离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统论文和设计

全文摘要

本实用新型涉及离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统。主要包括光伏发电机构、制冷机构和冰蓄冷空调冰箱机构。光伏发电机构包括太阳能光伏板和压缩机控制器；制冷机构包括直流压缩机、冷凝器和蒸发盘管，直流压缩机、冷凝器和蒸发盘管依次串联形成制冷回路；冰蓄冷空调冰箱机构包括冷藏室、蓄冰室、小容量直流水泵和换热器。采用直流变频压缩机实现软启动功能，保证低辐照条件下也能成功启动运行。采用冰蓄冷能够解决太阳能本身的波动性和周期性变化，同时，夜间提供冷量用于室内降温，本实用新型不使用电网电能，能够满足偏远热带地区的用冷需求和食品、药品的保存和储藏需求，对更有效地利用可再生能源具有深远意义。

设计方案

1.离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统，其特征在于：包括光伏发电机构、制冷机构和冰蓄冷空调冰箱机构；

所述光伏发电机构包括太阳能光伏板（1）和压缩机控制器（2），光伏发电机构为离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统提供直流电能；

所述制冷机构包括直流变频压缩机（4）、冷凝器（5）和蒸发盘管（7），直流变频压缩机（4）、冷凝器（5）和蒸发盘管（7）依次串联形成制冷回路；

冰蓄冷空调冰箱机构包括冷藏室（8）、蓄冰室（9）、小容量直流水泵（13）和换热器（11）；所述蓄冰室（9）内填装有冰水，所述蒸发盘管（7）浸没在蓄冰室（9）的冰水；所述冷藏室（8）、蓄冰室（9）和蒸发盘管（7）构成冰箱机构；所述小容量直流水泵（13）和表面换热器（11）串联，小容量直流水泵（13）的入口通过管道连通着蓄冰室（9）的一侧，表面换热器（11）的出口通过管道连通着蓄冰室（9）的另一侧；所述换热器（11）的一侧设有风机（10），所述蓄冰室（9）、小容量直流水泵（13）、表面换热器（11）和风机（10）构成空调室内机；

所述太阳能光伏板（1）、太阳能光伏控制器（3）、直流变频压缩机（4）和冷凝器（5）位于室外，所述冰箱机构和空调室内机位于室内；

太阳光线照射到太阳能光伏板（1）上产生直流电能，直流变频压缩机（4）以最低转速启动，制冷循环由太阳能光伏电池板发电进行驱动，随着制冷循环工作，从蓄冰室（9）处带走热量进行制冷；随着温度降低，在蒸发盘管（7）周围开始结冰，形成冰层；在夜晚时，用小容量蓄电池供电的直流水泵驱动冷水流动，利用蓄冰室（9）内的冰融化释放的冷量，通过风机（10）和表面换热器（11）进行室内空调制冷。

2.根据权利要求1所述的离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统，其特征在于：所述直流变频压缩机（4）具有软启动功能，启动转速为2500rpm。

3.根据权利要求1所述的离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统，其特征在于：所述冰箱机构的箱体厚度应大于5cm。

4.根据权利要求1所述的离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统，其特征在于：所述制冷回路中的工质为R134a。

5.根据权利要求1所述的离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统，其特征在于：所述小容量直流水泵（13）为12V直流水泵或24V直流水泵，提供空调水回路循环的动力，由蓄电池供电，功率在50-100W之间。

6.根据权利要求1所述的离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统，其特征在于：所述风机（10）为直流无刷风机，由蓄电池供电。

7.根据权利要求1所述的离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统，其特征在于：所述蓄冰室（9）内的蓄水量为0.3-0.4m³。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于太阳能光伏利用技术领域，涉及光伏发电、制冷、冰蓄冷技术和空调，具体涉及一种动态的蓄冰制冷的光伏冰蓄冷空调\/冰箱系统。

背景技术

太阳能具有绿色安全、取用方便、能量巨大、无污染、安全性好等优点。光伏制冷是将太阳能转换成电能，再用电能驱动变转速直流压缩机。将太阳能用于制冷，最大的优点是季节匹配性好，天气越热、越需要制冷的时候，系统制冷量越大。将太阳能制冷用于热带地区，能够极大的满足人们的制冷需求，降低能源消耗。同时，太阳能具有波动性和不稳定性，受天气、季节、地理位置等环境因素影响较大。且太阳能由于它的周期性限制，只能在白天使用，在夜晚时无法使用。而在热带地区，每年由于高温炎热，导致大量的食物和药品出现变质导致的食物中毒和疾病死亡等问题，造成极大的损失。这些对于制冷和冷藏也是一个巨大的挑战。

水\/冰具有较大的热容和潜热、易于获得、无污染等特点，能够作为相变储能材料，称为冰蓄冷。冰蓄冷常用于大型的中央空调系统中，用于解决电力需求不平衡的问题。将冰蓄冷技术用于太阳能制冷领域，能够克服太阳能的上述缺点，将由太阳能得到的巨大能量储存成冰的冷量，从而解决太阳能的波动性和不稳定性问题，实现能量的稳定利用。

