一種利用光伏儲能的冷藏車混合製冷系統及其在不同工況下的切換方法與流程
2023-05-08 18:14:57
本發明屬於製冷利用領域，具體涉及一種利用光伏儲能的冷藏車混合製冷系統及其在不同工況下的切換方法。
背景技術：
近年來，隨著經濟飛速發展，人們生活水平的提高以及生活方式的改變，人們對於生鮮食品和速凍食品的需求逐漸增大，極大推動了冷鏈物流的發展，冷藏車作為冷鏈物流的關鍵環節，對其的需求量與日俱增。2010年，發改委頒布了《農產品冷鏈物流發展規劃》，2014年底國家發展改革委、財政部等10部門聯合發布了《關於進一步促進冷鏈運輸物流企業健康發展的指導意見》，大力推進農產品冷鏈物流體系的建設，鼓勵企業改造、購進冷鏈加工設備，保證貯藏、運輸環節可滿足市場需求。
傳統冷藏車是完全依靠消耗燃油，發動機帶動制冷機工作製冷，這使得目前冷藏車燃油消耗比一般貨車大，並且帶制冷機組的冷藏車比普通貨車尾氣排放增加30％以上，這無疑是既不經濟也不環保的。此外，冷藏車中途停車需要外接電源來提供電能製冷，增加了冷藏車的使用局限性。因此，在冷藏車上添加一種新能源輔助電源系統，一方面可以節省燃油消耗、減少尾氣排放，另一方面能夠解決冷藏車中途停車需要外接電源的問題。太陽能由於其普遍性、清潔性、可再生性無疑是最好的選擇。
在冷藏車製冷方面的研究主要集中在液化天然氣(LNG)製冷，中國專利(CN103496311A)公開了一種LNG冷藏車的製冷方法及其冷藏車，利用LNG在復溫、氣化階段釋放出大量的冷能，提供冷藏車優質的冷氣，在不需要另外消耗能源的情況下解決了冷藏車製冷的問題。中國專利(CN103245226A)公開了一種小型液化天然氣(LNG)汽化器，其結構包括殼體，殼體上設置有LNG進口、LNG出口、冷媒進口及冷媒出口，殼體內設置有與LNG進口相連通的內管，其特點是，內管外側設置有套管，內管的插入端通過套管與LNG出口相連通。在LNG氣化及冷能儲存過程中，具有可避免冷媒結冰、熱效率高等特點，適用於各種LNG冷能利用場合，尤其適用於LNG汽車空調或LNG冷藏車製冷。在冷藏車上運用太陽能方面，中國專利(CN203888581U)公開了一種太陽能冷藏車，包括車體、太陽能系統、製冷系統，所述製冷系統由太陽能系統供電，所述太陽能系統蓄能部件為超級電容器，所述太陽能系統的太陽能電池板安裝在車廂頂部和兩側，並配有清潔裝置，能夠及時清理覆蓋在太陽能電池板上的塵土等汙物，保持太陽能電池板處於高透光度的狀態，但是超級電容器作為蓄能部件具有能量密度低，端電壓波動大的特點，不能很好的維持穩定、持續的製冷效果。中國專利(CN204936853U)公開了一種電動太陽能冷藏車，該冷藏車為一種小型三輪車，利用太陽能發電既要供電驅動車體還要供電製冷。中國專利(CN202952798U)公開了一種用於冷藏車車載太陽能製冷供電裝置，冷藏車所有的製冷需要都來自太陽能發電，受天氣制約大。
上述專利不適用於目前市場上主流中小型冷藏車，並且由於光伏發電的不連續性和不穩定性，僅僅使用太陽能電力的話，不利於長途運輸，並且受天氣制約很大。
技術實現要素：
