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文獻翻譯
題 目 高效節(jié)能小功率光伏制冷系統(tǒng)的設(shè)計
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué) 號
院 （系）
指導(dǎo)老師（職稱）
完成時間
2
高效節(jié)能小功率光伏制冷系統(tǒng)的設(shè)計
Amanullah Fatehmulla1, A.S. Al-Shammari2, A.M. Al-Dhafiri1, A.A. Al-Bassam1
1Department of Physics and Astronomy, College of Science, King Saud University P.O.Box 2455, Riyadh 11451, Saudi Arabia
2Department of Physics, College of Science,University of Hail, P.O.Box 2440, Hail,Kingdom of Saudi Arabia
摘 要
獨立光伏系統(tǒng)已經(jīng)證明是可靠的，對冷卻和制冷來說有成本效益的系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)吸引了用戶。對于一個預(yù)計有冷卻需求的特定程序,已經(jīng)設(shè)計開發(fā)和制造了使用光伏模塊(每36塊太陽能電池為2個模塊)的小功率制冷系統(tǒng)。在本文中，對所使用的太陽能電池板的I-V特性的結(jié)果進行了介紹和討論。電池的充電過程和放電過程包括將電壓作為電池電解質(zhì)的比重和時間的函數(shù)的研究已經(jīng)開展了。所有的研究結(jié)果非常樂觀，因此我們提交了使用充電控制器和直流供電冰箱的系統(tǒng)的測試結(jié)果。該文章還涉及了我們以往的經(jīng)驗，包括在日照時數(shù)之外使制冷系統(tǒng)成功持續(xù)地運行6個小時。冷卻成本的具體計算結(jié)果顯示我們所設(shè)計的光伏制冷系統(tǒng)良好的經(jīng)濟性及其可靠性。它的技術(shù)性能和經(jīng)濟指標(biāo)，表明，這種小規(guī)模的技術(shù)有助于解決像小面積制冷包括使用集成光伏能源供應(yīng)系統(tǒng)的可移動的小型冷藏集裝箱的冷凍問題。這些系統(tǒng)可以建立在車上或車輛周圍，來滿足駕車包括野餐、尤其是去偏遠的沙漠地區(qū)的冷卻需求。
關(guān)鍵詞 獨立的可移動的光伏系統(tǒng)/高效節(jié)能/小功率光伏
Ⅰ 引言
太陽是我們幾乎所有能量的來源（除了放射源和潮汐能），并將繼續(xù)成為最重要的正在使用的核聚變和裂變反應(yīng)器[1]。在世界各地，能源需求日益增長，這引起了人們對探索新能源的重視[2]。人們在若干年前已經(jīng)掌握了利用太陽能的科學(xué)基礎(chǔ)，但是直到最近，人們認(rèn)為要大規(guī)模的利用它，在技術(shù)上是不可行的。目前，小規(guī)模的已經(jīng)在使用中，并且在不斷地擴大使用范圍[2]。相對于化石燃料和鈾的已知的和估計的儲量，來自可再生能源的可用能量是巨大的。太陽能是，我們從中可以獲取大量的能量，而不需要向大氣中輸入熱能的唯一來源。僅僅每年到達地球表面的太陽能相當(dāng)于總估計的化石燃料資源的四倍，以及人類目前全球能量消耗的四千倍[3]。設(shè)計直接針對減少碳足跡的方法可以減少能量消耗。其中一個想法就是在可以做到綠化的地方充分利用可再生能源[4] ~[10]。
本文介紹和討論了我們所選定設(shè)計的太陽能的制冷應(yīng)用。它將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，又將電能轉(zhuǎn)化成機械能，在這個過程中實現(xiàn)空氣或鹽水的循環(huán)，在大多數(shù)情況下，利用蒸汽壓縮式電冰箱進行冷卻。存儲來自太陽能電池的電能，并將它作為在夜間或在多云天氣中的使用的二次能源，這個過程已被解釋清楚了。
Ⅱ 材料工具和方法
