基本信息
- 项目名称：
- 新型太阳能光热冰箱
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 基于CPC集热器的发展现状，设计出新型CPC热管式真空管集热器，并对集热器进行了集热分析；采用Matlab建模仿真技术对该集热器进行建模和动态仿真来模拟该新型CPC热管式真空管集热器的运行情况；基于扩散吸收式制冷系统对能量品位要求较低，工质环保性较好，运行无噪音等特点，将CPC热管式真空管集热器用于该制冷系统，研发了新型太阳能光热冰箱。
- 详细介绍：
- 太阳能光热冰箱是一种利用太阳能为驱动力实现制冷的产品，该冰箱节能、环保，发展空间广阔，尤其是太阳能驱动的扩散吸收式冰箱，成本低、结构简单，具有较强的市场竞争优势，但其受地理位置、气相参数影响较大，目前尚未有成型产品。 本文所研究的新型太阳能光热冰箱是结合扩散-吸收式制冷原理与CPC 复合抛物面聚光器工作机理实现制冷。本团队利用MATLAB语言构建了制冷和CPC聚光两大系统模型，并开发了相应的程序软件。针对制冷系统开发出的软件实现了通过制冷工质焓值、压力、温度、浓度等六个参数中已知任意两项求知其他参数的过程，并绘制压力、浓度、温度关系图和焓值、浓度、温度关系曲面图；CPC聚光系统模型程序软件优化了CPC 复合抛物面聚光器的开口宽度、槽深、聚光比等参数。利用所开发的两大程序软件优化了冰箱的负荷参数和工艺参数，为太阳能驱动扩散吸收式冰箱批量生产提供了可能。为了使太阳能集热器与制冷系统高效连接，根据热管的等温特性，本文创造性地提出并设计锥型发生器内置热管的方案，使得系统制冷部分和集热部分具有可拆卸性，不仅可以在太阳能不足的情况下变更驱动方式（如燃油、燃气），而且方便运输。此外，在制冷机部分，还提出双吸收器结构设计，以便充分吸收制冷工质，提高制冷效率。 本项目荣获中华环保基金会“必胜客”第五批大学生环保公益活动小额资助项目（编号：2009038）
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：目前市场上的太阳能冰箱主要以光电冰箱为主，但其所用光能电池会造成环境污染。本团队设计开发的新型太阳能光热冰箱，真正实现了太阳能冰箱的无污染，在电力匮乏的地区更具使用价值。 基本思路：基于扩散吸收式制冷系统对能量品位要求较低、工质环保性较好、运行无噪音等特点，将CPC热管式真空管集热器应用于该制冷系统。并通过Matlab分别对集热器和制冷系统进行建模，优化设计出新型CPC集热器的工作尺寸，得出制冷工质的灌装浓度和压力，最终设计开发出新型太阳能光热冰箱。 创新点：1.在传统CPC热管式真空管集热器的真空内管和热管之间加入导热油及充填物，缩短启动时间，提高了传热效率。2.建立扩散吸收式制冷系统模型，通过软件逆算得出系统运行的最佳灌装浓度和压力，指导样机加工，实现机组批量化生产。3.设计锥型发生器，将热管蒸发端置于集热器内，冷凝端置于锥型发生器内，提高传热效率；同时独特的发生器设计也使得机组和热管可拆卸，实现了在太阳照度不足的情况下供热形式可被替代（燃油等）。4.双吸收器的设计，使氨—氢混合气体流经吸收器时氨气被完全吸收，提高扩散效率。 技术关键：1.CPC集热器的建模与设计；2.建模并逆算制冷系统工质参数，确定工质工况；3.解决扩散吸收式制冷机效率低的问题；4.机组部分可拆卸。 主要技术指标:1.新型CPC热管式真空管集热器集热效率达92.1%；2.通过Matlab建模逆算出工质压力、浓度值等参数；3.制冷温度范围为-5～8℃，制冷效率在0.15左右。
科学性、先进性
- 1.新型CPC热管式真空管集热器内充有导热性非常好的导热油，提高导热效率，缩短机组启动时间。 2.利用Matlab软件对新型集热器和扩散吸收式制冷系统进行建模和动态仿真，得到各单元的最优设计。 3.通过锥形发生器将热管和制冷机组高效衔接。使整个机组可拆卸，便于更换驱动热源。 4.本作品全系统无电力驱动，无任何运动部件，与太阳能光电冰箱相比，高环保、高效率、长寿命、加工方便。 5.在太阳照度不足时，本作品可以通过冰蓄冷、燃油、燃气供热的方式维持冰箱的正常使用。 基于上述特点，本作品适用于海滩景点（由于涨落潮缘故，海滩无电力供应）、西部沙漠、游牧草原、以及其他日照充足电力匮乏的地区。这些都体现出其独特的优点和良好的市场前景。
