智能型太陽(yáng)能光伏半導(dǎo)體制冷電冰箱設(shè)計(jì)及制作

劉杰等

摘 要：設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能光伏電池驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體制冷冰箱，整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制，電能一部分用于制冷一部分存儲(chǔ)于蓄電池中；同時(shí)設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件電路，編寫(xiě)了相應(yīng)的軟件程序，實(shí)現(xiàn)的溫度控制和制冷要求。該設(shè)計(jì)是一種智能、新型、低碳的電冰箱形式。

關(guān)鍵字：太陽(yáng)能 半導(dǎo)體制冷 電冰箱

中圖分類(lèi)號(hào)：TB6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（a）-0104-02

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是分布式發(fā)電還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池板（組件）、控制器和蓄電池等主要部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件。當(dāng)前，這種發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵元件在于光伏組件的優(yōu)劣。光伏組件（即太陽(yáng)能電池）經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電是太陽(yáng)能發(fā)電的一種形式，它容易實(shí)現(xiàn)、成本低廉、運(yùn)行可靠，已經(jīng)在電力能源中占有一定的比率。在倡導(dǎo)節(jié)能、減排、低碳、環(huán)保的主旋律下，綠色、清潔、可持續(xù)發(fā)展的太陽(yáng)能是今后能源的主要來(lái)源。太陽(yáng)能將在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷冰箱就是光伏發(fā)電的應(yīng)用形式之一。無(wú)論從世界還是從中國(guó)來(lái)看，常規(guī)能源都是很有限的，中國(guó)的一次能源儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的平均水平，大約只有世界總儲(chǔ)量的10%。太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、相對(duì)的廣泛性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。但是，太陽(yáng)能電池板的生產(chǎn)卻具有高污染、高能耗的特點(diǎn)，這是制造領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在整個(gè)太陽(yáng)能電池板的制造過(guò)程中，將消耗大量的電能和水，污染了環(huán)境也損耗部分能源。同時(shí)，對(duì)于中國(guó)這樣的制造大國(guó)來(lái)說(shuō)，電池板出口越多對(duì)國(guó)內(nèi)的環(huán)境影響就越大。在今后的十幾年中，中國(guó)光伏發(fā)電的市場(chǎng)將會(huì)由分布式發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)。中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮?，配合積極穩(wěn)定的政策扶持，到2030年光伏裝機(jī)容量將達(dá)1億千瓦，年發(fā)電量可達(dá)1 300億千瓦時(shí)，相當(dāng)于少建30多個(gè)大型煤電廠(chǎng)。國(guó)家未來(lái)三年將投資200億補(bǔ)貼光伏業(yè)，中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電又迎來(lái)了新一輪的快速增長(zhǎng)，并吸引了更多的戰(zhàn)略投資者融入到這個(gè)行業(yè)中來(lái)。光伏發(fā)電的各種衍生產(chǎn)品也陸續(xù)產(chǎn)生，滿(mǎn)足了工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活需求。

半導(dǎo)體制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理，該效應(yīng)是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發(fā)現(xiàn)的，即利用由兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時(shí)，在接頭處除焦耳熱以外還會(huì)釋放出某種其它的熱量，而另一個(gè)接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時(shí)，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度成正比，且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān)。半導(dǎo)體制冷片不需要制冷劑，沒(méi)有污染源，工作時(shí)沒(méi)有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)；作為一種電流換能型片件，通過(guò)輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。半導(dǎo)體制冷已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

夏天是陽(yáng)光充足的季節(jié)，也是冰箱使用最為頻繁的時(shí)間。如何將大量的太陽(yáng)能利用起來(lái)達(dá)到制冷的效果？答案就是將太陽(yáng)能發(fā)電與半導(dǎo)體制冷聯(lián)系起來(lái)，設(shè)計(jì)出智能型半導(dǎo)體制冷冰箱，方案可行，效果理想。以下是設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和制作的實(shí)物樣機(jī)。

1 半導(dǎo)體制冷冰箱總體設(shè)計(jì)

冰箱箱體由內(nèi)膽、隔熱層、門(mén)外殼等組成。為了便于攜帶，設(shè)計(jì)的箱體體積較小。考慮到現(xiàn)有光伏電池板的尺寸，設(shè)計(jì)冰箱的大小為600 mm×540 mm×400 mm。半導(dǎo)體制冷冰箱系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、蓄電器、控制器、半導(dǎo)體制冷片、散熱器、檢測(cè)和顯示電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。太陽(yáng)能電池板（Solar panel）是通過(guò)吸收太陽(yáng)光，將太陽(yáng)輻射能通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，大部分太陽(yáng)能電池板的主要材料為“硅”，但因制作成本很大，以至于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。相對(duì)于普通可循環(huán)充電的電池來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池屬于更節(jié)能環(huán)保的綠色產(chǎn)品。因此，選用太陽(yáng)能電池板作為動(dòng)力源是可以達(dá)到低碳、環(huán)保的效果。要想達(dá)到很好的制冷效果，對(duì)材料的保溫性能有一定的要求。在參照現(xiàn)有冰箱的保溫材料的同時(shí)，選擇以泡沫盒作為內(nèi)殼，外加聚氨酯材料作為內(nèi)外層填充物，增強(qiáng)保溫效果。冰箱門(mén)采用有機(jī)玻璃，透過(guò)其可以看到物體在冰箱內(nèi)制冷的情形。