所有的太陽能的應(yīng)用中，將它用于冷卻似乎是最合適的。這個應(yīng)用可以達到為數(shù)不多的供需平衡的情況。用于飲用的蒸餾水和泵出來的用于灌溉的水，它們的最大需求量在最大的保溫期間內(nèi)會發(fā)生變化，但隨著冷卻的要求，匹配的延伸，在許多情況下，它們甚至在一天內(nèi)也會發(fā)生變化。為了實現(xiàn)這一點，我們將以下工具應(yīng)用在用于小功率的光伏制冷系統(tǒng)的設(shè)計和制造中。
A 太陽能電池板
B 調(diào)節(jié)器
C 電池
D 直流供電冰箱
A 太陽能電池板
來自美國SOLAREX公司的太陽能電池板是我們的冷卻系統(tǒng)電能的主要來源，太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。每個板由36單晶硅太陽能電池組組成并有6V的電壓輸出。需要12 V的電壓時，將兩個電池板串聯(lián)起來。每個板的面積為1.2m×0.3m =0.36m2。為了描述所選定的目前正在工作的太陽能電池板，已經(jīng)測出了其極性、電流-電壓特性、曲線的細節(jié)和填充因子包括相同的能量轉(zhuǎn)換效率。
B 調(diào)節(jié)器
控制系統(tǒng)和監(jiān)管系統(tǒng)引進的是西班牙的ATERSA - LEO系列（LEO-1）。在光伏系統(tǒng)的管理中使用了微控制器。它可以改變最佳分辨率為1％的12/24 V版本中的調(diào)節(jié)電壓，可以選用兩種類型的電池。
C 電池
在我們的系統(tǒng)安排中，將電池作為在夜間或陰雨天氣中的第二能源。我們設(shè)計了一個鉛酸電池(電解液)，它的配置為12V，75A每小時。它是由日本的橫濱公司制造生產(chǎn)的。
D 直流供電冰箱
來自美國科爾曼的無霜冷卻器（37.9升）已經(jīng)集成在我們的系統(tǒng)設(shè)計，它的工作電源是12V的直流電源。
表Ⅰ 四種不同的太陽能電池板的VOC和ISC測定值對照表
組數(shù)模塊數(shù)
A
B
C
D
VOC/V
ISC/A
VOC/V
ISC/A
VOC/V
ISC/A
VOC/V
ISC/A
1
6.57
6.63
6.73
7.17
6.62
6.90
6.69
8.24
2
6.44
6.91
6.85
6.68
6.90
6.75
7.15
3.17
3
6.54
3.75
6.87
7.31
6.73
6.17
6.95
1.64
4
6.73
6.33
6.90
5.35
6.46
5.80
7.08
5.52
5
6.81
4.81
1.30
6.96
6.47
6.72
7.05
4.00
6
6.79
6.31
6.69
6.68
6.50
5.84
7.17
8.20
7
6.90
4.00
6.63
4.80
6.80
5.79
6.94
8.14
8
7.02
6.17
6.59
6.58
6.97
6.94
7.07
7.60
9
6.96
4.00
6.54
6.68
6.84
7.05
6.70
8.00
10
6.93
5.88
6.53
6.20
6.73
6.00
6.63
5.27
11
6.50
3.45
6.70
6.14
6.64
5.87
6.62
6.38
12
6.57
5.82
6.60
6.97
6.78
7.10
6.65
7.30
13
6.66
3.70
6.55
715
6.66
6.85
6.26
4.00
14
6.69
5.93
6.55
625
6.85
6.77
6.76
6.30
15
6.86
4.50
6.47
400
6.65
5.56
6.69
4.25
16
6.95
6.18
6.46
585
6.77
5.98
-
-
Ⅲ 結(jié)果與討論
太陽能電池板的電特性
每個電池板的輸出電壓為6V左右（見表Ⅰ）。按照目前的小功率光伏制冷系統(tǒng)的發(fā)展，需要12 V的電壓。所以將VOC 和ISC合適的B1和B2兩個電池板（模塊）串聯(lián)起來使電壓加倍,如圖1所示[5]。
圖3-1 模塊B1和模塊B2的串聯(lián)圖
電流 - 電壓特性
電流 - 電壓特性或I-V曲線可以全面描述太陽能電池的電氣終端特性。將太陽能電池板連接在電路中可以得到這條曲線，電路圖見圖2。將電阻值[6]從零調(diào)到最高值可以得到I-V曲線。令R=0，當(dāng)R無限大時得到ISC值，當(dāng)ISC=0時，得到VOC值。取多個電壓值，獲得相對應(yīng)的電流值，繪制I-V曲線。