為解決現有技術存在的問題，本發明提供了一種利用光伏儲能的冷藏車混合製冷系統，及其在不同工況下的切換方法，創新性地採用「雙壓縮機」的形式，使其能夠實現在冷藏車運輸途中使用發動機帶動壓縮機提供製冷動力來源，中途休息、晚上和需要對車廂預冷時可以使用太陽能發電供給電動壓縮機電能來製冷，解決了冷藏車停車需要外接電源的問題，大大增加了配送範圍；此外，設計中包含的一種光伏供電控制系統，有利於延長蓄電池的壽命，提高放電效率。
一種利用光伏儲能的冷藏車混合製冷系統，包括壓縮機、膨脹閥、冷凝器及蒸發器；所述壓縮機包括電動壓縮機和機械壓縮機；
所述冷凝器、膨脹閥及蒸發器通過管道依次連接，所述冷凝器與膨脹閥之間依次設有貯液罐和乾燥器，所述蒸發器的出、入口可以與電動壓縮機、機械壓縮機相連，電動壓縮機、機械壓縮機的出口端與蒸發器的入口之間設有電磁閥，電動壓縮機、機械壓縮機的入口端與蒸發器的出口之間設有吸氣壓力調節閥；
所述電動壓縮機的動力源為光伏供電系統，所述光伏供電系統包括光伏板、光伏控制器、超級電容器、逆變器及蓄電池，所述光伏控制器通過導線分別與光伏板、超級電容器、逆變器及蓄電池連接，所述逆變器還與電動壓縮機相連，以此實現光伏供電系統對電動壓縮機的供電；所述機械壓縮機的動力源為發動機，所述發動機與機械壓縮機之間設有電磁離合器。
上述方案中，所述光伏控制器包括單向DC/DC、雙向DC/DC1及雙向DC/DC2，所述光伏板、單向DC/DC、雙向DC/DC1、逆變器14和電動壓縮機依次串聯，所述雙向DC/DC1與蓄電池並聯，所述雙向DC/DC2與超級電容器並聯；所述雙向DC/DC2設置於單向DC/DC和雙向DC/DC1之間。
上述方案中，所述冷凝器接有兩個管道，一個管道用於連接電動壓縮機，另一個用於連接機械壓縮機。
上述方案中，所述冷凝器和蒸發器均帶有風機。
一種利用光伏儲能的冷藏車混合製冷系統在不同工況下的切換方法，其特徵在於，車輛正常行駛、空置停在停車廠時，單向DC/DC工作在MPPT模式下，雙向DC/DC1和雙向DC/DC2根據所選光伏陣列充電電壓和蓄電池、超級電容器的充電電壓選擇是升壓或降壓模式，實現對蓄電池和超級電容器的充電；當蓄電池達到最大充電電壓時，單向DC/DC工作在恆壓模式，雙向DC/DC1工作於降壓模式，由光伏陣列輸出電壓給蓄電池和超級電容器充電，電量充滿則關斷雙向DC/DC；中途停車、車廂預冷或者晚上仍需供電製冷時，單向DC/DC關斷，開啟雙向DC/DC1和雙向DC/DC2，由超級電容器和蓄電池給負載供電,；當負載電流發生突變時，僅由超級電容器給負載供電；當蓄電池和超級電容器達到過放電壓時，則雙向DC/DC1和雙向DC/DC2均處於關斷狀態。
本發明的有益效果為：
1.本發明採用「雙壓縮機」的結構形式，在冷藏車正常運輸行駛時採用發動機帶動機械壓縮機製冷；在中途停車、晚上、車廂需要預冷時，通過光伏供電系統帶電動壓縮機製冷，解決了冷藏車中途停車需要外接電源的問題，增加了其靈活性，擴大了配送範圍，節約了燃油以及減少了尾氣排放。
2.電動壓縮機採用光伏供電系統，為了減少電機啟動大電流以及突變電流對蓄電池的衝擊，採用了超級電容器和蓄電池混合儲能以及供電系統，超級電容器有循環壽命長，充放電速度快、充放電效率高、功率密度大、環保無汙染、高低溫性能好等優點，超級電容器和蓄電池的混合儲能，大大提高了系統放電效率，延長了蓄電池的使用壽命。
