太阳能冷却技术：热驱动和光伏驱动系统的比较综述、成熟度与部署挑战

《Energy Conversion and Management-X》：Solar cooling technologies: a comparative review of thermal-driven and PV-driven systems, maturity, and deployment challenges

　　

在炎热、阳光充足地区日益增长的冷却需求越来越多地由传统的电力驱动空调来满足，这加剧了电网压力、化石燃料消耗和温室气体排放。太阳能冷却是一种气候匹配良好的替代方案，因为太阳能的可用性通常与冷却负荷同时达到峰值。然而，该领域包含非常不同的热驱动和光伏（PV）驱动路径，其性能、成熟度和部署障碍很少在共同基础上进行比较，这是本综述解决的问题。采用结构化叙述性综述方法，筛选了过去三十年中具有代表性的太阳能冷却研究同行评审论文。所选研究被分为热驱动和电驱动两个类别，并使用一致的指标进行批判性比较，包括性能系数（COP）、驱动温度、冷却能力、集热器类型、存储需求、成本、技术成熟度和应用规模。本综述确定太阳能吸收式制冷是最成熟且部署最广泛的热驱动选项，这得益于其相对较高的COP（通常为0.6–1.3）以及适用于中大型建筑应用。尽管吸附式和除湿系统能够实现低品位热运行和湿度控制，但它们受到更大系统占地面积和较低COP的限制。热机械系统由于效率低而仍局限于实验和中试规模，而光伏驱动冷却作为一种模块化、商业成熟的替代方案正在迅速普及，其主要限制在于间歇性和存储成本。本综述的新颖之处在于基于一组一致的技术层面指标（驱动温度、冷却能力、集热器类型、存储需求、循环级COP、成本和成熟度）对热驱动和光伏驱动太阳能冷却技术的全谱系进行比较，并将特定技术的障碍与具体的研究空白和面向利益相关者的建议联系起来，以加速太阳能冷却的部署。

**Introduction**
论文首先指出，过去几十年生活方式和建筑模式的转变使冷却系统从奢侈品变为必需品，导致电力需求持续攀升，进而加剧化石燃料消耗和温室气体排放。能源管理策略（如热回收）和可再生能源利用（如太阳能、风能、地热能和生物质能）是降低能耗的关键途径。太阳能冷却技术（包括空间冷却和制冷）具有广阔前景，可通过热驱动或电驱动方式实现。尽管已有大量综述分别分析了吸收式、吸附式、除湿式或光伏驱动冷却，但少有研究在统一的性能、成熟度和部署准备度指标下对热驱动和光伏驱动技术进行并行比较。本文旨在填补这一空白，通过结构化叙述性综述方法，比较五种主要技术家族在性能系数（COP）、驱动温度、应用规模、技术成熟度和部署障碍方面的差异，并据此提出研究空白和面向利益相关者的建议。

**Methodology of research**
采用结构化叙述性综述方法，从同行评审期刊、综述论文、实验和数值研究以及技术经济评估中筛选相关文献。搜索关键词包括“solar cooling”、“absorption cooling”、“adsorption cooling”、“desiccant cooling”、“ejector cooling”、“Rankine cooling”和“PV-driven cooling”。优先选择提供系统配置、运行原理、输入能源、性能指标、应用规模、成熟度和实际限制信息的文献。所选研究被分为热驱动和电驱动两类，并基于驱动温度、COP、应用规模、集成复杂性、技术成熟度和部署障碍等一致指标进行比较分析。文献检索在Scopus、Web of Science和ScienceDirect数据库中进行，并辅以Google Scholar，时间范围覆盖1997年至2026年。最终100篇研究被纳入，代表主要系统家族和研究趋势。

**Principle of solar cooling systems**
太阳能冷却可通过两种途径实现：太阳能转化为热能驱动热驱动制冷循环，或通过光伏（PV）面板转化为电能驱动电驱动制冷循环。两种系统均可通过能量平衡框架进行评估，其中性能系数（COP）定义为其冷却能力与驱动能量输入之比。对于热驱动系统，热COP（COP_th）为蒸发器冷却能力与发生器热能输入之比；对于光伏驱动系统，电COP（COP_el）为蒸发器冷却能力与压缩机电力输入之比。整体太阳能-冷却效率（COP_solar）则需考虑集热器或光伏模块的效率。论文强调，高循环级COP不一定对应高整体太阳能-冷却效率，因为上游集热器效率可能较低。

