综述：离网太阳能制冷与制热技术的系统综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A systematic review of off-grid solar cooling and heating technologies

　　比拉尔·林奇|拉加德·达巴布塞|奥萨马·阿亚迪
约旦大学工程学院机械工程系，安曼，11942，约旦

摘要
由于气候变化、人口增长以及经济发展，全球空间冷却的能耗正在迅速上升，预计到2050年这一需求还将增加两倍。尽管基于电网的太阳能冷却技术已得到广泛研究，但这类系统无法满足约7.3亿缺乏电力供应的人口以及更多生活在电网不稳定地区的居民的需求，因为在这些地区，频繁的停电使得依赖电网的系统不可靠。对于这些人群而言，最大的工程挑战在于找到一种可靠且完全自主的能源来满足气候控制需求。本文对专为实现完全能源独立而设计的离网太阳能驱动制冷与制热系统进行了系统性综述。该综述将相关技术分为光伏和热能两类，评估了各种实验原型，分析了其在住宅、医疗和农业领域的应用性能，并探讨了不同气候条件对系统可行性的影响。研究结果表明，由于光伏成本下降，技术发展正从复杂的太阳能热吸收循环转向现代的光伏蒸汽压缩技术。深入分析指出，能源存储是当前的主要瓶颈，相关研究正从昂贵的电化学电池转向成本更低的热能存储方式，如相变材料及冰。地理分析显示，在炎热干旱的气候条件下可实现100%的太阳能利用，而在寒冷地区，离网运行仍然面临挑战，需要进一步开展实验研究。最后，本文认为，未来的进展取决于智能控制策略以及分散式多联产和冷热电三联供系统，这样才能最大化资源利用率。

引言
与建筑中的其他用途相比，用于空间冷却的全球能源消耗增长速度更快，这一趋势是由气候变化、人口增长以及温暖地区的经济发展共同推动的[1,2]。国际能源机构预测，到2050年，冷却需求将增加两倍[3]，而其中大部分增长将发生在那些电网基础设施较为薄弱或根本不存在的发展中经济体。这就形成了一种恶性循环：较高的环境温度增加了空调需求[[4], [5], [6]]，而这又进一步推动了化石燃料的消耗和温室气体排放，加剧了全球变暖现象。太阳辐射强度的高峰与冷却需求的高峰恰好重合，这在理论上为利用太阳能打破这一循环提供了可能，但实际应用仍存在技术上的复杂性。

目前，太阳能冷却技术主要侧重于那些将电网视为“虚拟电池”的并网系统[[7], [8], [9], [10]]。这类“净零”或并网设计依赖于在白天输出多余的太阳能，而在夜间或阴天则可以无限制地获取电力。虽然这种模式在基础设施完善的发达国家效果良好，但它无法满足约7.3亿仍缺乏电力供应的人们的需求[11]。此外，还有数百万人生活在电网不稳定的地区，由于频繁停电，如果没有昂贵的备用发电机，依靠并网系统也无法保证供电稳定[12]。对于这些偏远地区和发展中国家的民众来说，面临的挑战不仅仅是弥补能源成本，更重要的是要获得一种可靠且自主的能源来满足气候控制需求[13]。

过去十年间的技术进步极大地改变了太阳能冷却的经济性。历史上，诸如吸收式和吸附式制冷机之类的太阳能热技术曾被认为是利用太阳能进行冷却的唯一可行方案[14,15]。这类系统直接利用热量驱动热压缩循环，避免了早期光伏面板存在的效率问题。然而，随着光伏价格在2010年至2020年间下降了80%以上[16]，再加上蒸汽压缩效率的显著提升，情况发生了变化。如今，使用光伏面板发电来驱动高效空调，往往比建造复杂的熱能冷却系统更具成本优势[17]。这一变化迫使人们重新审视传统技术与现代光伏技术之间的差异，尤其是在离网应用的背景下。