2 半導(dǎo)體制冷冰箱硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行，硬件設(shè)計(jì)是保證。該設(shè)計(jì)包含的硬件有控制器、半導(dǎo)體制冷片、散熱裝置、溫度傳感器、檢測(cè)電路和蓄電池等。核心器件是控制器，考慮到成本和通用性，該設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)作為微處理器。選擇MC9S12XS128微處理器為核心控制處理單元，MC9S12XS128單片機(jī)是Freescale系列中高性能低功耗的16位處理器，處理速度較51單片機(jī)要快，內(nèi)部集成很多資源，有ADC轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)器、脈寬調(diào)制輸出PWM，具有高可靠性、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

供電電路是保證半導(dǎo)體制冷器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。根據(jù)電池板的規(guī)格參數(shù)和蓄電池的充放電電壓，選用的半導(dǎo)體制冷片的型號(hào)為T(mén)EC1-12705，其正常工作電壓為12 V，最大工作電流為5 A，最大溫差67 ℃，尺寸為40 mm×40 mm×4 mm。半導(dǎo)體制冷片一般都是由直流電流提供電源，可以實(shí)現(xiàn)制冷又可以實(shí)現(xiàn)制熱，通過(guò)改變直流電流的極性來(lái)改變制冷片實(shí)現(xiàn)制冷或制熱，最大制冷量為40 W。圖2為半導(dǎo)體制冷器的供電電路及充電電路。該設(shè)計(jì)主要是利用半導(dǎo)體制冷片的制冷效果，采用MC9S12XS128單片機(jī)芯片的PWM功能，通過(guò)光耦開(kāi)關(guān)控制Q3的通斷，以達(dá)到對(duì)制冷片輸入電壓的控制，進(jìn)而控制其冷端的工作溫度。

如圖2所示，其中ZLP為半導(dǎo)體制冷片。在實(shí)際的電路工作時(shí)，為保證制冷效果，將Q3的集電極電流保持在5 A以上，以滿(mǎn)足制冷片的工作電流，達(dá)到充分制冷。后續(xù)電路是一個(gè)充電電路，可以為手機(jī)、PAD、充電寶等充電。R5、R6、D2、Q2等組成限壓電路，以保護(hù)電池不被過(guò)充電，這里以3.6 V手機(jī)電池為例，其充電限制電壓為4.2 V。在電池的充電過(guò)程中，電池電壓逐漸上升，當(dāng)充電電壓大于4.2 V時(shí)，經(jīng)R5、R6分壓后穩(wěn)壓二極管D2開(kāi)始導(dǎo)通，使Q2導(dǎo)通，Q2的分流作用減小了Q1的基極電流，從而減小了VT1的集電極電流Ic，達(dá)到了限制輸出電壓的作用。這時(shí)電路停止了對(duì)電池的大電流充電，用小電流將電池的電壓維持在4.2 V。

半導(dǎo)體制冷片冷端的制冷效果與熱端的散熱有著密切的關(guān)系，熱端的散熱越好，制冷片的制冷效果就越好。該設(shè)計(jì)中采用風(fēng)冷。在制冷片熱端加裝風(fēng)扇，利用空氣流動(dòng)加強(qiáng)散熱，改善制冷效果。經(jīng)過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，該方式散熱效果良好。

3 半導(dǎo)體制冷冰箱系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示，上電初始化后接著控制器啟動(dòng)內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換器，采樣制冷片前段的輸入電壓。若電壓穩(wěn)定且能保證制冷片工作，則半導(dǎo)體制冷片首先工作?？刂破魍ㄟ^(guò)檢測(cè)電壓和電流，計(jì)算出相應(yīng)的功率與制冷器比較，當(dāng)制冷穩(wěn)定工作，電能有富余時(shí)，啟動(dòng)蓄電池進(jìn)行充電。同時(shí)自帶的智能充電電路也開(kāi)始工作。蓄電池充電有防過(guò)充措施，智能充電可以方便于手機(jī)、PAD、MP3等設(shè)備的充電。

系統(tǒng)中有溫度檢測(cè)模塊，該模塊除了顯示溫度，還為控制器提供溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度值大于設(shè)定值時(shí)，控制器調(diào)節(jié)PWM，加大制冷效果，直到溫度值達(dá)到平衡為止。

通過(guò)設(shè)計(jì)和制作一臺(tái)智能型光伏半導(dǎo)體冰箱樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)裝置的頂端是太陽(yáng)能電池板，主要提供動(dòng)力能源。四根螺桿作為支撐柱子，具有一定抗壓能力。中間有分隔板將冰箱空間分成兩部分，制冷片、散熱器、蓄電池及控制器等安裝在一端，另一端作為儲(chǔ)藏空間。整個(gè)內(nèi)部空間用保溫材料保護(hù)，最外層用有機(jī)玻璃，透過(guò)其可以看見(jiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

對(duì)該裝置進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論。

（1）在室外環(huán)境為25℃的氣候條件下，樣機(jī)無(wú)負(fù)荷運(yùn)行，箱內(nèi)制冷溫度可以達(dá)到10℃，可以達(dá)到一般的冷藏效果。

（2）智能型光伏半導(dǎo)體冷箱替代傳統(tǒng)冷藏箱，具有方便攜帶、無(wú)毒、無(wú)噪音、無(wú)制冷劑污染、不消耗電網(wǎng)電能、運(yùn)行穩(wěn)定和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

（3）光伏半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)可解決偏遠(yuǎn)山區(qū)、日照充足的高原、沙漠地區(qū)以及夏日沙灘等缺電條件下食品、藥品、飲料等的冷藏保鮮問(wèn)題。盡管當(dāng)前設(shè)計(jì)該產(chǎn)品成本相對(duì)較高、效率較低，但隨著光伏轉(zhuǎn)換效率的提高以及技術(shù)的不斷進(jìn)步半導(dǎo)體制冷效率不斷提升，制造出完美的智能型光伏半導(dǎo)體冰箱是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

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