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活力

2020年6月23日

七个脱网制冷原型:来自EWB-USA的寒意挑战的决赛选手

贡献:F. Andrew Dowdy,Christine Broda-Bahm

缅甸缅甸围绕仰光的冰送冰。没有边界的工程师 - 美国寒意挑战激励为极其实惠的技术推动新设计,以改善服务不足社区的制冷。照片由作者提供

在一场世界范围的离网制冷设计竞赛中,动物和木材燃烧都被列入了新的、极低成本技术的能源来源。2019年9月,非营利组织美国工程师无国界组织(EWB-USA)发布了“寒意挑战”,征集提案,为冰箱和制冰机开发概念验证原型。该电话收到了来自36个团队的43份提案,这些团队代表了全球各地的大学、公司、非政府组织和个人。其中7个项目获得了总计30万美元的研究和发展拨款。

“在离网上社区的经济实惠的制冷将不仅仅是一个凉爽的饮料。这将是,通过更广泛的营养和教育等更广泛的益处来改变世界,“Larry Bentley以及F. Andrew Dowdy的福利更广泛地改变了世界,这些人是代表EWB-USA的挑战,支持公开慈善资助。

通过他们在离网社区的工作,Dowdy先生和Bentle先生意识到制冷是一个艰难的挑战。获得制冷是一些联合国可持续发展目标的关键。制冷有助于健康和营养,为农民和企业提供经济机会,并降低妇女的负担。然而,许多经济发展地区仍然稀缺。在没有访问的情况下,这个星球上可能有两亿人。

部分问题可能是传统冰箱耗电太多。在全球范围内的西方,家电是家庭能源消耗的前五名。在服务不足的社区,来自中央电网的电力可能不稳定,家庭系统通常只能处理小负荷。太阳能家庭系统越来越普遍,提供照明、电视和给手机充电。然而,制冷是一个更耗能的过程,而且被证明是一个更大的障碍。

有几项举措可以开发高效的离网冰箱,包括通过访问联盟的效率实现全球飞跃奖励。寒意挑战旨在补充那些努力,以略有不同的问题。

首先,它关注的是可承受性。竞赛的目标成本远远低于现有的制冷方案,使用的能源通常是离网社区可用的。

其次,是纳入社区的制冷来源。而不是较小的家用冰箱,挑战已经为更大(150-250升)冰箱或社区大小(100-1000公斤/天)的冰箱征求了提案。冰箱被尺寸适用于小型商业应用,例如商店或酒吧,往往是制冷的最早的采用者。同样,国际责任机器可以为家庭或各种收入生产活动提供非常灵活的制冷来源。

最后,该倡议不限于蒸汽压缩制冷。寒意挑战对所有冷却技术开放,包括热驱动过程。设计参数可以在EWB-USA的网站上找到寒战挑战详细设计参数

这7项拨款从3万到5万美元不等,混合了制冷技术,包括蒸汽压缩、热吸附和天空辐射冷却。提交的创意范围给评委会留下了深刻印象。道迪先生说:“要选择为数不多的几项拨款提案真的很难。”

挑战所代表的技术

蒸汽压缩

由太阳能光伏板供电的蒸汽压缩制冷,是当今最广泛的离网制冷技术。但是,很难满足使用这项技术的核心挑战负担能力目标。两个蒸汽压缩建议接受赠款适用于制冰商,为冰箱提供某些规模经济,并通过存储冰来解决“黑暗的日子”挑战,而不是使用电池储存。

  • 太阳能制冷工程该公司将使用5个由太阳能光伏供电的SelfChill®冷却单元建造一个制冰机。这些是直流直接驱动蒸汽压缩装置,使用R-600a(异丁烷)作为低全球变暖潜势(GWP)的制冷剂。可购性的关键是将这些设备与当地生产的制冷柜结合起来,提供灵活、低成本的制冷选择。该单位将使用智能手机连接进行监控,并将启用付费融资。
  • 普渡大学建议通过使用组合的加热和冷却蒸汽压缩系统来抵消ICEMAKER的成本,以制造冰和干燥的作物。该装置将使用R-290(丙烷)作为低GWP制冷剂和太阳能光伏作为能量源的150千克冰/天。该研究将评估食品干燥和储存做法,包括其价格和季节性。然后,该技术的潜在应用将集中在生产高价值和/或全年提供的食品的位置。