为离网运行而设计系统会带来一些并网系统所没有的独特工程挑战。独立系统必须全天候提供电力，包括应对诸如压缩机启动电流等瞬时功率峰值，这类电流可能达到额定负荷的数倍。在并网住宅中，电网可以轻松承受这些峰值电流，但离网系统则需要配备更大的逆变器和电池组，以避免系统崩溃[18]。此外，存储问题也变得至关重要，因为系统需要在太阳能发电与冷却需求之间建立联系，而这种需求往往持续到傍晚。相变材料等热能存储方法为替代昂贵的电化学电池提供了可能性[19,20]，但它们的引入增加了系统控制和运行的复杂性。

并网运行与自主运行之间存在根本差异，这意味着为其中一种运行方式优化的设计策略可能无法直接应用于另一种方式。因此，要满足离网人群的需求，就不能仅仅将传统系统与电网断开连接，而需要从严格的能源自主性角度重新评估相关技术。为了了解当前技术在这一方面的发展水平，有必要回顾太阳能冷却研究的历史脉络。对现有文献的深入分析表明，几十年来研究重点一直在发生变化，更重要的是，自主运行的特殊挑战是否得到了重视，还是被并网可持续性的主流观点所掩盖。

千禧年初的综述大多将太阳能热技术视为实现可持续气候控制的最佳手段。Dieng和Wang[14]以及Florides等人[15]指出，吸附式和吸收式技术是利用太阳能的领先方法，尤其适用于电力供应匮乏的地区。这种对热能系统的偏好在整个十年间都持续存在，Balaras等人[21]以及Zhai和Wang[22]强调了热能冷却技术在减轻欧洲和中国电网高峰负荷方面的潜力。当时，Choudhury等人[23]和Chidambaram等人[24]明确指出，由于光伏面板的初始成本高且效率低，因此热能存储和集热器才是更优的选择。这一趋势一直持续到21世纪初，Kalkan等人[25]、Baniyounes等人[26]以及Nkwetta和Sandercock[27]的综述仍然优先考虑吸收式和干燥剂循环技术，同时指出需要使用聚光集热器才能获得合理的性能系数[COP][28]。即便在2015年，Gugulothu等人[29]仍认为热吸收技术仍是标准选择，他们将太阳能的间歇性视为需要辅助备份系统的主要障碍。

大约在2015年，随着光伏成本下降以及蒸汽压缩效率的提升，相关文献出现了明显的变化。Al-Alili等人[30]指出，与复杂的熱能循环相比，利用太阳能发电变得更加简单，从而暗示了这一技术变革的趋势。Allouhi等人[31]则明确指出了转折点，他们承认虽然热能系统能在能源节约方面发挥重要作用，但基于光伏的冷却技术也越来越具有竞争力。后续的综述进一步证实了这一趋势，Ma等人[32]报告称，在“太阳能十项全能”竞赛中，大约一半的参赛团队选择了光伏驱动的热泵，而非传统热能冷却系统，因为后者在操作灵活性上存在不足。Al-Yasiri等人[33]在2022年进一步确认了这一观点，他们认为由于系统结构简单且成本降低，光伏蒸汽压缩技术已占据主导地位，而传统热能系统则仍存在维护复杂和泄漏等问题。此外，随着人工智能技术的进步，最近的综述也开始探讨机器学习技术在这一领域的应用潜力[34]。然而，这些综述均未考虑完全自主系统的工程要求；离网运行的概念要么被视为次要问题，要么与被动冷却技术混为一谈，导致电池选型、系统设计以及完全负载自主性等关键问题始终未被解决。

尽管市场趋势倾向于光伏技术，但仍有一些研究者认为，在特定应用场景下，热吸收技术依然具有实用价值。Almasri等人[35]在2022年提出了相反的观点，他们认为在商业应用中，太阳能吸收技术仍比光伏蒸汽压缩技术更具经济合理性。同样，Baldwin和Cruickshank[36]以及Aliane等人[37]也强调了吸收式系统的技术成熟度，但他们同时警告说，这类系统中的泵和风扇会消耗大量电能。Shirazi等人[38]进一步强调了这一问题，他们指出，现有文献往往忽视了系统整体性能，包括寄生损耗和控制因素，而只关注制冷机的效率。其他一些近期综述则探索了混合式解决方案，以弥补现有技术的不足。Alobaid等人[39]研究了光伏-热能复合集热器，这类集热器既能提供用于吸热的能量，又能为辅助设备供电，但他们指出，关于这种组合方式的数据极为有限。Almutairi等人[40]则专注于带有存储功能的太阳能空气加热技术，而Sonowal等人[41]则强调了干燥剂系统在湿度控制方面的优势，认为混合配置有望降低整体能耗。不过，在所有这些混合方案中，性能评估的标准仍然是相对于并网系统的节能效果，而非完全的负载自主性。

