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能源

2020年6月23日

七个离网制冷原型:来自EWB-USA寒冷挑战的决赛选手

贡献:F. Andrew Dowdy, Christine Broda-Bahm

一名缅甸男子在缅甸仰光附近运送冰块。无国界工程师组织-美国制冷挑战鼓励人们设计出可负担得起的新技术,以改善服务不足的社区的制冷。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。

“在远离电网的社区,价格合理的冰箱将不仅仅是一种冷饮。拉里·本特利(Larry Bentley)说。他和f·安德鲁·道迪(F. Andrew Dowdy)代表EWB-USA发起了这一挑战,并得到了公开慈善基金(Open Philanthropy)的支持。

道迪和宾利在远离电网的社区工作,他们意识到制冷是一项艰巨的挑战。获得制冷设备是联合国可持续发展目标的关键。冷藏有助于健康和营养,为农民和企业提供经济机会,并减轻妇女的负担。然而,在许多经济发展中地区,它仍然很稀少。地球上可能有多达20亿人无法使用。

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。

开发高效离网电冰箱已经有了几项举措,包括由接入效率联盟(Efficiency for Access Coalition)颁发的全球LEAP奖。寒意挑战旨在补充这些努力,以略微不同的方法来解决这个问题。

首先,它的重点是负担能力。竞争目标成本远低于现有的制冷选择,使用通常可用于离网社区的能源。

第二,包括社区制冷来源。该挑战不是小型家用冰箱,而是更大的(150-250升)冰箱或社区大小的(100-1000公斤/天)制冰机。冰箱的大小适合于小型商业应用,如商店或酒吧,这往往是最早的制冷应用。同样,制冰机可以为家庭或各种生产活动提供非常灵活的制冷源。

最后,这项发明并不局限于蒸汽压缩制冷。“冷却挑战”适用于所有冷却技术,包括热驱动工艺。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

七种赠款,范围从30,000-50,000美元,代表了一种制冷技术的混合,包括蒸汽压缩,热吸附和天空辐射冷却。判断小组提交了一系列思想。“真的很难只选择少数赔偿的提案,”Dowdy先生说。

在挑战中代表的技术

蒸汽压缩

蒸汽压缩制冷,由太阳能光伏电池板供电,是目前最广泛使用的离网制冷技术。然而,使用这种技术很难满足寒冷挑战的可承受性目标。获得资助的两项蒸汽压缩提案是为制冰机提供的,制冰机比冰箱提供了一定的规模经济效益,可以通过储存冰而不是使用电池存储来解决“黑暗的日子”的挑战。

  • 太阳能冷却工程将使用由Solar PV提供动力的5个Selfchill®冷却单元来构建ICEMAKER。这些是使用R-600A(异丁烷)作为具有低全球变暖电位(GWP)的制冷剂的直流直接驱动蒸汽压缩单元。负担能力的关键是将这些单元与本地生产的制冷柜组合,以提供灵活,低成本的制冷选择。该装置将使用智能手机连接进行监控,并将启用薪酬融资。
  • 普渡大学建议通过使用联合加热和冷却蒸汽压缩系统来制冰和干燥作物来抵消制冰机的成本。该装置将每天生产100-150公斤的冰,使用R-290(丙烷)作为低全球变暖潜能值的制冷剂,并使用太阳能光伏作为能源。这项研究将评估食品的干燥和储存方法,包括它们的价格和季节性。该技术的潜在应用将集中在生产高价值和/或全年可用的食品的地点。

太阳能热吸附

利用吸附过程的太阳能制冷已被研究多年,但在商业上还难以取得成功。一个很大的挑战是热吸附系统的性能系数(COP)远远低于蒸汽压缩系统的性能系数。热系统的低COP,加上太阳能光伏板成本的下降,有利于离网应用的蒸汽压缩系统。然而,真空管太阳能集热器的成本也迅速下降。此外,热系统可以通过储存热水来解决“黑暗的一天”的突发事件,这可能会被证明比蒸汽压缩所需的电池存储更便宜。

  • Xergy Corporation将建立一个吸附式冰箱,驱动太阳能,使用氢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,该公司认为其效率将达到70%。如果成功,该团队相信,这种冰箱将为偏远的离网社区提供一个简单、易于维护的解决方案。
  • 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。

伦敦帝国学院的团队建议使用像这样的太阳辐射收集器的热水驾驶冰箱。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非常实惠的。以燃料木材或木炭的形式,生物量广泛可用于在离网社区中烹饪,并且是一种非常便宜的热能来源,即使对于具有相对较低的COP的过程,也应该是实惠的。

  • 普渡大学建议测试由厨师炉子的热量驱动的“冷藏电池”。这基本上是间歇吸附制冷系统 - 热源将产生制冷剂,这可以在以后的时间放电,以提供按需冷却。虽然该装置设计用于厨师炉灶,但可以使用其他热源。
  • 新叶动态技术会使用GreenCHILL吗TM值建造一个每天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”是一个众所周知的现象,古代波斯人用它来制造冰,并在20世纪70年代在“屋顶池塘”房屋中进行了测试,用于住宅制冷。近年来,研究人员开发出了一种表面,通过辐射红外波长的热量,可以通过大气窗口进入太空,从而增强这种效应。同时,表面高度反射阳光,使其保持温度低于环境,而暴露在充分的阳光下。

  • 奥雅纳工程建议建造一个完全被动的冷却箱,利用这一现象进行冷却,并使用相变材料进行冷库。如果成功,这可能会导致开发一种无需电或制冷剂的冰箱,对发展中国家的许多社区来说,这是一种简单而廉价的冷却解决方案。

团队的后续步骤

授权人在今年的剩余时间内开发原型并测试它们。EWB-USA预计最终的研究结果将在2021年的第一季度上市。该事件的领导力将该原型开发阶段视为为发展中国家带来实惠的离网制冷解决方案的较长过程中的第一步。如果证明了可行的技术,本组织打算征求资金,以支持进一步的发展和营销。

EWB-USA首席执行官Cathy Leslie表示:“成功解决我们的寒意挑战将改变数百万人的游戏规则,我们非常自豪能够在这个至关重要的开发工具上催化新想法,激发人们的思维。”

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


关于作者

F. Andrew Dowdy是一名退休的外交服务官员和工程师,目前从事能源获取、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:设计的挑战事件SDG2太阳能冰箱

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克里斯汀Broda-Bahm

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