太陽能智能生鮮自提柜設(shè)計(jì)

徐 沖，錢劍峰，高欣月，熊 雪，趙 強(qiáng)，荊 瑩

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

太陽能智能生鮮自提柜設(shè)計(jì)

徐 沖，錢劍峰，高欣月，熊 雪，趙 強(qiáng)，荊 瑩

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

智能自提柜應(yīng)用日趨廣泛，但其功能相對(duì)單一，不能存儲(chǔ)大量的生鮮產(chǎn)品，使得產(chǎn)品質(zhì)量缺乏保證。針對(duì)以上現(xiàn)象，對(duì)已有自提柜進(jìn)行研究，并闡述了智能自提柜以及太陽能制冷的發(fā)展現(xiàn)狀，在分析自提柜工作原理與組成的基礎(chǔ)上，對(duì)自提柜制冷系統(tǒng)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，并說明其操作流程與優(yōu)點(diǎn)，為“最后一公里”生鮮產(chǎn)品的配送問題提供了有效的解決方案。

生鮮自提柜；太陽能制冷；二維碼技術(shù)

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)的高度普及，網(wǎng)購(gòu)已然成為一種潮流，它是一種高度信息化時(shí)代的產(chǎn)物。由于網(wǎng)購(gòu)不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，消費(fèi)者可從網(wǎng)上獲得大量的商品信息，省時(shí)省力。隨著線上購(gòu)物平臺(tái)的搭建，網(wǎng)購(gòu)的數(shù)量、種類也逐漸增加和豐富。在傳統(tǒng)快遞收發(fā)過程中，存在諸多問題：手寫快遞單因字跡潦草而出現(xiàn)差錯(cuò)、延遲派送、快遞單浪費(fèi)嚴(yán)重、效率低下；此外，近年來快遞員入室為廣告推銷、騷擾、搶劫等不法行為提供了可乘之機(jī)，使消費(fèi)者面臨個(gè)人信息泄漏的安全隱患[1]?！白詈笠还铩眴栴}在一定程度上制約著快遞企業(yè)的發(fā)展[2]。

國(guó)內(nèi)外的企業(yè)以及學(xué)者都對(duì)“最后一公里”存在的問題進(jìn)行了研究，找到了一種解決方案—智能快遞柜。智能快遞柜是一種基于物聯(lián)網(wǎng)的識(shí)別、暫存、監(jiān)控快件的自助服務(wù)設(shè)施，安置在公眾場(chǎng)合，供快遞員寄存快件和消費(fèi)者提取快件。自投入使用以來，注冊(cè)用戶日趨增加，受到了快遞員、消費(fèi)者、物業(yè)等多方的好評(píng)。但由于我國(guó)在這一方面起步較晚，因此與國(guó)外存在差距[3]。

2 智能自提柜的發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)外，智能自提柜經(jīng)過十多年的發(fā)展，技術(shù)已趨于成熟。早在2012年，DHL國(guó)際快遞就在瑞士的三個(gè)不同地點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試表明注冊(cè)用戶日趨增多[4]。除此之外，美國(guó)的Amanon Locker、加拿大的Boffer Box等均已投入市場(chǎng)多年[5]，日本每棟樓宇都有安置，用來寄存快遞，只有信用卡等貴重物品需由本人簽字，給消費(fèi)者帶來極大便利的同時(shí)也保護(hù)了消費(fèi)者隱私。

在國(guó)內(nèi)，快遞行業(yè)在電子商務(wù)的熏陶下成長(zhǎng)，但信息化、智能化較為落后，因此智能自提柜與國(guó)外有一定的差距。國(guó)內(nèi)較大的電商企業(yè)諸如淘寶、蘇寧易購(gòu)、京東以及聚美等都勇于嘗試智能快遞柜，而且圓通、中通、郵政等物流公司也相繼與智能快遞柜建立了良好的合作關(guān)系[6]。但在具體的運(yùn)營(yíng)過程中仍存在一些問題：一是推廣力度不夠，使用者較少；二是快件的安全難以得到保障；三是自提柜規(guī)格難以與快遞尺寸相吻合[7]。

雖然智能快遞自提柜目前仍處于發(fā)展初期，還有諸多問題有待完善，但就其發(fā)展勢(shì)頭和發(fā)展前景來看，仍具有極高的可行性和有效性，對(duì)于物流行業(yè)未來的發(fā)展將起到舉足輕重的作用，勢(shì)必會(huì)擴(kuò)大其影響領(lǐng)域，帶動(dòng)多方經(jīng)濟(jì)發(fā)展[8]。

