在緬甸的土瓦星藍寶石酒店，客人們在涼爽的空調環境中一邊啜飲椰汁，一邊享受著潮溼的熱帶夜晚。在西邊七千公里外的蘇丹喀土穆乾燥地區，病人們在聯合國醫院裡休息，免受炙熱沙漠的煎熬。
這兩棟建築物裡宜人的環境都得益於空調機組，這些機組部分依賴於將陽光轉化為冷卻能力的黑色玻璃管。這些不是我們熟悉的、收集光線發電的太陽能電池板。相反，它們利用太陽的熱量，透過巧妙的熱力學技巧來冷卻建築物。研究人員和一些能源專家表示，這種被稱為太陽能熱的冷卻方式可能有助於滿足全球對能源密集型空調燃料日益增長的需求。政府間氣候變化專門委員會預測，到2100年，為冷卻提供電力所需的電力將飆升至2000年的30多倍。
研究小組希望太陽能熱技術正接近一個關鍵轉折點，他們在全球越來越多的酒店、購物中心和其他建築物中展示他們的系統。如今，大約有1200個裝置——是十年前總數的10倍以上。生產太陽能熱冷卻器的公司表示，根據安裝的型別和規模，它們使用的電力比大多數建築物中執行的傳統空調少30-90%。研究人員正在努力使這些系統更高效、更便宜。
支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來關於塑造當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
但是，這項技術面臨著艱鉅的障礙，一些專家懷疑，在一個每年新增1億臺依靠電力驅動的壓縮機執行的傳統空調的世界裡，它是否會永遠只是一種小眾產品。法國佩皮尼昂的太陽能技術公司Tecsol的工程師丹尼爾·穆尼耶說，太陽能熱冷卻器的成本太高了，通常是傳統冷卻器的五倍左右。他說，儘管價格正在下降，但該技術缺乏使其更具競爭力的補貼和投資。
他補充說，這很可惜，因為熱力系統有幾個優點。它們可以降低電網的峰值需求，減少停電和對汙染更嚴重的能源的需求。它們也很安靜，通常使用環保的製冷劑——這一點在10月份變得更加重要，當時170多個國家同意逐步淘汰大多數空調和冰箱中使用的氫氟烴化學品。而且，在對冷卻需求最高的地方，太陽熱量供應充足。“這簡直就像天作之合，”倫敦帝國理工學院的太陽能研究員克里斯托斯·馬基迪斯說。
一切都在相變中
空調的關鍵是蒸發：當液體從周圍環境中吸收能量並改變相態蒸發成氣體時，就會發生冷卻。這就是汗水冷卻我們身體的方式，它也發生在幾乎所有的空調中，從小型的窗式機到用於冷卻卡達大型建築的8米長的大型機。
在現代電動空調中，液體制冷劑透過一個小噴嘴被壓入一個大的腔室。這會導致其壓力驟降，從而迅速蒸發並帶走室內空氣中的熱量。然後，氣體制冷劑進入另一個腔室，在那裡，一個由電力驅動的機械壓縮機擠壓氣體，進一步提高其溫度。然後，熱氣態製冷劑透過冷凝器（通常是薄管的盤管），在那裡它變回液體並將熱量排出室外。然後將液體制冷劑噴回蒸發室，迴圈往復。
新加坡公司Ecoline的聯合創始人科林·遲解釋說，之所以需要擠壓氣體，是因為為了有效地向室外散發熱量，製冷劑在進入冷凝器之前必須非常熱。Ecoline公司開發了星藍寶石酒店的空調系統。在電動裝置中，這是透過機械方式完成的。但是，還有另一種方法——簡單地利用熱量。
最早的基於此原理建造的空調之一是1878年在巴黎世界博覽會上推出的，它燃燒木材來供應熱量。奧地利格拉茨一家專門從事大型太陽能熱冷卻和供暖系統的公司SOLID的執行長克里斯蒂安·霍爾特說，這是一臺“令人驚歎的舊機器”。這些被稱為吸收式製冷機的裝置利用太陽的熱量將製冷劑從溶液中煮出來——通常是鹽溶液中的水，或水中的氨氣。然後，氣體制冷劑經歷與壓縮系統中類似的冷凝和蒸發階段。
霍爾特說，壓縮主導市場是因為“它很容易購買、插入和啟動”。但是，早在20世紀80年代，人們越來越擔心壓縮式空調中使用的消耗臭氧層的製冷劑，這重新燃起了人們對熱力系統的興趣。然而，它們從未流行起來，因為它們無法與廉價電力驅動的空調競爭，而且它們的熱源——燃燒生物質或天然氣——難以管理。
