纳米技术在太阳能吸收式制冷系统上应用分析
摘要：分析了现阶段太阳能吸收式制冷所遇到瓶颈，为突破这个瓶颈而创新的提出纳米技术在太阳能吸收式制冷系统上应用，并分析应用前景。
关键词：太阳能、吸收式制冷、纳米技术
Abstract：Analyzedsolarabsorptionrefrigerationbottlenecksencounteredatthisstage,inordertobreakthroughthisbottleneckandproposeinnovativenanotechnologyinsolarabsorptionrefrigerationsystemapplications,andanalysisapplications.
Keywords：Solarenergy,absorptionrefrigeration,nanotechnology
随着经济发展和科技进步，能源和环境成为当今世界突出的两大社会问题。太阳能是地球上最大的可再生能源，是取之不尽、用之不竭的优质清洁能源，因此，以太阳能热源的溴化锂吸收式制冷机，在节能、环保与可持续发展等方面有着无可比拟的应用前景而得到研究人员的青睐，但是由于吸收式制冷机的COP与压缩式系统相比偏低，太阳能集热系统成本的居高不下和效率低下成为发展太阳能吸收式制冷的瓶颈。因此目前世界上尚没有实现一个真正商业化的可以与传统蒸汽压缩式制冷系统进行竞争的太阳能吸收式机组系统。为解决上述问题，我们尝试在太阳能吸收式制冷系统上应用纳米技术，并通过理论方法分析其可行性。
一、太阳能溴化锂吸收式制冷系统
太阳能溴化锂吸收式制冷系统的主要构成是太阳集热器、溴化锂吸收式制冷机、辅助燃油锅炉、储水箱、自动控制系统等。工作原理图如下：
通过太阳能集热器产生的热媒水流经发生器，加热发生器中的溴化锂水溶液。溶液中的水汽化成水蒸气，从而导致溴化锂水溶液的浓度升高，进入吸收器。而产生的水蒸气进入到冷凝器中，由于冷却水的作用，液化成低温高压的液体水。低温高压的水通过节流阀到达蒸发器中，因为体积的膨胀而汽化，气化的过程需要吸热，因此蒸发器中的冷媒水的热量被大量夺走，达到制冷的效果。同时，低温的水蒸气进入吸收器，被其中的高浓度的溴化锂水溶液吸收，变回稀溶液。利用溶液泵，将溴化锂稀溶液泵回发生器中，进行下一轮的循环。如此反复循环，不断制冷。而且整个装置中为了节约加热溴化锂稀溶液的热量，在发生器和吸收器之间加入一个换热器——让从发生器流出的高温高浓度溶液与从吸收器中泵回的低温低浓度溶液放身热交换，使得循环回去的稀溶液温度升高，提高装置热效率。目前，我们通过实验测出，单效溴化锂吸热系统热源温度在90℃时，cop才仅仅为0.6，远远低于蒸发式制冷的效率。
可以看出，太阳能集热器是指吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置，几乎所有太阳能转化利用都离不开太阳能集热器。因此提高太阳能集热器的集热效率成了太阳能吸收式制冷的重中之重。
二、纳米技术
为了解决太阳能集热设备效率低下的问题，我们做了大量的实验研究。在研究的过程中，意外发现一类奇异的纳米材料，如纳米TiN、ZrO2、Cr-Cr2O3等对太阳光有强烈的吸收作用。由于这些纳米材料界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱，因此其比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料。其次由于纳米粒子的粒径远小于光波波长，与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，加上其量子尺寸效应，其光吸收率很大。通过测试对比，这类纳米材料的平均比表面积在70m2/g以上。如此大的比表面积，加上其特殊的吸热性能，我们考虑将纳米技术应用在太阳能集热设备上，从而解决集热设备面积过于庞大、供水温度受天气影响较大、集热效率低下等问题。另外，目前的纳米技术比较成熟，价格也容易接受，将使太阳能集热设备的总成本降低。
三、纳米技术在太阳能吸收式空调上的应用
太阳能吸收式空调装置，其主要设备太阳能集热设备，集热设备的热效率随着集热温度的升高而降低。为解决太阳能集热设备效率低下的问题，我们研究发现，纳米材料具有很大光吸收率，很大的比表面积，很大比热和热膨胀系数等奇异的功能，从而能真正解决太阳能集热设备效率不高的问题，使太阳能吸收式制冷系统与传统的压缩式制冷系统相抗衡。目前最具有代表性的全玻璃双真空管,以北京地区为例，太阳日辐照量17.0MJ/m²集热输出为0.33KW/㎡。新型纳米材料比表面积可达70㎡/g以上，吸收率在90%以上，按照1㎡太阳能集热设备用1g纳米材料来计算，纳米集热设备的当量面积在17㎡左右，这是17倍的面积增加；另外，目前太阳能集热器普通涂膜对太阳光，主要是可见光的吸热系数达到90%以上，纳米材料的粒径可以对吸收光波波长范围进行设定，调整纳米材料量子尺寸，使其吸收太阳能最大化。纳米技术在太阳能吸收式制冷上的应用，掀开吸收式制冷的新篇章，我们看纳米太阳能单级吸收式制冷流程图。
从上图可以看出，纳米技术主要用于发生器，太阳能集热与发生器于一体，节省设备，减少换热损失，太阳能直接转化为热能。从纳米材料较大的比表面积与波段选择的奇异性能优势上判断，纳米太阳能发生器集热效率将会成倍的提高。
四、应用前景
我们对常规的吸收式空调系统做了大量的实验，得出如下实验数据：若热媒温度60℃左右，则制冷机COP约0.40；若热媒水温度90℃左右，则制冷机COP约0.70；若热媒水温度120℃左右，则制冷机COP可达1.10以上。因此，热媒的温度越高，则制冷机的性能系数(亦称COP)越高，这样空调系统的制冷效率也越高。
太阳能吸收式制冷有着传统制冷无可比拟的优点。首先，传统的制冷机是以氟里昂为介质，它对大气层有极大的破坏作用，而太阳吸收式制冷机所用的是无毒、无害的溴化锂水溶液，几乎对环境没有任何影响。其次，与其他太阳能热利用相比，太阳能制冷更具有季节适应性，尤其是在夏天。夏天天气炎热，太阳能辐射很强，但人们不需要热水，需要制冷空调，而依靠太阳能的制冷空调系统在夏季能产生更多的冷量，能满足人们的需求。
因此纳米技术在太阳能吸收式制冷系统中的应用，不但突破了太阳能集热设备成本高昂、效率低下的瓶颈，同时它还有具有吸收式独特的优势。因此，纳米技术将揭开太阳能吸收制冷的新篇章。
参考文献：
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