在缅甸的土瓦星蓝宝石酒店，客人们在凉爽的空调环境中一边啜饮椰汁，一边享受着潮湿的热带夜晚。在西边七千公里外的苏丹喀土穆干燥地区，病人们在联合国医院里休息，免受炙热沙漠的煎熬。
这两栋建筑物里宜人的环境都得益于空调机组，这些机组部分依赖于将阳光转化为冷却能力的黑色玻璃管。这些不是我们熟悉的、收集光线发电的太阳能电池板。相反，它们利用太阳的热量，通过巧妙的热力学技巧来冷却建筑物。研究人员和一些能源专家表示，这种被称为太阳能热的冷却方式可能有助于满足全球对能源密集型空调燃料日益增长的需求。政府间气候变化专门委员会预测，到2100年，为冷却提供电力所需的电力将飙升至2000年的30多倍。
研究小组希望太阳能热技术正接近一个关键转折点，他们在全球越来越多的酒店、购物中心和其他建筑物中展示他们的系统。如今，大约有1200个装置——是十年前总数的10倍以上。生产太阳能热冷却器的公司表示，根据安装的类型和规模，它们使用的电力比大多数建筑物中运行的传统空调少30-90%。研究人员正在努力使这些系统更高效、更便宜。
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但是，这项技术面临着艰巨的障碍，一些专家怀疑，在一个每年新增1亿台依靠电力驱动的压缩机运行的传统空调的世界里，它是否会永远只是一种小众产品。法国佩皮尼昂的太阳能技术公司Tecsol的工程师丹尼尔·穆尼耶说，太阳能热冷却器的成本太高了，通常是传统冷却器的五倍左右。他说，尽管价格正在下降，但该技术缺乏使其更具竞争力的补贴和投资。
他补充说，这很可惜，因为热力系统有几个优点。它们可以降低电网的峰值需求，减少停电和对污染更严重的能源的需求。它们也很安静，通常使用环保的制冷剂——这一点在10月份变得更加重要，当时170多个国家同意逐步淘汰大多数空调和冰箱中使用的氢氟烃化学品。而且，在对冷却需求最高的地方，太阳热量供应充足。“这简直就像天作之合，”伦敦帝国理工学院的太阳能研究员克里斯托斯·马基迪斯说。
一切都在相变中
空调的关键是蒸发：当液体从周围环境中吸收能量并改变相态蒸发成气体时，就会发生冷却。这就是汗水冷却我们身体的方式，它也发生在几乎所有的空调中，从小型的窗式机到用于冷却卡塔尔大型建筑的8米长的大型机。
在现代电动空调中，液体制冷剂通过一个小喷嘴被压入一个大的腔室。这会导致其压力骤降，从而迅速蒸发并带走室内空气中的热量。然后，气体制冷剂进入另一个腔室，在那里，一个由电力驱动的机械压缩机挤压气体，进一步提高其温度。然后，热气态制冷剂通过冷凝器（通常是薄管的盘管），在那里它变回液体并将热量排出室外。然后将液体制冷剂喷回蒸发室，循环往复。
新加坡公司Ecoline的联合创始人科林·迟解释说，之所以需要挤压气体，是因为为了有效地向室外散发热量，制冷剂在进入冷凝器之前必须非常热。Ecoline公司开发了星蓝宝石酒店的空调系统。在电动装置中，这是通过机械方式完成的。但是，还有另一种方法——简单地利用热量。
最早的基于此原理建造的空调之一是1878年在巴黎世界博览会上推出的，它燃烧木材来供应热量。奥地利格拉茨一家专门从事大型太阳能热冷却和供暖系统的公司SOLID的首席执行官克里斯蒂安·霍尔特说，这是一台“令人惊叹的旧机器”。这些被称为吸收式制冷机的设备利用太阳的热量将制冷剂从溶液中煮出来——通常是盐溶液中的水，或水中的氨气。然后，气体制冷剂经历与压缩系统中类似的冷凝和蒸发阶段。
霍尔特说，压缩主导市场是因为“它很容易购买、插入和启动”。但是，早在20世纪80年代，人们越来越担心压缩式空调中使用的消耗臭氧层的制冷剂，这重新燃起了人们对热力系统的兴趣。然而，它们从未流行起来，因为它们无法与廉价电力驱动的空调竞争，而且它们的热源——燃烧生物质或天然气——难以管理。