曲線和填充因子
通過I-V曲線，陣列的填充因子已計算完畢。填充因子是用來描述I-V曲線的矩形或清晰度[7]。根據(jù)圖3的I-V曲線中的優(yōu)化值和公式（1），可得出填充因子是0.61。
(3-1)
圖3-2 得到I-V曲線的電氣線路圖
能量轉(zhuǎn)換效率
太陽能電池板的效率表明，太陽能的利用是將其轉(zhuǎn)換成電能。它是輸出功率（Pout）和輸入功率（Pin）之間的比率。取I-V曲線中的Vmp和Imp，通過公式（2）得出輸出功率Pmp = Vmp × Imp。太陽能電池板的面積為0.72平方米，其輸出功率為67.40 W/m2。通過太陽能儀表，測得的太陽光的強度Pin= 700 W/m2（14:00小時或下午二時）。因此，太陽能電池板的效率是9.63％。
圖3-3 模塊B1和B2串聯(lián)的I-V曲線
W/m2 (3-1)
這表明，9.63％的太陽能通過所述的太陽能電池板轉(zhuǎn)換為電能。
電池的充電和放電
太陽能系統(tǒng)將電池用作在夜間或陰天輔助源存儲的電輸出。在我們的系統(tǒng)中，我們使用一個12V的電池。同樣的細節(jié)在實驗部分進行了描述。通過充電和放電過程已經(jīng)確定這種容量的電池可以使用多長時間。圖4顯示了在電池的充電階段，電壓作為時間的函數(shù)的圖像。從圖中可以明顯看出在5個小時以內(nèi)，電壓隨時間幾乎呈線性增長。此后，它（電壓）穩(wěn)定。直到達到電壓穩(wěn)定，充電過程結(jié)束。
圖3-4 電池電壓隨時間的變化（充電過程）
圖3-5 電池電壓隨時間的變化（放電過程）
圖5示出了電池的放電曲線。該電池的電壓隨著時間的增加而降低。18個小時之后電壓直線下降。因此，它開始持續(xù)運行18小時后完全放電，之后電池將帶不動泵運行。因此，該電池可以持續(xù)放電18小時。通過控制器控制電池的充電和放電，來測量電荷強度，電池電壓和直流制冷系統(tǒng)的能量消耗。
電壓和電池電解質(zhì)的比重
圖3-6 比重隨電池電壓的變化圖
圖6顯示了比重隨電池電壓的變化情況。比重隨電池電壓的增加而增加，隨電池電壓的減少而降低。比重隨電壓變化是由于電荷強度正比于電池的電壓。
太陽能制冷
針對判斷太陽能制冷的可行性的典型背景要求進行簡要的評述。
包括水果，蔬菜，肉，魚和乳制品在內(nèi)的多種食品，在0?3℃的制冷溫度中可以保持幾周的新鮮度。對于長期要保存的食品，速凍溫度需要達到-18到- 25℃。制冷系統(tǒng)所有組件的連接，制冷電流（消耗）的變化以及制冷溫度隨時間的變化等因素已經(jīng)考慮進去。
性能
在本研究中，一臺由太陽能供電（12V直流）的電冰箱的性能研究已在進行中了。電冰箱連接到位負載電阻，如圖2所示。表Ⅱ詳細地顯示了在超過6小時的時間段里，電壓的變化，消耗的電流，電解質(zhì)的比重，以及系統(tǒng)冷藏溫度的減少等情況。表Ⅱ清楚的表明，電冰箱運行兩個小時就可以取得良好的冷卻效果。
表Ⅱ 電冰箱的性能
時間（h）
電壓（V）
電流（A）
電解比重
電冰箱溫度（℃）
11:：00
12.14
4
1190
32
11:：30
12.07
3.566
1185
29
12：00
12.06
3.565
1180
26
12：30
12.04
3.562
1180
24
13：00
12.4
3.543
1175
22
13：30
12.02
3.556
1174
20
14：00
12.02
3.553
1175
17
14：30
12.01
3.555
1185
15
15：00
12
3.531
1175
10
15：30
11.99
3.548
1174
9
16：00
11.98
3.541
1175
8
16：30
11.97
3.529
1165
7
17：00
11.96
3.533
1165
6
電能與太陽能在運行小功率制冷系統(tǒng)成本方面的比較
電冰箱的額定電流=4.1A
電冰箱的額定電壓=12V
電冰箱的額定功率=49.2W=0.0492KW
每天用太陽能驅(qū)動制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)18個小時所需費用的計算