3 太陽能制冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

太陽能是一種豐富、清潔的可再生能源，經(jīng)過世界各國(guó)幾十年的不懈努力，太陽能制冷技術(shù)已經(jīng)有了較為完善的發(fā)展，并表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：一是發(fā)達(dá)國(guó)家占據(jù)著太陽能制冷技術(shù)的制高點(diǎn)；二是太陽能制冷技術(shù)的擁有者為企業(yè)，如美國(guó)的Sun Power和德國(guó)的Siemens Solar等企業(yè)在太陽能光伏市場(chǎng)上都有非常強(qiáng)的占有力[9]。

對(duì)于光熱轉(zhuǎn)換的太陽能驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)，目前常見的有兩種技術(shù)形式，即太陽能吸收式制冷和太陽能吸附式制冷[10]。但太陽能吸收式制冷系統(tǒng)占據(jù)空間大，運(yùn)行復(fù)雜，安全系數(shù)低；太陽能吸附式制冷系統(tǒng)需要連接管路，能量損失量大，制冷效率低[11]。

上述兩種制冷技術(shù)比較成熟，但cop值不高，而太陽能光伏制冷技術(shù)融合了光伏發(fā)電技術(shù)和制冷技術(shù)，比普通的制冷設(shè)備更高端。光伏制冷技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）制冷量大，效率高；（2）可以大規(guī)模的利用，減小了用電高峰期電網(wǎng)的壓力；（3）利用太陽能，節(jié)能環(huán)保[12]。太陽能光伏制冷系統(tǒng)根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立光伏制冷系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏制冷系統(tǒng)，目前，美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家大多采取可逆流的并網(wǎng)光伏制冷系統(tǒng)。但是如今的光伏制冷面臨著成本高、光電轉(zhuǎn)化率低下的問題，各國(guó)正積極探索新的解決方案[13]。

除此之外，查閱相關(guān)資料，得知晴天和雨天太陽能光伏電池與蓄電池工作電流和電壓變化狀況，如圖1、圖2所示[14]。由圖可以看出，無論是晴天還是雨天太陽能光伏電池在白天產(chǎn)生的電壓要大于蓄電池所產(chǎn)生的電壓，因此太陽能光伏電池更節(jié)能。

圖1 晴天太陽能光伏電池與蓄電池工作電壓和電流圖

圖2 雨天太陽能光伏電池與蓄電池工作電壓和電流圖

4 太陽能智能生鮮自提柜的基本概況及組成部分

4.1 基本概況

該自提柜的尺寸為145mm×40mm×140mm(長(zhǎng)×寬×高),有效容積為437.5L，制冷系統(tǒng)采用單級(jí)蒸汽壓縮式，制冷工質(zhì)為R134a，其原理圖如圖3所示。

4.2 組成部分

生鮮自提柜由自提柜箱體、PC服務(wù)端、光伏制冷系統(tǒng)以及市電供電系統(tǒng)組成，如圖4所示。自提柜箱體的箱格尺寸大小不一，滿足不同規(guī)格快件的寄存；PC服務(wù)端將快遞員和消費(fèi)者聯(lián)系在一起，并且應(yīng)用二維碼技術(shù)讓快遞員完成快件的寄存和消費(fèi)者取件；并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

圖3 自提柜工作原理圖

圖4 自提柜的組成結(jié)構(gòu)

5 太陽能智能生鮮自提柜制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1 總熱負(fù)荷計(jì)算

熱負(fù)荷包括箱體漏熱量Q1、開門漏熱量Q2、貯物熱量Q3和其他熱量Q4。

5.1.1 箱體漏熱量Q1。箱體漏熱量包括通過箱體隔熱層的漏熱量Qa、通過箱門和門封條的漏熱量Qb、通過箱體積結(jié)構(gòu)形成的漏熱量Qc。

（1）箱體隔熱層的漏熱量Qa。雖然箱體內(nèi)壁塑料板很薄，但其熱阻很大，因此箱體的傳熱過程可視為單層大平壁的傳熱，計(jì)算公式如下：

式中，A—箱體表面積，單位m2；

t1,t2—分別為箱體外空氣溫度及箱體內(nèi)空氣溫度，單位為℃；

K —傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·k）。

傳熱系數(shù)K的計(jì)算公式為：

式中,α1—箱體空氣對(duì)箱體外表面的傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·k）；α2—內(nèi)箱壁面對(duì)箱內(nèi)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為 W/（m2·k）；δ—隔熱層厚度，單位為m；λ—隔熱層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·k)。