太阳的热量没有这些问题。在现代太阳能热系统中，特殊的收集管或板吸收太阳光线中的能量，然后将热量传递给吸收式制冷机。到目前为止，SOLID已经在10个国家的18所学校、办公室和仓库中安装了大型系统。其中一个，迄今为止世界上最大的太阳能热冷却系统，自2014年以来一直在为亚利桑那州的一所高中降温，那里的空调通常占年度电费的很大一部分。
学术研究人员和公司也在尝试以其他方式提高性能。大多数吸收式制冷机（包括SOLID的）将制冷剂加热到约80°C。如果温度可以提高到120-170°C，那么会有更多的制冷剂同时以气态形式蒸发并在系统中循环，从而使机组更有效率。
这意味着太阳能集热器必须更有效地集中太阳的热量。一些专门的集热器可以跟踪太阳并达到高达400°C的温度，但它们很昂贵。为了开发一种更便宜的替代品，加州大学默塞德分校的工程师罗兰·温斯顿领导的团队正在改进集热管的设计。该团队的管道包含一个特殊的金属部件，可将热量快速传递到内铜管中的乙二醇液体。
温斯顿的团队还在外管下方放置了弯曲的反射材料片，这有助于它们在太阳穿过天空时收集太阳能。该系统可以将乙二醇加热到200°C，并且现在正在用不同的制冷机进行测试。
其他团队正在放弃吸收式制冷机，构建全新的系统。由澳大利亚纽卡斯尔联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的斯蒂芬·怀特领导的一个小组开发了一种干燥剂轮系统，自2016年6月以来，该系统一直在为维多利亚州巴拉瑞特的一个购物中心降温。首先，环境空气通过一个缓慢旋转的轮子，该轮子包含一种吸附水分的材料，使空气变得又热又干燥。这种干燥的空气进入一个腔室，在那里它会使水蒸发，从而降低温度。然后，将冷却的潮湿空气用于冷却来自建筑物的空气，该空气通过单独的管道运行。然后将潮湿的空气排出室外，并利用太阳热量干燥轮子中的吸湿材料。
堪培拉的一位私人太阳能顾问迈克·丹尼斯说，新的方法是必要的，因为吸收式制冷机价格昂贵且结构复杂。“它们没有任何意义，”他说。 使用光伏面板将阳光转化为电力更容易，然后电力可以运行标准的压缩式空调。光伏发电价格的下降使这种系统越来越有吸引力。
穆尼耶说，光伏发电现在受益于规模经济，以及太阳能热技术所没有的大量政府补贴和投资。“我担心竞争是不公平的。”
另一种方法是创建一个混合系统：一种传统的电动压缩机，利用太阳的热量来帮助耗能的压缩机。星蓝宝石酒店的Ecoline空调系统就是一个例子。
为了创建该系统，迟在每个太阳能集热管中插入了一个U形铜环，然后将铜管连接成一个长带。管道内的乙二醇将热量从管道快速传递到乙二醇罐。另一组包含制冷剂的铜管穿过水箱，加热制冷剂。然后，制冷剂通过压缩机。由于它已经非常热了，因此比标准系统更容易变成气体。
该公司已在6个国家安装了1000多个空调机组，并将于2018年中为新加坡南洋理工大学的宿舍安装空调。Ecoline表示，在并排测试中，与标准的高效空调相比，其空调节省了35%的能源。迟说，混合系统的安装成本高出15%，但运行成本更低，并且根据新加坡的电价，可以在2年内收回额外的费用。
支持者们相信，如果太阳能热市场扩大，成本将会大幅下降。温斯顿的博士后姜伦指出，在20世纪90年代，用于太阳能热水加热的真空管每米成本超过100美元，但由于中国广泛使用这些系统所推动的大规模生产，现在的成本仅为2-3美元。
其他人则说，热技术可以获取光伏发电无法获取的废热，因为光伏发电只能收集光线。它们可以吸收在炎热的城市、工业工厂和数据中心中积聚的能量。实际上，Ecoline目前正与印度尼西亚的一家数据中心管理公司合作，利用其自身的废热为设施降温。
迟说，这种方法在热力学上是合理的。“越热越好。”
本文经许可转载，首次发表于2017年1月31日。