3.在光伏陣列和蓄電池之間連接有雙向DC/DC1，不僅能使光伏陣列和蓄電池的容量可根據負載額定功率進行靈活的選擇，而且還能夠更好地控制蓄電池的充放電過程，防止蓄電池過衝或過放，保護蓄電池免受損害。
4.通過雙向DC/DC2接入直流母線，能夠提供恆定的直流母線電壓，克服超級電容器在充放電過程中其兩端電壓變化範圍很大的問題。
附圖說明
圖1為一種利用光伏儲能的冷藏車混合製冷系統的原理圖；
圖2為本發明裝置電氣連接圖；
圖3為光伏供電系統能量流動圖，圖3(a)為光伏板給蓄電池和超級電容器充電時的能量流動圖，圖3(b)為負載電流突變時的能量流動圖，圖3(c)為負載穩定工作時的能量流動圖。
圖中：1.電動壓縮機，2.機械壓縮機，3.電磁閥，4.膨脹閥，5.冷凝器，6.貯液罐，7.乾燥器，8.吸氣壓力調節閥，9.風機，10.蒸發器，11.光伏板，12.光伏控制器，13.超級電容器，14.逆變器，15.蓄電池，16.發動機，17.電磁離合器。
具體實施方式
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護範圍並不限於此。
如圖1所示，一種利用光伏儲能的冷藏車混合製冷系統，包括安裝在車廂底部的電動壓縮機1、機械壓縮機2、膨脹閥4、冷凝器5(風冷式)及蒸發器10(本發明的蒸發器為冷卻空氣式，蒸發器10安裝在冷藏箱內部，使冷風直接吹入箱體內，強制對流，控制車內溫度在設定範圍內)，冷凝器5安裝在車廂外部駕駛室上方，它接有兩個管道，一個管道用於連接電動壓縮機1，另一個用於連接機械壓縮機2；
冷凝器5、膨脹閥4及蒸發器10通過管道依次連接，冷凝器5與膨脹閥4之間依次設有貯液罐6和乾燥器7；蒸發器10的出、入口可以與電動壓縮機1、機械壓縮機2相連，電動壓縮機1、機械壓縮機2的出口端與蒸發器10的入口之間設有電磁閥3，電動壓縮機1、機械壓縮機2的入口端與蒸發器10的出口之間設有吸氣壓力調節閥8；冷凝器5和蒸發器10均帶有風機9；
電動壓縮機1的動力源為光伏供電系統，光伏供電系統包括光伏板11、光伏控制器12、超級電容器13、逆變器14及蓄電池15，光伏控制器12通過導線分別與光伏板11、超級電容器13、逆變器14及蓄電池15連接，光伏控制器12包括單向DC/DC、雙向DC/DC1及雙向DC/DC2，光伏板11、單向DC/DC、雙向DC/DC1、逆變器14和電動壓縮機1依次串聯，雙向DC/DC1與蓄電池15並聯，雙向DC/DC2與超級電容器13並聯，雙向DC/DC2設置於單向DC/DC和雙向DC/DC1之間；太陽能電池板利用光生伏打效應發電，電能經過單向DC/DC、雙向DC/DC1將存儲在蓄電池15中，雙向DC/DC1也可控制蓄電池15合理放電；此外，超級電容器器13與雙向DC/DC2都和直流母線並聯，由光伏板11為其充電，雙向DC/DC2控制超級電容器13的充放電；逆變器14還與電動壓縮機1相連，以此實現光伏供電系統對電動壓縮機1的供電。；
機械壓縮機2的動力源為發動機16，機械壓縮機2放置在發動機16旁邊，發動機16通過曲軸前皮帶輪的三角皮帶驅動機械壓縮機2；發動機16與機械壓縮機2之間設有電磁離合器17。
本發明由控制面板決定是由電動制冷機1工作還是機械式壓縮機2工作。
一種利用光伏儲能的冷藏車混合製冷系統是按照以下過程進行工作的：
