太阳能光伏冷藏保鲜库的研究设计

□王志明万勇徐文娟文亦骁/四川省农业机械研究设计院

太阳能光伏冷藏保鲜库的研究设计

□王志明万勇徐文娟文亦骁/四川省农业机械研究设计院

对于一些土地肥沃、太阳光照充足的高海拔丘陵山区，生产经济作物如水果、蔬菜等特色农产品，具有一定优势，但由于无电网覆盖，生产的产品预冷、保鲜贮藏问题难以解决，限制了当地资源的开发利用和特色农产品的发展，阻碍了农民收入的增加。随着国家对太阳能光伏产业的大力支持，光伏组件的价格持续下降，太阳能作为清洁、易得能源的优势逐渐显现。利用太阳能光伏技术，将太阳能转化为电能使冷藏库制冷，用于水果、蔬菜的贮藏或预冷；通过对太阳能光伏冷藏库技术进行研究、示范和推广应用，对解决边远无电网覆盖地区特色农产品的贮藏保鲜具有重要意义。

1 太阳能光伏冷藏库的组成

太阳能光伏冷藏库是通过将太阳能转化为电能驱动制冷设备工作的，该系统主要由太阳能电池板、控制器、逆变器、蓄电池、制冷设备、冷藏库以及控制系统组成（如图1所示）。

图1 太阳能光伏冷库组成

太阳能电池板收集太阳能并转化为电能，通过控制器控制电能去向。光照充足需要制冷设备工作时，向逆变器直接供电，制冷设备空闲时对蓄电池进行充电；光照不足或夜晚时，蓄电池放电提供电能。

制冷设备是整个系统中最大的耗能设备，在满足贮藏要求的情况下应尽量降低设备功耗。通过增加冷藏库体的保温性可有效减少能源消耗，降低制冷设备功耗。

2 太阳能冷藏库的设计

下文以建设凉山州普格县库容为30t的太阳能冷藏库为例进行设计分析。

2.1 库体设计及保温材料选择

设计库容为30t的太阳能冷藏库，库体净容积按0.2t/m3计算，库体净容积应不小于150m3。库体的尺寸确定为8m×7m× 3.5m（长×宽×高），库内净容积为162m3。库体材料采用聚氨酯泡沫夹芯彩钢板，聚氨酯泡沫夹芯彩钢板具有隔热、防潮和气密性良好、建库快、美观大方的优点，但造价略高。对于一般的高温冷藏库采用100mm厚的聚氨酯泡沫夹芯彩钢板即可，而对于太阳能冷藏库，由于电力配置差，夜间无电，或采用蓄电池供应电力，因此，库体建设必须充分考虑库体的保温和节能性能，在库体设计上应采用高保温的库体材料，尽量减少电力消耗。本项目采用150mm厚的聚氨酯泡沫夹芯彩钢板作库体保温材料，对于接缝进行特殊的密封处理，以减少气体泄漏导致的热量损失，库内地面处理分别为承重层、防水防潮层、100mm厚挤塑板保温层及混凝土承重层。

2.2 制冷系统的设计和选择

根据冷负荷计算，选用5P氟制冷压缩机组，风冷冷凝器，库内冷风机选用DL-165型，冷风机蒸发面积80m2，制冷控制系统采用专门设计的全自动温度控制系统，库内温度在0～15℃范围内可调。

2.3 太阳能光伏系统的设计选用

太阳能光伏冷藏库是通过光伏系统供电来运行的，在进行参数设计时应先计算出制冷设备负荷，再进行光伏逆变供电部分的计算。通过确定冷藏库规模及库体参数，可计算出相应的制冷设备负荷，负荷确定后即可进行逆变器、电池组、太阳能电池板的参数设计。

3 主要技术参数的计算确定

3.1 库容积确定

冷库贮藏的容量：

式中：G——冷库贮藏容量（t）；

V——冷库的公称容积（m3）；

ρ——贮藏物料的计量密度（kg/m3）；

η——容积利用系数。

冷库的公称容积为：

容量G=30（t）；蔬菜密度为250～350kg/m3，水果密度为400～450kg/m3，密度ρ取较小值ρ=320kg/m3；容积利用系数η一般为0.60～0.85，取η=0.60。

根据结构设计要求，本项目冷藏库公称容积取值V=162m3。

3.2 冷藏库冷负荷的计算

冷藏库冷负荷的计算目的在于确定制冷设备的制冷能力，选择制冷压缩机组和冷风机。

式中：Qq——库内冷却负荷（W）；

Q1——围护结构传热量（W）；

Q2——果蔬冷却与呼吸形成的热负荷（W）；

Q3——库内外气体交换形成的热负荷（W）；

Q4——冷藏库操作管理形成的热负荷（W）；

Q5——库内加湿形成的热负荷（W）。

本冷藏库容积为162m3，库容量为30t，每间库尺寸为8 m×7m×3.5m。

1）围护结构传热量

式中：Q1——围护结构传热量（W）；

k——围护结构传热系数[W/（m2·℃）]；

A——围护结构面积（m2）；

Δt——冷库内外温差（℃）。

装配式冷库传热系数k=0.24W/（m2·℃）；围护结构面积A按每间库尺寸8m×7m×3.5m计算，A=（8+7）×2×3.5+8×7=161 m2；项目设计Δt=40℃。

