1、中國工程熱物理學會 工程熱力學與能源利用學術會議論文 編號：111003 基金項目：國家自然科學基金（50876064）及教育部博士點基金（200802481115）太陽能自動售貨機實驗研究及性能分析王前進1，李惠澤2，王聰3，翟曉強4（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）(tel: email: xqzhai)摘 要 太陽能自動售貨機可以有效利用太陽能，減少對常規電源的依賴。通過對太陽能自動售貨機的實驗研究，分析了其性能隨環境溫度、太陽輻射、電池板材料及角度、售貨機容量等因素的變化規律，對全國四個太陽能資源分布帶的代表城市進行系統的匹配設計計算。

2、關鍵詞 太陽能自動售貨機;實驗研究;影響因素;匹配設計0 引 言太陽能電池技術的突飛猛進使光伏發電技術越來越受到人們的關注1。隨著光伏組件價格的不斷降低和光伏技術的發展。太陽能光伏發電系統將逐漸由現在的補充能源向替代能源過渡2。目前，中國大約有78萬臺自動售貨機，而據中國自動售貨機專業委員會對中國內地售貨機應用市場做出的預測，未來中國的售貨機總量將達到300萬臺3，如此數量龐大的售貨機需求量將會導致每天至少1500萬度電量供應4。自動售貨機的耗電主要來自于保障內部合理冷藏溫度的制冷系統，此外，許多自動售貨機直接放置在戶外。因此，如果將太陽能光伏制冷技術應用到售貨機系統中，開發出太陽能自動售貨機

3、，將會產生明顯的節能效果。國內外學者和專家也對相關領域做了部分研究。thomachan a. kattakayam和k. srinivasan的研究證明太陽能電池-蓄電池-逆變器冰箱系統可以正常工作5。socrates kaplanis等將普通冰箱改裝成適用于太陽能光伏系統的直流冰箱，并對其部分特性進行了研究6。petros j. axaopoulos 和michael p. theodoridis研究了太陽能光伏制冷的方法以及制冷壓縮機的控制策略7。劉群生等對太陽能光伏直流冰箱的系統性能進行了研究，探討了系統制冷的溫度及運轉率等參數8。現有研究大多局限于采用逆變器的交流冰箱系統，并且主要研究

4、了冰箱在室內的運行工況。針對自動售貨機應用的實際情況，本文提出了一種適用于室外的太陽能自動售貨機系統，開展了進行實驗研究，并分析了其性能隨主要影響因素的變化規律。1 實驗裝置及原理該太陽能自動售貨機系統主要由太陽能電池板、控制器、直流冰柜、蓄電池等幾部分組成，如圖1所示。系統摒棄了逆變器，選用了帶有玻璃門的直流展示冰柜，減少系統的自重，使整個系統美觀大方，適用于室外場所及展會等。實驗裝置外觀如圖2所示。實驗裝置的主要部件配置包括：太陽能電池板、冰柜、蓄電池、控制器、壓縮機等。其中電池板面積為0.9112m2，最大功率為120wp；冰柜有效容積為122l，采用透明玻璃門；蓄電池為鉛酸蓄電池，容量

5、66ah；控制器額定電壓12v；壓縮機為直流壓縮機，名義電壓12v。冰柜內設定溫度為1015。該系統采用了太陽能光伏發電制冷技術，在陽光充足的情況下，太陽能電池板接收太陽輻射，將其轉化為直流電，并通過太陽能控制器驅動直流冰柜，使制冷系統正常運行，達到冷藏的目的。同時，多余的電能可以儲存在蓄電池中，以備系統在夜晚和陰雨天的情況下正常工作。圖1 太陽能自動售貨機系統結構圖9圖2 實驗裝置外觀圖示該實驗系統中電池板的充電電壓和電流、蓄電池電壓和放電電流直接由控制器讀得，電壓測量精度為±0.01v，電流測量精度為±0.1a；冰柜的輸入電壓和輸入電流由外接萬用表測得，測量精度分別為&

