光能。因此，电池板对系统运行总时间的影响是间接的，是通过影响电池板输出电能的多少而决定总运行时间的，
12、这也与以上的实验结论相符。图4 系统运行总时间随电池板安放角度的变化在不同地区，太阳能电池板安装角度与当地纬度条件和日期有关，根据实验测试情况，一般情况下，电池板安装角度等于当地纬度时全年接受太阳辐射量最多。上海地区全年接受太阳辐射最多时电池板安装角度约为30。表4 电池板材料对太阳能制冷总效率的影响电池板材料理论光电转化效率 / %太阳能制冷总转化效率 / %单晶硅1515.87多晶硅1212.70非晶硅1010.58此外，电池板的材料也会对太阳能自动售货机的系统性能有一定的影响。目前使用比较广泛的太阳能电池板材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅等13，若太阳能自动售货机采用不同材料的电池板，依
13、据实验数据经过递推可得到表4所示的结果。由表中可以看出，采用单晶硅作为电池板材料时，整个系统太阳能制冷的总效率最高，可以达到15.87%，而采用非晶硅作为电池板材料时，整个系统太阳能制冷的总效率仅有10.58%。因此，从提高系统性能角度，单晶硅是比较理想的选择。2.4 系统性能随售货机有效储存容量的变化改变售货机的有效储存容量实质上就是改变需冷量，图5所示为单位时间需冷量随有效储存容量的变化曲线。由图中可以看出，二者呈指数关系，在容量低于一定值时，随有效储存容量增加，单位时间需冷量快速增大。而当售货机空载时（有效储存容量为0），也需要一定的冷量，这与实际情况也是十分吻合的。图5 系统单位时间需
14、冷量随冰柜有效容量的变化同时，除了直接影响单位时间的需冷量，有效储存容量还会影响其他因素，比如系统稳定所需时间，系统稳定后温度的波动幅度及变化频率等。图6所示为系统达到稳定所需时间随有效储存容量的变化曲线，从图中可以看出，二者近似为线性关系，随有效储存容量的增大，系统达到稳定所需的时间会越来越长。图6 系统达到稳定所需时间随冰柜有效容量的变化3 太阳能自动售货机系统匹配设计我国的太阳能资源分布具有明显的区域性，根据太阳能资源的年总量，可以将全国划分为四个带14，拉萨、北京、上海、重庆分别是这四带的代表性城市。根据以上结果在这四个城市进行太阳能自动售货机系统的匹配设计。若选用光电转化效率为15%
15、的单晶硅电池板，按照太阳能保证率50%进行计算，则各代表性城市不同规格的太阳能自动售货机系统所需电池板面积及安装角度见表5。表5 代表性城市太阳能自动售货机系统匹配设计城市电池板安装角度 / 单位有效容量的电池板面积 / m2/L拉萨300.076北京400.101上海300.117重庆300.128注1：有效容量指自动售货机中冷饮的实际容积，而非售货机容积；注2：各地区电池板朝向均为正南，偏差在15以内。4 结 论太阳能自动售货机实验装置的研究表明，该系统的运行性能受环境温度、太阳辐射、电池板材料及角度、售货机容量等众多因素的影响。(1) 环境温度主要影响系统的需冷量以及电池板光电转化效率。
16、太阳辐射强度越大，系统得到的电能越多，运行越稳定。该技术在太阳能资源较丰富的地区将会有很好的应用前景。(2) 采用性能较高的单晶硅电池板，并将电池板安放角度设置为与当地纬度相近，可以有效的提高太阳能的利用率，提高太阳能光伏制冷的总转化效率。(3) 不同地区太阳能自动售货机所需电池板面积不同，与当地纬度、售货机有效容量等因素有关。参考文献1 Green M A. Recent development in photovoltaicsJ. Solar Energy, 2004,76:38.2 黄可. 各国半导体照明计划和我国的对策C. 中国科技论坛.Huang Ke. Program of LED
17、 lighting in every country and our countermeasuresC. China Science and Technology Forum.3 4 5 Thomachan A. Kattakayam, K. Srinivasan. Thermal performance characterization of a photovoltaic driven domestic refrigeratorJ. International Journal of Refrigeration, 2000,23(3):190196.6 Socrates Kaplains, W
18、anignon Ferdinand Fassinou. Cold storage and autonomy in a three compartments photovoltaic solar refrigerator: experimental and thermodynamic studyJ. Renewable Energy. 1999,17,587602.7 Petros J. Axaopoulos, Michael P. Theodoridis. Design and experimental performance of a PV Ice-maker without battery
19、J. Solar Energy, 2009,83(8):13601369.8 刘群生,付鑫,张鹏,王如竹. 太阳能光伏直流冰箱系统性能研究J. 太阳能学报,2007,28(2):184188.Liu Qunsheng, Fu Xin, Zhang Peng, Wang Ruzhu. Experimental study on the operating characteristics of the photovoltaic DC refrigeratorJ. ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA, 2007,28(2):184188.9 H.Z.Li, Q.J.Wang,
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