Как работает солнечный кондиционер и какой тип подходит именно вам

1. Солнечные кондиционеры с фотоэлектрическим электроприводом

фотоэлектрический привод солнечные кондиционеры представляют собой наиболее коммерчески распространенный технологический маршрут, доступный сегодня. Система состоит из солнечных панелей, контроллера MPPT (отслеживание точки максимальной мощности), инвертора и компрессора с регулируемой скоростью. Солнечные элементы преобразуют солнечный свет в постоянный ток, который затем регулируется и используется для приведения в действие компрессора для охлаждения.

В зависимости от подключения к сети фотоэлектрические системы настраиваются в трех режимах:

Автономные системы

Автономные солнечные кондиционеры полагаются на аккумуляторную батарею, чтобы работать независимо от какой-либо коммунальной сети. Эта конфигурация хорошо подходит для удаленных районов без доступа к сети. Основными ограничениями являются высокая первоначальная стоимость батарейных блоков и относительно короткие циклы обслуживания аккумуляторных батарей.

Сетевые системы

Сетевые системы отдают приоритет электроэнергии, вырабатываемой солнечной энергией, для использования в системах кондиционирования воздуха, экспортируют избыточную электроэнергию в коммунальную сеть и получают ее из сети, когда солнечной энергии недостаточно. Эта конфигурация обеспечивает наилучшую общую экономичность и является доминирующим выбором для коммерческих зданий и жилых проектов.

Системы с прямым приводом постоянного тока

Системы с прямым приводом питают компрессор напрямую от фотоэлектрического источника постоянного тока, исключая инверторный каскад и повышая эффективность системы на 5–10%. Мощность охлаждения естественным образом увеличивается в зависимости от интенсивности солнечного излучения, что делает эту конфигурацию особенно эффективной в местах, где потребность в охлаждении концентрируется в дневное время, например, в школах и офисных зданиях.

Общий КПД системы солнечного кондиционера с фотоэлектрическим приводом определяется совокупным эффектом эффективности преобразования панели, потерь инвертора и точности управления переменной частотой компрессора. Современные панели из монокристаллического кремния имеют эффективность от 22% до 24%. В сочетании с высокоэффективными инверторными компрессорами постоянного тока годовая энергоэффективность остается стабильной.

2. Солнечные кондиционеры с тепловым приводом

Системы солнечного теплового привода используют тепло, собранное солнечными коллекторами, для непосредственного питания термодинамического цикла охлаждения, полностью минуя стадию фотоэлектрического преобразования. Этот подход устраняет потери фотоэлектрического преобразования и обеспечивает высокую эффективность использования энергии в регионах с высокой освещенностью и высокой охлаждающей нагрузкой.

Системы термопривода работают в двух основных ветвях холодильного цикла:

Абсорбционное охлаждение

В абсорбционных системах используются пары рабочей жидкости — чаще всего бромид лития-вода (H₂O/LiBr) или аммиак-вода (NH₃/H₂O) — и они приводятся в движение горячей водой температурой от 80°C до 180°C, вырабатываемой солнечными коллекторами. Тепло приводит в действие генератор, который отделяет хладагент от абсорбента. Затем хладагент проходит через конденсацию, расширение, испарение и повторную абсорбцию, завершая цикл охлаждения.

Абсорбционные охладители на основе бромида лития широко используются в крупных проектах центрального кондиционирования. Для агрегатов с одним эффектом требуется рабочая температура примерно от 80°C до 100°C, а для агрегатов с двойным эффектом — 150°C или выше. Обычно они сочетаются с вакуумными трубчатыми коллекторами или плоскими коллекторами. Системы «аммиак-вода» могут обеспечить охлаждение при температуре ниже нуля и лучше подходят для применения в промышленных холодовых цепях.

Адсорбционное охлаждение

Адсорбционные системы используют физические адсорбционные и десорбционные свойства твердых адсорбентов, таких как силикагель, цеолит или активированный уголь, для управления холодильным циклом. Требуемая температура движения обычно составляет от 60°C до 120°C, и ее можно обеспечить напрямую с помощью плоских коллекторов средней и низкой температуры. Системы не имеют движущихся частей, конструктивно просты и требуют низких затрат на техническое обслуживание.