6、#177;0.01v和±0.1a；環境溫度和冰柜內溫度由鉑電阻傳感器測得，測量精度為±0.1；太陽輻射資料由總輻射表（型號tbq-2）測得，測量范圍為02000w/m2，信號輸出為020mv，測試精度2%。2 實驗研究及分析在上海地區的7、8月晴好天氣對太陽能自動售貨機實驗裝置進行了實驗測試，結果表明系統可以正常運行，在夏季典型晴天工況下（日總輻射13.36mj/m2，環境溫度30.6），太陽能電池板的平均轉化效率為10%，到達壓縮機的電能占總轉化電能的73%，太陽能自動售貨機中夏季冷飲的冷藏溫度為10（儲藏冷飲的有效容量為13l），并且，蓄電池儲存的電能可以滿足一定時間內

7、系統運行的需求。太陽能保證率可達到50%。根據系統運行情況發現，影響太陽能自動售貨機系統性能的主要因素包括：環境溫度、太陽輻射、電池板材料及角度、售貨機容量等。本文著重分析系統性能隨各影響因素的變化規律。2.1 系統性能隨環境溫度的變化環境溫度對系統性能的影響較大，這主要體現在系統的需冷量和電池板的光電轉化效率方面。圖3表示系統單位時間需冷量隨環境溫度的變化，由圖可見，隨著環境溫度的升高，系統的需冷量呈現線性增加的趨勢。但是，壓縮機產生的冷量是有限的，因此，隨著環境溫度的升高，制冷量可能會不足以滿足需冷量，系統將偏離設定工況。此外，環境溫度還對太陽能電池板的光電轉化效率有影響。太陽能電池板背面

8、溫度與環境溫度和太陽輻射照度有關，而不同背面溫度會影響太陽能電池方陣的充電電壓。在太陽輻照度一定的條件下，單片太陽能電池的背面溫度僅由環境溫度決定，環境溫度每升高1，太陽能電池背面溫度升高1，其充電電壓下降約2mv10。在太陽能自動售貨機的實驗系統中，其平均的工作電流約為6.1a。則，環境溫度每升高1，單片太陽能電池板的功率將下降約0.0122w。在該系統中，太陽能電池板單片電池串聯片數為36片，所以環境溫度每升高1，太陽能電池板的充電功率將下降約0.44w。在太陽輻射相近的情況下，電池充電功率的降低就意味著電池板光電轉化效率的降低。本實驗中的數據進一步證實了這種規律，如表1所示。圖3系統單位

9、時間需冷量隨環境溫度的變化表1 環境溫度對電池板光電轉化效率的影響日期太陽總輻射 / mj環境溫度 / 光電轉化效率 / %7.1917.07132.210.1757.3116.92834.59.9602.2 系統性能隨太陽輻射強度的變化太陽輻射強度對太陽能自動售貨機系統性能的影響主要體現在影響太陽能電池板的輸出功率。在環境溫度接近的情況下，太陽能電池板的輸出功率與太陽輻照度近似成正比。表2所示為環境溫度接近的兩天的實驗數據，可以看出7月19日的太陽輻射高于8月8日，同時，其產生的電能也略高。表2 太陽輻射對電池板輸出功率的影響日期太陽總輻射 / mj環境溫度 / 電池板輸出電能 / mj7.

10、1917.07132.21.7378.813.19433.11.4122.3 系統性能隨太陽能電池板的變化電池板對太陽能自動售貨機系統性能的影響主要體現在電池板安放的角度和電池板的材料。改變電池板的安放角度，可以得到不同的實驗工況，分析比較這些實驗數據可以發現，電池板的角度會影響電池板接收太陽輻射的量，進而影響到電池板的光電轉化效率及整個系統的總運行時間。表3為實驗中3天太陽輻射及相應的發電量數據，從表中可以看出在電池板安放角度為10°和30°時，電池板的光電轉化效率較高，而當角度為60°時，光電轉化效率降低比較嚴重。根據參考文獻11 12，電池板在受陽光直射時可

11、以接受最大的陽光輻射，而在實驗時間段，太陽直射的角度約在10°30°之間，與表中數據比較吻合。表3 電池板安放角度對輸出電能的影響日期太陽總輻射 / mj電池板角度 / °電池板輸出電能 / mj光電轉化效率 / %7.2217.998101.97610.9797.1917.071301.73710.1757.2113.472601.1438.484除了電池板的輸出電能和光電轉化效率，電池板的安放角度還對整個系統運行的總時間有一定的影響。圖4所示為系統運行總時間隨電池板角度的變化，從圖中可以直觀的看出，當電池板安裝角度在25°左右時，系統具有最長的運行時