太陽的熱量沒有這些問題。在現代太陽能熱系統中，特殊的收集管或板吸收太陽光線中的能量，然後將熱量傳遞給吸收式製冷機。到目前為止，SOLID已經在10個國家的18所學校、辦公室和倉庫中安裝了大型系統。其中一個，迄今為止世界上最大的太陽能熱冷卻系統，自2014年以來一直在為亞利桑那州的一所高中降溫，那裡的空調通常佔年度電費的很大一部分。
學術研究人員和公司也在嘗試以其他方式提高效能。大多數吸收式製冷機（包括SOLID的）將製冷劑加熱到約80°C。如果溫度可以提高到120-170°C，那麼會有更多的製冷劑同時以氣態形式蒸發並在系統中迴圈，從而使機組更有效率。
這意味著太陽能集熱器必須更有效地集中太陽的熱量。一些專門的集熱器可以跟蹤太陽並達到高達400°C的溫度，但它們很昂貴。為了開發一種更便宜的替代品，加州大學默塞德分校的工程師羅蘭·溫斯頓領導的團隊正在改進集熱管的設計。該團隊的管道包含一個特殊的金屬部件，可將熱量快速傳遞到內銅管中的乙二醇液體。
溫斯頓的團隊還在外管下方放置了彎曲的反射材料片，這有助於它們在太陽穿過天空時收集太陽能。該系統可以將乙二醇加熱到200°C，並且現在正在用不同的製冷機進行測試。
其他團隊正在放棄吸收式製冷機，構建全新的系統。由澳大利亞紐卡斯爾聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）的斯蒂芬·懷特領導的一個小組開發了一種乾燥劑輪系統，自2016年6月以來，該系統一直在為維多利亞州巴拉瑞特的一個購物中心降溫。首先，環境空氣透過一個緩慢旋轉的輪子，該輪子包含一種吸附水分的材料，使空氣變得又熱又幹燥。這種乾燥的空氣進入一個腔室，在那裡它會使水蒸發，從而降低溫度。然後，將冷卻的潮溼空氣用於冷卻來自建築物的空氣，該空氣透過單獨的管道執行。然後將潮溼的空氣排出室外，並利用太陽熱量乾燥輪子中的吸溼材料。
堪培拉的一位私人太陽能顧問邁克·丹尼斯說，新的方法是必要的，因為吸收式製冷機價格昂貴且結構複雜。“它們沒有任何意義，”他說。 使用光伏面板將陽光轉化為電力更容易，然後電力可以執行標準的壓縮式空調。光伏發電價格的下降使這種系統越來越有吸引力。
穆尼耶說，光伏發電現在受益於規模經濟，以及太陽能熱技術所沒有的大量政府補貼和投資。“我擔心競爭是不公平的。”
另一種方法是建立一個混合系統：一種傳統的電動壓縮機，利用太陽的熱量來幫助耗能的壓縮機。星藍寶石酒店的Ecoline空調系統就是一個例子。
為了建立該系統，遲在每個太陽能集熱管中插入了一個U形銅環，然後將銅管連線成一個長帶。管道內的乙二醇將熱量從管道快速傳遞到乙二醇罐。另一組包含製冷劑的銅管穿過水箱，加熱製冷劑。然後，製冷劑透過壓縮機。由於它已經非常熱了，因此比標準系統更容易變成氣體。
該公司已在6個國家安裝了1000多個空調機組，並將於2018年中為新加坡南洋理工大學的宿舍安裝空調。Ecoline表示，在並排測試中，與標準的高效空調相比，其空調節省了35%的能源。遲說，混合系統的安裝成本高出15%，但執行成本更低，並且根據新加坡的電價，可以在2年內收回額外的費用。
支持者們相信，如果太陽能熱市場擴大，成本將會大幅下降。溫斯頓的博士後姜倫指出，在20世紀90年代，用於太陽能熱水加熱的真空管每米成本超過100美元，但由於中國廣泛使用這些系統所推動的大規模生產，現在的成本僅為2-3美元。
其他人則說，熱技術可以獲取光伏發電無法獲取的廢熱，因為光伏發電只能收集光線。它們可以吸收在炎熱的城市、工業工廠和資料中心中積聚的能量。實際上，Ecoline目前正與印度尼西亞的一家資料中心管理公司合作，利用其自身的廢熱為設施降溫。
遲說，這種方法在熱力學上是合理的。“越熱越好。”
本文經許可轉載，首次發表於2017年1月31日。