Рабочая пара силикагель-вода надежно работает при рабочих температурах от 60°C до 85°C, достигая КПД примерно от 0,4 до 0,6. Эта комбинация хорошо подходит для систем кондиционирования воздуха на солнечной энергии в малых и средних зданиях. Материалы с металлоорганическим каркасом (MOF) используются в прикладных исследованиях в качестве адсорбентов нового поколения, поскольку их исключительно высокая удельная поверхность и настраиваемая пористая структура обеспечивают значительно повышенную адсорбционную способность.

Осушающее охлаждение

В системах осушительного охлаждения используются твердые или жидкие осушители для осушения и предварительного охлаждения поступающего воздуха, а солнечная тепловая энергия регенерирует отработанный осушитель. В сочетании с испарительным охлаждением этот подход обеспечивает эффективное снижение температуры. В жарком засушливом климате, например на Ближнем Востоке и на северо-западе Китая, осушительное охлаждение работает с высокой эффективностью и одновременно обеспечивает контроль влажности. Эта технология имеет большие перспективы применения в системах кондиционирования воздуха с независимым контролем температуры и влажности (THIC).

3. Солнечные кондиционеры с гибридным фотоэлектрическим (PVT) приводом.

PVT-системы объединяют фотоэлектрические панели и солнечные тепловые коллекторы в единый блок, одновременно генерируя электроэнергию и тепло. Во время работы фотоэлектрические элементы выделяют тепло в качестве побочного продукта, что снижает эффективность их электрического преобразования. PVT-системы рекуперируют это отходящее тепло через проточные каналы на задней панели, повышая эффективность сбора тепла, сохраняя при этом рабочие температуры элементов на более низком уровне, поддерживая электрическую мощность на более высоком уровне, чем только обычные фотоэлектрические модули.

Электрическая мощность PVT-системы приводит в действие парокомпрессионный кондиционер, а тепловая мощность одновременно приводит в действие абсорбционный или адсорбционный охладитель или дополняет источник тепла в контуре теплового насоса. Такое скоординированное электро- и теплоснабжение позволяет общему коэффициенту использования солнечной энергии солнечным кондиционером PVT достигать 60–75 %, что значительно выше, чем у автономных фотоэлектрических систем (около 20 %) или автономных тепловых коллекторов (примерно 45 %).

Основная инженерная задача PVT-систем заключается в динамическом согласовании электрических и тепловых выходов и разработке эффективных стратегий управления. Координация управления компрессором с переменной частотой и рабочими параметрами термодинамического цикла, особенно в условиях частичной нагрузки, является критически важным вопросом при реализации реальных проектов.

4. Сравнительный обзор трех категорий приводов

5. Ключевые факторы при выборе типа привода

На этапе планирования проекта выбор типа привода солнечного кондиционера требует всесторонней оценки местных ресурсов солнечного излучения, включая годовое глобальное горизонтальное излучение и пиковые солнечные часы, а также профили нагрузки на охлаждение и отопление здания, состояние сетевой инфраструктуры и экономику полного жизненного цикла.

Солнечные электроприводные системы хорошо подходят для проектов с надежным доступом к сети, где потребность в охлаждении тесно связана с пиковыми дневными часами. Солнечные тепловые приводные системы предлагают незаменимые преимущества в крупных зданиях, промышленных системах охлаждения и автономных местах с высоким уровнем освещенности. Гибридный привод PVT представляет собой направление с высокой степенью интеграции в разработке технологий кондиционирования воздуха на солнечной энергии и наиболее подходит для проектов зеленого строительства и проектов с нулевым выбросом углерода, где максимальное использование солнечной энергии является основным требованием.

Поскольку стоимость фотоэлектрических модулей продолжает снижаться, а характеристики адсорбционных материалов улучшаются, все три направления технологий привода солнечных кондиционеров подвергаются ускоренной итерации. Экономика на уровне системы и эксплуатационная надежность постепенно приближаются к порогу, необходимому для крупномасштабного коммерческого внедрения.