对这些综述的深入分析表明，大多数研究都将太阳能冷却技术置于并网、净零能耗建筑的框架之下，而非真正的自主运行场景。Zhang等人[42]研究了结合相变材料的可再生能源系统，但其重点仍是解决并网场景下的能源间歇性问题。Prieto等人[43]则研究了建筑立面集成技术，认为热电和吸附装置适合用于分布式应用，但他们主要关注的是美观性和物理集成度，而非能源自主性。因此，离网运行所面临的独特挑战，如电池选型、不同应用类型的性能表现、不同气候条件下的性能差异以及完全的负载自主性，往往被忽视，取而代之的是对电网高峰负荷削减的分析。

专门针对离网应用的综述十分罕见，而且通常仅限于被动式建筑或小规模的小众应用。Chan等人[44]以及Monghasemi和Vadiee[45]研究了太阳能烟囱和特龙贝墙等被动式技术，这类技术虽属于离网系统，但其冷却能力和控制精度均不如主动式系统。而针对主动式离网系统的研究则多集中在医疗或食品保存领域。Dieng和Wang[14]以及Choudhury等人[23]专门探讨了适用于偏远地区的太阳能制冰技术，而Kaiprath和V.V[46]则研究了用于疫苗储存的热电冷却器。尽管Patel等人[47]最近认为吸附式技术是离网可持续发展的理想选择，但他们也承认，这类系统的性能系数较低，且占地面积较大。

综上所述，尽管在太阳能冷却领域已经开展了二十多年的研究，但目前还没有任何综述专门从完全脱离电网的角度来评估这些技术。以往的研究要么将研究范围局限于某一种技术路径（如吸附式技术），要么将性能评估置于并网净零能耗建筑的框架之下，要么仅在次要部分提及离网应用。本文则是首篇同时从完全自主、完全脱离电网的角度，全面探讨这些问题的综述。

本文的主要贡献在于揭示了并网运行与自主运行之间的本质差异，因为为其中一种运行方式优化的设计策略往往无法直接应用于另一种方式。虽然现代文献普遍认可太阳能冷却技术的优势，但大多数现有综述仍将其置于并网、“净零”能耗建筑的框架之下，在这种模式下，电网充当“虚拟电池”的角色，用于平衡能源供应的间歇性。因此，真正离网运行所面临的诸多关键工程挑战，如逆变器承受浪涌的能力、为确保完全独立供电而确定的电池容量，以及大容量热储存系统的整合，往往被忽视。本综述的具体目标如下：•评估从太阳能热吸附循环向现代光伏驱动的蒸汽压缩技术的发展历程；•分析能量储存系统的整合方式，比较传统电化学电池与诸如相变材料及冰储存等新兴热储存方案在技术层面和经济层面的优劣；•综合已发表的 Prototype 及实地测试数据，为研究系统在突发电流下的应对能力及可靠性提供实际验证，而这些内容在纯粹的仿真研究中往往缺失；•评估这些技术在住宅舒适度、医疗物品保存以及农业冷藏等多个领域的应用性能；•确定其气候适应性，探讨地理因素及季节变化，尤其是寒冷地区或高纬度地区的特殊条件，如何影响离网系统的最佳设计及规模确定。如图1所示，本综述的后续内容将按照从基本原理到特定场景下性能表现的逻辑顺序展开。第2节详细介绍了用于筛选相关研究文献的系统化搜索方法及标准；第3节则建立了分类框架与工作原理，为后续所有分析提供技术基础。在此基础上，第4节重点评估实验原型及实地测试结果，更注重实际性能指标而非理论预测；第5节将这些研究成果应用于不同领域，涵盖住宅用途到新兴的非住宅应用场景；第6节从气候角度进行综合分析，探讨地理与季节因素如何影响不同应用环境下的技术选择与储存策略；最后，第7节总结了现有研究结果，并对该领域的未来发展提出了展望。