现有研究中光伏储能系统基本由光伏电池组件、控制器、蓄电池、逆变器、制冷设备组成，其使用虽然可以在一定程度上缓解光伏冰箱受太阳辐照的限制，但缺点也较多，主要有以下几点：1、蓄电池的使用会大大增加系统的初期投资成本，蓄电池的寿命相较于系统其他部件要短得多，一般只有两到三年，后期维护更换也会增加成本；2、蓄电池的生产使用和最后的回收处理过程中都有可能对环境产生严重的废物污染。因此，如何能够尽量的减少和避免蓄电池在光伏制冷系统中的使用是一个需要解决的问题。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种能最大化利用太阳能且能持续提供冷量的离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统。

离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统包括光伏发电机构、制冷机构和冰蓄冷空调冰箱机构；

所述光伏发电机构包括太阳能光伏板1和压缩机控制器2，光伏发电机构为离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统提供直流电能；

所述制冷机构包括直流变频压缩机4、冷凝器5和蒸发盘管7，直流变频压缩机4、冷凝器5和蒸发盘管7依次串联形成制冷回路；

冰蓄冷空调冰箱机构包括冷藏室8、蓄冰室9、小容量直流水泵13和换热器11；所述蓄冰室9内填装有冰水，所述蒸发盘管7浸没在蓄冰室9的冰水；所述冷藏室8、蓄冰室9和蒸发盘管7构成冰箱机构；所述小容量直流水泵13和表面换热器11串联，小容量直流水泵13的入口通过管道连通着蓄冰室9的一侧，表面换热器11的出口通过管道连通着蓄冰室9的另一侧；所述换热器11的一侧设有风机10，所述蓄冰室9、小容量直流水泵13、表面换热器11和风机10构成空调室内机；

所述太阳能光伏板2、太阳能光伏控制器3、直流变频压缩机4和冷凝器5位于室外，所述冰箱机构和空调室内机位于室内；

太阳光线照射到太阳能光伏板1上产生直流电能，直流压缩机4以最低转速启动，制冷循环由太阳能光伏电池板发电进行驱动，随着制冷循环工作，从蓄冰室9处带走热量进行制冷；随着温度降低，在蒸发盘管7周围开始结冰，形成冰层；在夜晚时，用小容量蓄电池供电的直流水泵驱动冷水流动，利用蓄冰室9内的冰融化释放的冷量，通过风机10和表面换热器11进行室内空调制冷。

进一步限定的技术方案如下：

所述直流变频压缩机4具有软启动功能，启动转速为2500rpm，在较低转速下启动。

所述冰箱机构的箱体厚度应大于5cm。

所述制冷回路中的工质为R134a。

所述小容量直流水泵13为12V直流水泵或24V直流水泵，提供空调水回路循环的动力，由蓄电池供电，功率在50-100W之间。

所述风机10为直流无刷风机，由蓄电池供电，功率40W。

所述蓄冰室9内的蓄水量为0.3-0.4m³。

本实用新型的有益技术效果体现在以下方面：

1、本实用新型系统中，使用直流变频压缩机相较于交流变频压缩机，没有逆变过程造成的能量损失，克服了交流变频压缩机的电磁噪音与转子损耗，具有比交流变频压缩机效率高与噪音低的优点；直流变频压缩机能以较小转速启动，实现软启动功能，降低对启动电流的要求，保证低辐照条件下也能成功启动运行，同时也保护了系统部件的安全。

2、光伏和制冷模块中免去了蓄电池，仅仅在空调部分加入了一个小容量的蓄电池，大大降低了系统的成本，简化了系统的结构组成。

3、根据光伏输出的电压电流信号控制压缩机转速，系统的能量利用效率更高，制冷速率更快。

4、太阳辐照影响光伏输出从而影响压缩机转速，这一系统的另一优点就是在直驱系统中可以避免辐照不稳定所造成的压缩机频繁启停问题，保护设备安全。

5、制冷模块中采用冰蓄冷来储存光伏和制冷模块产生的冷量，不仅能够储存的冷量巨大，而且材料来源广泛，环保无污染，相对而言对于系统结构的材料要求低。

6、采用冰蓄冷能够解决太阳能本身的波动性和周期性变化，拓宽了太阳能的利用空间，同时本身的占用空间也不大。

7、利用蓄冰室蓄得的冰，可以在夜间也能够提供冷量，解决人们的制冷需求问题，同时，还可以用于冷藏室内储存药品、食物。

8、本实用新型系统中，不需要外界电网供电，能够在偏远地区以及无电网联通的地区进行使用。在使用过程中，仅仅依赖太阳能，可以达到节能环保并且保障人们制冷需求的目的。

附图说明：

图1为本实用新型装置整体结构图。

图1中序号：太阳能光伏板1、压缩机控制器2、直流保险丝3、直流变频压缩机4、冷凝器5、节流阀6、蒸发盘管7、冷藏室8、蓄冰室9、风机10、表面换热器11、小容量直流泵12、第一截止阀13、第二截止阀14、第三截止阀15、第四截止阀16、第五截止阀17、第六截止阀18、第七截止阀19。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施案例对本实用新型装置作进一步地解释说明。