當冷藏車正常行駛運輸過程中，仍然採用發動機16為機械式壓縮機2提供動力製冷，機械式壓縮機2運行工況的控制通過電磁離合器17的開閉來實現，車廂內需要製冷時，製冷劑氣體被機械壓縮機2吸入，壓縮成高溫高壓氣體進入冷凝器5，被箱外空氣以及風機9的強制通風冷卻降溫成液態，溫度和壓力較高的液態製冷劑經膨脹閥4節流降溫降壓，以霧狀進入蒸發器10吸收氣化潛熱而製冷，蒸發器10周圍的冷氣用強制通風裝置吹入車廂，從而達到降溫的目的。當冷藏車停車、夜晚、需要提前預冷車廂時，啟動電動壓縮機1完成上述製冷循環。
圖2為本發明裝置的電氣連接圖，當冷藏車正常行駛過程中，駕駛員通過操控控制面板，閉合電磁離合器17，啟動機械壓縮機2製冷降溫，當需要中途長時間停車、夜晚、需要提前預冷車廂的時候，啟動電動壓縮機1製冷降溫。
在光伏供電系統中，由於本發明中車廂頂部太陽能板鋪設個數有限，光伏發電功率不足以啟動電動壓縮機1，所以電動壓縮機1的能量來源主要是蓄電池15和超級電容器13，蓄電池15和超級電容器13是由太陽能電池板充電的。其中，單向DC/DC有最大功率點跟蹤(MPPT)、恆壓和關斷3種模式，雙向DC/DC1和雙向DC/DC2有升壓(Boost)、降壓(Buck)及關斷3種模式，雙向DC/DC能實現能量雙向流動，這種結構能較好地解決光伏電池陣列與蓄電池15和超級電容器13串並聯數不匹配的問題，可以根據電路結構和功率容量比較靈活的選擇；系統結構也比較簡單，蓄電池15和超級電容器13的充放電過程通過一個雙向變換器實現，可減輕系統重量。具體切換方法和能量流動方向如圖3，箭頭方向為能量流動方向。
圖3(a)中,車輛正常行駛或空置停在停車廠時，單向DC/DC工作在MPPT模式下，太陽能電池板以最大功率為蓄電池15和超級電容器13充電，雙向DC/DC1和雙向DC/DC2根據所選光伏陣列充電電壓和蓄電池15、超級電容器13的充電電壓選擇是Boost模式或Buck模式，使得太陽能電池板對蓄電池15和超級電容器13進行合理充電；當達到蓄電池15最大充電電壓時(對於48V蓄電池，其最大充電電壓可設置為55V，過放電壓可設置為43V)，單向DC/DC工作在恆壓模式，雙向DC/DC1工作於Buck模式，控制光伏陣列輸出電壓給蓄電池15和超級電容器13充電，充滿則雙向DC/DC2關斷。
圖3(b)中，車輛中途停車、夜晚、需要提前預冷車廂時，關斷單向DC/DC，電動壓縮機1啟動瞬間，電流會突變，增大到正常工作是的4-5倍，此時雙向DC/DC2工作在Boost模式，由超級電容器13給負載供電；(在其他應用個例中，當負載電流突變時開啟雙向DC/DC2工作在Boost模式，由超級電容器13給負載供電)。
圖3(c)中電動壓縮機1穩定工作時，雙向DC/DC1工作在Boost模式，蓄電池15和超級電容器13一起為電動壓縮機1供電；若蓄電池15和超級電容器13達到了過放電壓，則雙向DC/DC1和雙向DC/DC2均處於關斷狀態。
以上對本發明所提供的一種利用光伏儲能的冷藏車混合製冷系統及其在不同工況下的切換方法進行了詳細介紹，本發明應用了具體個例對本發明的原理和實施方式進行了闡述，所要說明的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。