2）果蔬冷却与呼吸形成的热负荷

式中：Q2a——果蔬冷却形成的热负荷（W）；

Q2b——果蔬包装形成材料冷却的热负荷（W）；Q2c——果蔬呼吸形成的热负荷（W）。

式中：G′——冷藏库一次入库量（kg）；

C——果蔬比热[J/（kg·℃）]；

Δt′——果蔬从入库到最终的温差（℃）；

τ——冷却时间（s）。

按每库30t=30000kg，每次入库20%计算，G′=30000kg× 20%=6000kg；果蔬比热取C=3.6×103J/kg·℃；项目设计Δt′= 40℃；冷却时间τ=24h=86.4×103s。

由于进入冷藏库的包装材料比较少，果蔬包装形成材料冷却的热负荷较小，本项忽略不计。取Q2b=0。

式中：G′——冷藏库一次入库量（t）；

q1——果蔬处于初温时的呼吸热（W/t）; q2——果蔬处于终温时的呼吸热（W/t）。

查表可得，果蔬在25～30℃的呼吸热，即初温时的呼吸热一般在4000～20000kJ/t·d，设计取中间值10000kJ/t·d，q1=10000×103÷（86.4×103）≈115.7W/t；设计果蔬终温时呼吸热为6000kJ/t·d，q2=6000×103÷（86.4×103）≈69.4W/t

库体内外气体交换形成的热负荷Q3，对于小型库，因泄漏形成的热负荷很小，可以忽略不计,取Q3=0。

一般不考虑冷却设备通风风机形成的热负荷。因此

式中：N——风机功率（W）；

n——风机数量；

η——效率。

取N=550W；n=2；η=0.80。

式中：w——加湿量；

i——热焓。

由于加湿量很小，可忽略不计。取Q5=0。

考虑到计算误差和设备工作系数，选择制冷设备制冷量应增大20%，因此，制冷设备的制冷量应为：

制冷设备选择5P制冷压缩机组。

3.3 太阳能光伏系统设计

3.3.1 逆变器参数

5P氟制冷压缩机组功率P1≤4.5kW，取P1=4.5kW；DL-80型冷风机功率P2=1.1kW，化霜功率P3=3.6kW；制冷系统最大运行功率P=P1+P2=5.6kW。一般逆变器转化效率为96%，逆变器实际输入功率为5.83kW，选取额定功率为6kW的太阳能逆变器即可满足要求。项目选择联众48V6000型太阳能光伏逆变器，输入电压DC48V，转化效率97%。

3.3.2 蓄电池的设计

光伏系统中使用的电池有镍氢、镍镉电池和铅酸蓄电池，但是考虑到技术成熟性和成本等因素，通常使用铅酸蓄电池。蓄电池的容量的计算方法如下：

式中：Qb——电池容量；

N——自给天数；

Qd——是日平均负载；

D0——最大放电深度。

设计自给天数为N=3d；以每天工作5h计算，能源消耗为30kW·h/d，Qd=30000÷48÷0.97≈644.3Ah；80%深度放电D0= 0.8。

选用12V/100Ah的蓄电池，需要串联的电池个数：

需要并联的电池个数：

取整数25个。蓄电系统所需12V/100Ah的电池个数为：

3.3.3 太阳能电池板的设计

太阳能电池板设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求。计算太阳能电池板组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块太阳能电池板组件在一天中可以产生的能量（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳能电池板组件数，使用这些太阳能电池板并联就可以产生系统负载所需要的电流。将系统的标称电压除以太阳能电池板组件的标称电压，就可以得到需要串联的太阳能电池板组件数，使用这些太阳能电池板组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。计算公式如下：

并联的组件数量=日平均负载（Ah）/组件日输出（Ah）串联的组件数量=系统电量（Ah）/组件电量（Ah）

项目选用天威TW225P60-AA的电池板，组件输出功率为225W，工作电压为29.3V，工作电流为7.68A。以每天工作8 h计算，电池板日输出为8×225÷29.3≈61.4Ah。

电池板日平均负载=蓄电池充电负载+制冷设备负载

以制冷设备日间工作4h计算，则制冷设备负载为4×6000÷ 48÷0.97≈515.5Ah，蓄电池每日充放1次，则可视电池充电负载等同放电负载。

电池板日平均负载=644.3+515.5=1159.8Ah；

串联的组件数量=1159.8÷61.4=18.9（块），取整数19块；

串联组件数量=48÷29.3=1.6（块），取整数2块；

所需的电池板总数=19×2=38（块）。

4 结语

通过对太阳能冷藏库的设计计算、科学配置，2016年在凉山州普格县建成了四川省首座太阳能冷藏保鲜库。项目的实施充分利用了当地的太阳能资源，实现了果蔬产地预冷、冷藏保鲜，目前设备运行稳定，经济效益显著，起到了良好的科技示范作用。