為 方 便 計(jì) 算 ，取 α1=10 W/（m2·k） ， α2=20 W/（m2·k），隔熱層厚度取 δ=0.15m ，導(dǎo)熱系數(shù)可取 λ=0.03 W/(m·k)，則 K=0.2 W/(m2·k)。

箱體表面積A=5.62m2，查《制冷工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，以北京地區(qū)為例，t1=32℃,箱體內(nèi)溫度取最低溫度體t2

（2）通過箱門和門封條的漏熱量Qb。由于Qb很難用計(jì)算法計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，取Qb為Qa的15％值，則Qb=15％Qa=0.15×56.2=8.43W。

（3）箱體積結(jié)構(gòu)形成的漏熱量Qc。采用聚氨酯發(fā)泡成型隔熱結(jié)構(gòu)的箱體，無支撐架形成的箱體，因此Qc的值忽略不計(jì)。箱體漏熱量Q1=Qa+Qb=56.2+8.43=64.63W。

5.1.2 開門漏熱量Q2。自提柜開門漏熱量與開門的頻率有關(guān)，通過調(diào)研消費(fèi)者購(gòu)買生鮮產(chǎn)品的頻率以及設(shè)定的箱體個(gè)數(shù)，假設(shè)平均開門次數(shù)為每小時(shí)1～2次，假設(shè)每次開門時(shí)箱外空氣全部交換，則開門漏熱量可用下式計(jì)算：

式中:VA—自提柜內(nèi)容積，單位為m3；n—開門次數(shù)；Δh—自提柜外部空氣溫度達(dá)到箱體內(nèi)溫度時(shí)的比焓差，單位為kJ/kg；γa—空氣的比容，單位為m3/kg。

5.1.3 貯物熱量Q3。自提柜的貯物熱量無明確規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，一般按電冰箱標(biāo)準(zhǔn)中的“制冰能力”項(xiàng)提出的“以電冰箱內(nèi)容積0.5％的25℃水，在2h內(nèi)結(jié)成實(shí)冰”的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，實(shí)冰的溫度按-2～-5℃取值。貯物熱量可按下式計(jì)算：

式中，m—水（冰）的質(zhì)量，單位為kg；C—水的比熱 容 ，C=4.19kJ/（kg·k）；Cb— 冰 的 比 熱 容 ，Cb=2 kJ/（kg·k）；γ—水的凝固熱（冰的溶解熱），γ=333 kJ/kg；t1,t2—水的初始溫度和凍結(jié)終了的溫度，單位為℃。

水的質(zhì)量m=437.5×0.005=2.19kg，水的初始溫度取t1=25℃，實(shí)冰的溫度取t2=-2℃，則Q3=134.37W 5.1.4 其他熱量Q4。其他熱量包括箱內(nèi)照明燈、風(fēng)扇的散發(fā)熱量以及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的散熱量。經(jīng)計(jì)算得：Q4=34.66W。

自提柜的總熱負(fù)荷為Q=1.1（Q1+Q2+Q3+Q4）=288.74W。

5.2 制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算

R134a的換熱性能比R12好，所以在相同的換熱面積情況下，可以降低蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱溫差。本文設(shè)計(jì)時(shí)為便于壓縮機(jī)選型，故選擇其冷凝溫度tk為54.4℃，蒸發(fā)溫度to為-23.3℃。循環(huán)各性能指標(biāo)計(jì)算值見表1。

表1 循環(huán)各性能指標(biāo)

5.3 壓縮機(jī)選型及熱力計(jì)算

設(shè)計(jì)工況參數(shù)見表2。

表2 熱物質(zhì)參數(shù)列表

經(jīng)過計(jì)算得：輸氣系數(shù)λ=0.55；壓縮機(jī)制冷量Q0=0.288kw；壓縮機(jī)電功率Pel=269.62W。

根據(jù)以上求取的壓縮機(jī)理論輸氣量、壓縮機(jī)制冷量、電功率等參數(shù)，參照按R134a制冷工質(zhì)設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)有關(guān)規(guī)格參數(shù)表，現(xiàn)選擇丹佛斯生產(chǎn)的R134a壓縮機(jī)，型號(hào)為SC15G，額定制冷量為314W，輸入功率為385W，電源電壓240V、60Hz。

5.4 板式蒸發(fā)器

由自提柜的機(jī)器負(fù)荷可知，-18℃工作下壓縮機(jī)的制冷量Q0=288W；查《實(shí)用制冷維修工計(jì)算手冊(cè)》，板式換熱器R134a制冷劑傳熱系數(shù)K=3 300～3 500W/（m2·℃）；傳熱溫差為：