太阳能热吸附

使用吸附过程的太阳制冷已经被调查多年,但商业成功一直难以捉摸。大挑战是,热吸附系统的性能系数(COP)远低于蒸汽压缩系统的速度。热系统的低COP的热系统,与太阳能光伏板的下降成本相结合,对散网应用的蒸汽压缩系统有利。然而,抽空管太阳能收集器的成本也迅速下降。此外,热系统可以通过存储热水来解决“暗日”的突发,这可能比蒸汽压缩所需的电池储存便宜。

  • Xergy公司将由太阳能热能驱动的吸附冰箱,其使用氢气和金属氢化物作为工作对。该装置将采用先进的热交换器设计,该设计该公司认为将导致70%的效率。如果成功,该团队认为冰箱将提供简单,易于维护远程离网社区的解决方案。
  • 伦敦帝国理工学院建议利用太阳能集热器的热水来驱动扩散吸收制冷(DAR)过程。在丙烷和煤油冰箱中使用了几十年的基本工艺已经被证明是简单可靠的,没有任何活动部件,但COP的工作方式是使用氨和水作为工作对,通常是0.2或更少。该团队希望通过使用替代工作流体对和优化单元设计,显著提高性能。

来自伦敦帝国理工学院的一个团队建议使用太阳能辐射收集器的热水来驱动冰箱。照片由作者提供

生物质热吸附

在纸上,使用生物质的吸附系统应该是相当经济的。生物质,以燃料木材或木炭的形式,广泛用于离网社区的烹饪,是一种非常便宜的热能来源,即使是COP相对较低的过程,也应负担得起。

  • 普渡大学建议测试一个由炉灶热量驱动的“冷蓄电池”。这本质上是一个间歇吸附制冷系统-热源将产生制冷剂,可以在稍后的时间排放以提供制冷需求。虽然该装置将被设计为与炉灶一起使用,但也可以使用其他热源。
  • 新叶动态技术将使用它的GreenchillTM建造一个每天1000公斤的制冰机的技术,可以由任何数量的生物质来源提供动力。这是一种使用R-717(氨)的吸附系统,该公司已经在印度超过25个地点部署了该系统。该系统每天估计需要105公斤木材当量的生物量来生产1000公斤冰,并将使用太阳能PV提供的电力来运行辅助设备。

天空辐射冷却

“夜空辐射”是古代波斯人使用的众所周知的现象,以生产冰,并在20世纪70年代的“屋顶池”房屋中进行了测试,以进行住宅冷却。近年来,研究人员已经开发了通过在可以通过大气窗口进入空间的红外波长下辐射热量来增强这种效果的表面。同时,表面具有高度反射阳光,这允许它们在暴露于满太阳的同时保持低于环境温度。

  • arup工程学建议使用这种现象来制造完全被动的冷却盒,用于冷却和使用相变材料进行冷库。如果成功,这可能导致冰箱的开发,在没有电力或制冷剂的情况下运行,这是发展中国家许多社区的简单且廉价的冷却解决方案。

团队的下一步

受助者开发原型,并在今年剩下的时间里对其进行测试。EWB-USA预计最终研究结果将于2021年第一季度公布。该活动的领导层将这一原型开发阶段视为为发展中国家提供负担得起的离网制冷解决方案这一漫长过程的第一步。如果证实了可行的技术,该组织打算寻求资金来支持进一步的开发和营销。

“我们的寒意挑战的成功解决方案将成为数百万人的游戏变更者,我们非常自豪地催促新的想法和激励在这工具上思考这一重要的开发工具,”EWB-USA首席执行官Caty Leslie说。

欲了解更多信息,请参阅www.ewb-usa.org/chill-challenge.


关于作者

F. Andrew Dowdy是一名退休的外国服务官员和工程师,现在正在致力于能源访问,创新和历史研究。

克里斯汀·布罗达-巴姆是美国无国界工程师组织的高级作家。

标签:设计的挑战,活动,SDG2,太阳能冰箱

F. Andrew Dowdy.

克里斯汀布罗达 - 巴赫姆

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