如图1所示，离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统包括光伏发电机构、制冷机构和冰蓄冷空调冰箱机构。

光伏发电机构包括太阳能光伏板1和压缩机控制器2，光伏发电机构为离网光伏直驱冰蓄冷空调冰箱系统提供直流电能。

太阳光照射到太阳能光伏板1上，太阳能光伏板1将光能转换为电能通过输电线将电能通过压缩机控制器2供给直流变频压缩机4。直流保险丝3能够防止压缩机在启动阶段瞬间电流过大，损坏系统部件。

压缩机控制器2一端与光伏板输入端相连，另一端与压缩机相连，能够根据太阳能光伏板1输入的电压和电流变化，控制直流变频压缩机4转速，实现直流变频压缩机4的变频运转。当太阳辐照发生变化时，如多云天气，压缩机控制器2能够根据输入电压电流降低或者提高，动态地改变压缩机的转速，能够实现能量的最大化利用和制冷效率提高，亦能防止因太阳能的波动引起压缩机频繁的启停。

制冷机构包括直流变频压缩机4、冷凝器5和蒸发盘管7，直流变频压缩机4、冷凝器5和蒸发盘管7依次串联形成制冷回路。直流变频压缩机4具有软启动功能，启动转速为2500rpm，在较低转速下启动。制冷回路中的工质为R134a。

冰蓄冷空调冰箱机构包括冷藏室8、蓄冰室9、小容量直流水泵13和换热器11。小容量直流水泵13为24V直流水泵，功率100W。蓄冰室9内填装有冰水，蒸发盘管7浸没在蓄冰室9的冰水。冷藏室8、蓄冰室9和蒸发盘管7构成冰箱机构，位于一个箱体内，箱体的体积为0.8m*0.8m*0.8m，箱体带有保温层；蓄冰室9位于下部，蓄冰室9内的蓄水量为0.3-0.4m³，冷藏室8位于上部，置于室内。经过夏天晴天一天的制冷，能在蓄冰室9内蓄有0.1-0.2m³的冰。冷藏室8用于储存一定的药品和食物，利用下部蓄冰室9的冷量对食品药品进行保鲜和冷藏。小容量直流水泵13和表面换热器11串联，小容量直流水泵13的入口通过管道连通着蓄冰室9的一侧，表面换热器11的出口通过管道连通着蓄冰室9的另一侧。换热器11的一侧安装有风机10，风机10为直流无刷风机，风机10由蓄电池供电，功率40W。蓄冰室9、小容量直流水泵13、表面换热器11和风机10构成空调室内机。

太阳能光伏板2、太阳能光伏控制器3、直流压缩机4和冷凝器5位于室外。

工作时，太阳光线照射到太阳能光伏板1上产生直流电能，直流压缩机4以最低转速启动，制冷循环由太阳能光伏电池板发电进行驱动。经直流压缩机4压缩后的高温高压状态的制冷剂蒸气排出后，经管道流动至冷凝器释放热量到环境中，冷凝器5布置在冷藏室8和蓄冰室9的箱体外侧；凝后的制冷剂流体再经毛细管等焓膨胀为低温低压的制冷剂液体，后经蒸发盘管7蒸发吸热，恢复蒸汽状态，又回流到直流压缩机4中，完成一个制冷循环。蒸发盘管布置在蓄冰室9内部，浸没在水中，制冷循环运行时，蒸发盘管7从水中吸收热量，将水温从室温降低到0℃，进而在蒸发盘管周围形成冰层。

夜间，蓄冰室9的冷水经由小容量直流水泵12和由表面换热器11和风机10构成空调室内机对室内进行制冷。小容量直流水泵为12功率在50W-100W之间，风机10功率在40W，均可由12V 150AH的蓄电池供电。白天时蓄电池由光伏板进行充电。蓄冰室内的冷水通过表面换热器11与室内空气进行换热后再回到蓄冰室内，吸收冰融化释放的冷量，进而继续循环，达到夜间制冷的效果。

本实用新型用于夏天，由于太阳能与制冷需求的高度匹配性，可在白天太阳能充足时进行蓄冰，在夜间利用蓄得的冰和冷水进行室内空调制冷，能够维持一个20㎡的房间夜间25℃的室内温度。

以上仅是本实用新型的具体实施案例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。除上述实施案例外，本实用新型还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求保护的范围之内。

设计图

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