**Components of solar cooling system**
常规太阳能冷却系统主要由太阳能集热器、热排斥回路和热能存储组成。集热器类型包括平板集热器（FPC，30–70°C）、真空管集热器（ETC，80–120°C）、复合抛物面聚光器（CPC，100–150°C）和抛物面槽式集热器（PTC，150–400°C），集热器选择直接限制了可用的冷却循环类型。存储系统用于应对太阳能间歇性，可选择热侧（热水或相变材料PCM）或冷侧（冷水或冰）存储，其中热侧存储更简单但体积较大，相变材料（PCM）提供高能量密度但成本较高，热化学存储仍处于实验室/中试阶段。热排斥单元（湿式冷却塔、干式换热器或地热耦合系统）影响COP和水耗，性能高度依赖气候。辅助和控制组件包括辅助能源（燃气锅炉或电网电力）、循环泵、阀门和控制器，先进控制策略（如模型预测控制）仍不成熟。

**Classification of solar cooling systems**
太阳能冷却系统主要分为热驱动和电驱动两类。热驱动系统包括闭式循环（吸收式、吸附式、扩散式）和开式循环（除湿冷却）以及热机械式（喷射式、有机朗肯循环式）。电驱动系统为光伏驱动蒸气压缩循环。

**Solar absorption system**
吸收式制冷利用吸收剂和制冷剂工作对（如H₂O-LiBr和NH₃-H₂O），通过热压缩机（发生器、吸收器和循环泵）替代机械压缩机。单效吸收式（驱动温度70–100°C，COP 0.7–0.8）适用于中大型建筑；双效吸收式（130–160°C，COP 1.0–1.5）需要更高温度集热器；半效吸收式（90°C，COP 0.3–0.4）成本较低。H₂O-LiBr工作对低输入温度、低成本、COP 0.6–0.8，但蒸发器温度不能低于5°C；NH₃-H₂O工作对适用于制冷，COP 0.5–0.6，但需要更高温度。文献中已有案例分析（如Muye等人在西班牙塞维利亚和印度金奈的氨水吸收功率与冷却系统；Akhtar等人在巴基斯坦拉合尔包装设施的可行性研究；Agrouaz等人在摩洛哥气候下的能量性能研究）。系统可附加制冷剂或热水存储，以提高COP并减少集热器面积。双效和半效系统的流程图分别描述了高低压发生器、热交换器和蒸发器的连接。

**Solar adsorption system**
吸附式制冷利用多孔固体吸附剂（如硅胶-水、沸石-水、活性炭-氨或甲醇）物理吸附制冷剂蒸气，通过太阳能加热使制冷剂解吸、冷凝、蒸发，再被吸附床重新吸附，循环提供冷却。典型工作对为水/硅胶。文献综述（如Sah等人对硅胶和活性炭吸附系统的评述；Hassan等人对吸附状态方程的评述；Goyal等人对印度太阳能吸附应用的研究）指出，吸附式系统可被低品位热源驱动，但系统体积大、COP低，仍处于早期商业化/中试阶段。

**Thermal solar cooling: Open cycle desiccant cooling system**
除湿冷却基于除湿-加湿过程，利用固体（如沸石、硅胶）或液体（如LiBr、LiCl、CaCl₂）除湿剂降低空气湿度，再通过蒸发冷却提供冷量。固体除湿系统包括除湿转轮、热回收转轮和加湿器；液体除湿系统包括除湿器、再生热源和冷却单元。文献（如Ge等人对旋转除湿轮系统的综述；Jani等人对固体除湿冷却系统的综述；Rambhad等人对不同固体除湿剂的比较研究；Buker和Riffat对液体除湿冷却系统的综述）表明，除湿冷却系统适用于湿热气候下的湿度控制和通风，但系统设计复杂、性能高度依赖气候，且存在结晶风险（液体除湿剂）。

**Thermomechanical cooling**
热机械冷却将太阳能热能转化为机械功，驱动蒸气压缩循环。喷射式冷却系统利用喷射器替代机械压缩机，通过高压蒸气引射低压蒸气，COP较低（约0.2–0.4）。有机朗肯循环（ORC）式冷却系统利用太阳能加热工质，驱动膨胀机产生机械功，再驱动压缩机，循环COP为0.3–0.5。文献（Varga等人对可变几何喷射器系统的实验研究；Bellos和Tzivanidis对五种制冷剂的优化分析；Huang等人使用R141b的高性能喷射器系统；Aboelwafa等人对ORC发电的综述；Hu等人对ORC-蒸气压缩制冰机的热力学模型；Wu等人对立面集成ETC-ORC-VCC系统的技术经济优化）表明，热机械系统效率低、商业成熟度低，主要局限于实验和中试规模。

