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能源

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

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。

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,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

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:设计的挑战事件SDG2太阳能冰箱

F. Andrew Dowdy.

克里斯汀Broda-Bahm

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