12、間，這是由于處于該角度時電池板可以接受更多的光能。因此，電池板對系統運行總時間的影響是間接的，是通過影響電池板輸出電能的多少而決定總運行時間的，這也與以上的實驗結論相符。圖4 系統運行總時間隨電池板安放角度的變化在不同地區，太陽能電池板安裝角度與當地緯度條件和日期有關，根據實驗測試情況，一般情況下，電池板安裝角度等于當地緯度時全年接受太陽輻射量最多。上海地區全年接受太陽輻射最多時電池板安裝角度約為30°。表4 電池板材料對太陽能制冷總效率的影響電池板材料理論光電轉化效率 / %太陽能制冷總轉化效率 / %單晶硅1515.87多晶硅1212.70非晶硅1010.58此外，電池板的材料也

13、會對太陽能自動售貨機的系統性能有一定的影響。目前使用比較廣泛的太陽能電池板材料主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅等13，若太陽能自動售貨機采用不同材料的電池板，依據實驗數據經過遞推可得到表4所示的結果。由表中可以看出，采用單晶硅作為電池板材料時，整個系統太陽能制冷的總效率最高，可以達到15.87%，而采用非晶硅作為電池板材料時，整個系統太陽能制冷的總效率僅有10.58%。因此，從提高系統性能角度，單晶硅是比較理想的選擇。2.4 系統性能隨售貨機有效儲存容量的變化改變售貨機的有效儲存容量實質上就是改變需冷量，圖5所示為單位時間需冷量隨有效儲存容量的變化曲線。由圖中可以看出，二者呈指數關系，在容量低于一

14、定值時，隨有效儲存容量增加，單位時間需冷量快速增大。而當售貨機空載時（有效儲存容量為0），也需要一定的冷量，這與實際情況也是十分吻合的。圖5 系統單位時間需冷量隨冰柜有效容量的變化同時，除了直接影響單位時間的需冷量，有效儲存容量還會影響其他因素，比如系統穩定所需時間，系統穩定后溫度的波動幅度及變化頻率等。圖6所示為系統達到穩定所需時間隨有效儲存容量的變化曲線，從圖中可以看出，二者近似為線性關系，隨有效儲存容量的增大，系統達到穩定所需的時間會越來越長。圖6 系統達到穩定所需時間隨冰柜有效容量的變化3 太陽能自動售貨機系統匹配設計我國的太陽能資源分布具有明顯的區域性，根據太陽能資源的年總量，可以將

15、全國劃分為四個帶14，拉薩、北京、上海、重慶分別是這四帶的代表性城市。根據以上結果在這四個城市進行太陽能自動售貨機系統的匹配設計。若選用光電轉化效率為15%的單晶硅電池板，按照太陽能保證率50%進行計算，則各代表性城市不同規格的太陽能自動售貨機系統所需電池板面積及安裝角度見表5。表5 代表性城市太陽能自動售貨機系統匹配設計城市電池板安裝角度 / °單位有效容量的電池板面積 / m2/l拉薩300.076北京400.101上海300.117重慶300.128注1：有效容量指自動售貨機中冷飲的實際容積，而非售貨機容積；注2：各地區電池板朝向均為正南，偏差在±15°以內

16、。4 結 論太陽能自動售貨機實驗裝置的研究表明，該系統的運行性能受環境溫度、太陽輻射、電池板材料及角度、售貨機容量等眾多因素的影響。(1) 環境溫度主要影響系統的需冷量以及電池板光電轉化效率。太陽輻射強度越大，系統得到的電能越多，運行越穩定。該技術在太陽能資源較豐富的地區將會有很好的應用前景。(2) 采用性能較高的單晶硅電池板，并將電池板安放角度設置為與當地緯度相近，可以有效的提高太陽能的利用率，提高太陽能光伏制冷的總轉化效率。(3) 不同地區太陽能自動售貨機所需電池板面積不同，與當地緯度、售貨機有效容量等因素有關。參考文獻1 green m a. recent development in

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