**Electric solar cooling: Photovoltaic**
光伏驱动冷却采用传统蒸气压缩循环，由光伏阵列供电。系统包括光伏模块、电池、逆变器和蒸气压缩空调单元。电池用于存储能量并在无日照时放电。文献（如El-Bahloul等人对直流电机光伏冰箱在干旱地区的实验研究；Thorat等人对太阳跟踪和冷却系统对光伏性能影响的综述；Sahay等人对光伏面板中央冷却系统的研究）表明，光伏驱动冷却系统模块化、商业成熟，适合中小型分散式应用，但间歇性和储能成本是主要限制。

**Comparison and discussion**
论文基于一致指标（表7）和代表性研究（表8）对五种技术家族进行了比较。吸收式制冷具有最高的COP和商业成熟度，适用于中大型建筑；吸附式制冷可运行于低品位热，但COP低、体积大；除湿冷却适用于湿热气候下的湿度控制；热机械系统效率低，仍处于实验阶段；光伏驱动冷却利用光伏成本下降趋势，但受限于间歇性和储能。表7总结了各技术的驱动温度、集热器类型、冷却容量范围、典型循环级COP、存储需求、成熟度和相对成本。表8以代表性研究为例，显示了不同技术的应用规模、COP范围和主要限制。论文指出，没有单一技术适用于所有场景，选择取决于气候、需求、资源和成本。吸收式制冷适用于大型热应用，光伏驱动冷却在分散式电力系统中日益流行，吸附式、除湿和热机械系统仍需成本降低和性能改进。表9展示了1995年至2020年后的技术时间演变趋势，从早期可行性研究发展到性能优化、技术经济分析，再到近期混合系统、先进控制和光伏驱动冷却。

**Pros of solar cooling technology**
太阳能冷却技术的优势包括：太阳能可用性与冷却负荷的良好匹配，可降低峰值电力需求和电网压力；长期运行成本降低；减少化石燃料消耗和温室气体排放（生命周期评估显示温室气体减排40–70%）；在偏远或弱电网地区增强能源安全。表10列出了主要优势及其实际影响，包括操作磨损减少、能源匹配、经济性、环境效益和韧性。

**Barriers for utilizing solar cooling technologies**
主要障碍包括：高初始资本成本，导致支付期较长；技术性能问题（低COP、气候敏感性、系统复杂性、存储需求）；市场和技术障碍（低用户意识、缺乏标准化设计、培训不足）。表11总结了各障碍类别及其对部署的影响和缓解途径。不同技术的限制不同：吸收式系统受限于高成本和热排斥需求；吸附式系统受限于低COP和大体积；除湿系统高度依赖气候；热机械系统效率低；光伏驱动冷却受限于间歇性和储能成本。

**Research gaps and future directions**
关键研究空白包括：缺乏长期实地运行数据；技术经济分析不全面，尤其是生命周期成本；组件性能（如吸附系统热质传递、集热器效率）仍需改进；先进控制策略和混合系统集成不足；缺乏统一的设计指南和标准化评估方法。论文建议未来研究应关注长期监测、标准化报告、新型工作对/吸附剂、混合配置和数字孪生控制策略。

**Conclusions**
太阳能冷却技术可战略性地满足全球增长的空间冷却和制冷需求。吸收式制冷是最成熟、最广泛部署的热驱动方案，适用于中大型建筑；吸附式和除湿系统适用于低品位热或湿度控制，但COP低、体积大；热机械系统仍处于实验规模；光伏驱动冷却凭借模块化和成本下降成为有前景的替代方案，但受限于间歇性和储能。主要挑战包括缺乏长期数据、标准化评估框架以及先进控制和混合设计的集成。

**Recommendations and future perspectives**
建议按利益相关者和时间范围组织：研究人员短期应进行长期实地监测和标准化性能报告，中长期开发新型工作对、混合配置和数字孪生控制；工程师和系统设计者短期优化集热器-制冷机匹配和模块化设计工具，中长期集成智能气候自适应控制；政策制定者短期提供补贴和税收激励，中长期制定标准化设计指南和认证计划，并纳入国家可再生能源政策；行业利益相关者短期培训从业者和认证安装人员，中长期扩大制造规模降低成本，建设示范项目增强市场信心。