兩個太陽能電池板足夠驅(qū)動制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，共花費大約＄300.00（光伏系統(tǒng)的花費）。
每天用電能驅(qū)動制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)18個小時所需費用的計算
每天需要的電能-----0.0492KW × 18 小時=0.8856KWh/天
（注：5-6小時/天 排除充電時間）
電能的平均成本≈10美分/KWh
所以，每天的電能成本-----0.8856KWh/天 ×10美分/KWh=8.856美分/天
每年的電能成本-----8.856美分/天×365天/年≈3232.44美分/年
美國的電能成本＄-----32.32/年
鑒于上述計算結(jié)果以及我們的光伏系統(tǒng)的初始成本包括運行小功率制冷系統(tǒng)的初始電能安裝成本，顯示分別使用所生產(chǎn)的光伏系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)經(jīng)多年運作所消耗能量的比較圖已經(jīng)繪制出來了（圖7）。
圖3-7 光伏系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)在運行小功率制冷系統(tǒng)上的花費的比較
從圖7可以明顯看出,光伏系統(tǒng)和電能系統(tǒng)的成本相交于運行的第七年,之后就是成本回收期。由于維護成本低，甚至幾乎為零，因此，7年后光伏能源幾乎在免費使用，它體現(xiàn)了經(jīng)濟效益。因此，使用電能的成本會高于太陽能，尤其是大規(guī)模應(yīng)用的成本將迅速增加。除此之外，太陽能是清潔和安全的。我們設(shè)計和開發(fā)成本相對較低的光伏小功率制冷系統(tǒng)的經(jīng)驗表明，這種小規(guī)模的技術(shù)有助于解決像小面積制冷包括使用集成光伏能源供應(yīng)系統(tǒng)的可移動的小型冷藏集裝箱的冷凍問題。這些系統(tǒng)可以設(shè)置在車上或車輛周圍，來滿足駕車包括野餐、尤其是去偏遠的沙漠地區(qū)的冷卻需求。在多風(fēng)和天氣晴朗的地區(qū)可再生能源的使用也表明了可以使用一種簡單、成本低廉、可靠的灌溉（泵）或冷卻（制冷）系統(tǒng)，可以避免現(xiàn)已存在的柴油驅(qū)動的系統(tǒng)的不足[8][9]。因此，光伏制冷系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)成熟，人們認(rèn)為它也是非?？煽康摹４送?，它顯示了操作少和維護費用少等方面的優(yōu)勢。
Ⅳ結(jié)論
本文闡述了太陽能及太陽能系統(tǒng)的重要性,在此基礎(chǔ)上闡述了太陽能電池和太陽能電池板的功能，并且描述了太能能電池板的重大意義、優(yōu)勢及其組裝方式進。最后，使用太陽能的制冷系統(tǒng)已經(jīng)成功發(fā)展起來。使用太陽能的電池板的I-V特性效果良好。電池的充電和放電過程，包括將電壓作為電解液比重和時間的函數(shù)，其實驗效果是非常好的，并且，太陽能制冷系統(tǒng)的性能非常良好。和使用傳統(tǒng)能源（電能）的制冷系統(tǒng)成本相比，光伏系統(tǒng)（光伏能源或太陽能）顯示了綠色環(huán)保、干凈安全等優(yōu)勢，也顯示了高效節(jié)能小功率光伏制冷系統(tǒng)的良好的經(jīng)濟效益。
參考文獻
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[6] Sze, S.M., Semiconductor devices – Physics and Technology, John Wiley & Sons, New York (1985).
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[10] Private communication, Feb 16, 2011.
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