式中，t1—載冷劑進(jìn)口溫度，t1=-16.3℃，t2—載冷劑出口溫度，t2=-15℃，t0—蒸發(fā)溫度，t0=-23.3℃,則Δtm=7.65℃，則板式蒸發(fā)器的傳熱面積A=0.011m2。

5.5 板式冷凝器

冷凝器熱負(fù)荷包括制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量及在壓縮過程中所獲得的機(jī)械功所轉(zhuǎn)換的熱量，則Qk=288+269.62=557.62W；查《實(shí)用制冷維修工計(jì)算手冊(cè)》，板式換熱器R134a傳熱系數(shù) K=3 300～3 500W/（m2·℃），傳熱溫差為：

5.6 毛細(xì)管長(zhǎng)度的計(jì)算

自提柜制冷劑采用R134a時(shí)，其毛細(xì)管長(zhǎng)度可先按R12計(jì)算，然后再加以修正。制冷劑的流速可按下式計(jì)算：

計(jì)算得W=11.68m/s,雷諾數(shù)為11 634.37。

管長(zhǎng)公式為：

計(jì)算得L=2.24m。由于制冷工質(zhì)采用R134a后其流量約減少10％-20％，現(xiàn)選取毛細(xì)管長(zhǎng)度增加20％，毛細(xì)管長(zhǎng)度為:L=2.24×1.2m=2.69m

通過以上計(jì)算結(jié)果最終確定制冷系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的型號(hào)和規(guī)格，從而確定太陽能板的面積及蓄電池的大小。

6 太陽能智能生鮮自提柜的操作流程

自提柜的操作流程如圖5所示。

圖5 自提柜的操作流程

7 太陽能智能生鮮自提柜的優(yōu)點(diǎn)

（1）自提柜設(shè)置常溫、冷藏及冷凍三種規(guī)格，滿足不同類型生鮮制品對(duì)溫度的要求。

（2）通過PC服務(wù)端可實(shí)現(xiàn)配送員、消費(fèi)者自助取、配件。遠(yuǎn)程監(jiān)控使整個(gè)操作流程高效、便捷、安全。

（3）將光伏制冷系統(tǒng)與市電供電系統(tǒng)配合使用，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，保證自提柜不間斷運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行將節(jié)約大量的電能，降低使用成本。

（4）壓縮機(jī)采用直流變頻壓縮機(jī)，無需逆變器，可提高能量利用效率，簡(jiǎn)化太陽能發(fā)電系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

（5）蓄電池、控制器與自提柜一體化設(shè)計(jì)，且柜底部裝有滾動(dòng)滑輪，方便移動(dòng)安裝，簡(jiǎn)潔美觀。

8 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有智能快遞柜及太陽能制冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析以及對(duì)新型自提柜的設(shè)計(jì)可知，一方面采取太陽能光伏制冷及輔助發(fā)電，節(jié)能環(huán)保，降低冷鏈物流成本；另一方面，將二維碼技術(shù)應(yīng)用其中，保護(hù)消費(fèi)者隱私。將此自提柜應(yīng)用于快遞終端配送，不僅能幫助消費(fèi)者節(jié)約時(shí)間，降低產(chǎn)品損耗，又能滿足電商快遞高速增長(zhǎng)的需求，更能帶動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，響應(yīng)李克強(qiáng)總理在常務(wù)會(huì)上提出的智慧物流的號(hào)召。雖然光伏制冷面臨著成本高、光電轉(zhuǎn)化率低下的問題，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來看，這將極大地提高人們生活的便利程度，發(fā)展前景較好，因此提出相應(yīng)解決方案尤為重要。

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Design of Solar Powered Intelligent Fresh Product Self-collection Cabinet

Xu Chong,Qian Jianfeng,Gao Xinyue,Xiong Xue,Zhao Qiang,Jing Ying
(School of Energy&Civil Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150028,China)

In this paper,we studied the limitation of the intelligent self-collection cabinet at the current stage,and introduced the development status quo of solar powered refrigeration and the solar powered intelligent fresh product self-collection cabinet.Next based on an analysis of the working principle and composition of the self-collection cabinet,we designed the proper refrigeration system for the cabinet and elaborated on its strength and operational process.

freshproduct self-collectioncabinet;solar powered refrigeration;2D barcodetechnology

U16;F252.14

A

1005-152X(2017)07-0145-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.07.031

2017-05-14

全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610240028）

徐沖，女,河南濮陽人，哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)生；錢劍峰（1979-），通訊作者，男，教授,博士后。