获奖情况及鉴定结果
- 获得： 中华环保基金会“必胜客”第五批大学生环保公益活动小额资助项目（编号：2009038） 校第八届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛 特等奖 第四届“挑战杯”省大学生课外学术科技竞赛 特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段： 一系列机组匹配实验在进行中
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 实物、产品 、模型、图纸、现场演示、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 通过Matlab软件对CPC集热器和氨水扩散吸收制冷系统建模，得到各部件和工质的参数，指导样机的加工，为产品批量化生产提供方便。独特的锥型发生器设计使机组安装和拆卸更加简便。这样在海滩景点等无电地区体现其突出优势。另外在我国西部地区、沙漠、草原地带以及印尼、非洲等日照充足的地区也突显其更高的市场价值。与市场上主流的太阳能光电冰箱相比，更加环保，而且成本下降40%，所开发的50L冰箱成本只有500元（150L冰箱，预计成本仅有1300元），寿命增长一倍。
同类课题研究水平概述
- 一、太阳能集热器的发展 1、太阳能集热器雏形：上世纪70年代，美国就在亚利桑那州建成了一台37千瓦的抛物面聚焦的太阳能热动力水泵。 2、槽式太阳能集热器的发明：1976年，墨西哥人首次开发了槽式太阳能集热器这项技术，使用了一个6m 长、2m宽的槽式集热器，在接收器中直接产生蒸汽，并输出给一个125W的活塞式发动机。在大约4小时内，太阳辐射强度为700W/m²的条件下，太阳能转化为机械能的效率大约为2%。 3、槽式太阳能集热器的投产应用：1984年，世界上第一个槽式太阳能发电厂投入运行。在1984年至1990年的6年时间内，在美国加利福尼亚州共建立了9个槽式太阳能发电厂，规模从14MW到80MW。到目前为止，这些发电厂已经累计生产了大约75亿千瓦小时的电量。 4、太阳能集热器的发展：2000年悉尼奥运会时，奥林匹克综合委员会拟建了带有太阳能热力循环的电站。它由平面或弯度不大的曲面镜制成，把太阳能聚集在由真空管构成的储能器上，真空管内部装有薄壁管状吸热器，吸热器设有吸热肋板，并覆盖一层选择性吸收层。热量通过管子由吸热器传给蒸汽发生器，并产生蒸汽。 二、扩散吸收式制冷技术的发展 1、扩散吸收式制冷技术发展初期：氨水-氢扩散-吸收式冰箱的研究始于1920年，有C.Munters和B.V Platen首次制成。在国内外文献中，关于扩散-吸收式制冷机的研究数量有限。 2、扩散吸收式制冷技术逐步成熟与制冷机的制造：1957年Watts和Gulland等人对扩散吸收制冷系统的气体循环进行了理论和试验研究，提出辅助气体的流速存在一个最佳值使得系统的性能达到最佳。1982年，茅以惠给出扩散-吸收式制冷系统的热力计算，提出扩散-吸收式制冷机选定循环参数和热力计算的方法。2005年，以色列本-古里安大学A-Zohar和M.Jelinek在制冷机结构冷凝器后设置了过冷器，并建立了有无过冷器两种不同的系统模型，分析得到无过冷器时系统COP比有过冷器提高20%，但是在无过冷器的系统中蒸发温度却高15℃。2009年，英国N.Ben Ezzine和R.Garma等人开发了一种由太阳能驱动，制冷工质为二元氢烃混合物，惰性气体为氢气的扩散吸收式制冷机，通过实验对其部件热虹吸管进行实验研究并探讨了不同功率下的性能
