一種基于太陽(yáng)能發(fā)電的半導(dǎo)體制冷箱*

盛 珺 ， 胡海濤 ， 劉俊峰 ， 李 清 ， 徐瑤瑤

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226001）

1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具，其基本單元是一種半導(dǎo)體熱電偶對(duì)，由一塊P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體連接組成。根據(jù)珀耳帖效應(yīng)，當(dāng)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合成的熱電偶對(duì)中有電流通過(guò)，兩端就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量會(huì)從一端轉(zhuǎn)移至另一端，從而產(chǎn)生溫差，形成冷熱端。溫度升高的一端稱(chēng)為熱端，其電流由P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體；反之，溫度下降的一端稱(chēng)為冷端，電流由N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體[1-4]。當(dāng)電流經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體自身存在的電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，從而影響熱量傳遞。兩個(gè)極板之間的熱量也同樣會(huì)通過(guò)空氣或者半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向的熱量傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定的溫差，這兩種熱傳遞的量相等時(shí)，就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡，正逆向熱傳遞就會(huì)相互抵消，此時(shí)冷熱兩端的溫度就不會(huì)再繼續(xù)發(fā)生變化。半導(dǎo)體制冷片制冷性能的提高，除了與其本身材料和制作工藝有關(guān)外，還與驅(qū)動(dòng)電壓和制冷片散熱方式有關(guān)。風(fēng)扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱，如果通過(guò)主動(dòng)散熱的方式來(lái)降低熱端溫度，那冷端溫度也會(huì)相應(yīng)地下降，從而達(dá)到更低的溫度，使制冷片的制冷效果達(dá)到更好。

2 制冷箱設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)一款可供戶(hù)外使用的太陽(yáng)能制冷箱，包含了半導(dǎo)體制冷片制冷、太陽(yáng)能板發(fā)電、雙蓄電池輪流充放控制、溫度感應(yīng)控制、高效保溫等功能。本產(chǎn)品通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電、半導(dǎo)體制冷片制冷，為戶(hù)外活動(dòng)和工作者等特定人群提供有效的制冷和保鮮，解決了戶(hù)外保鮮難和供電不足等問(wèn)題。使用包含自動(dòng)和手動(dòng)控制的ATMEGA328P-AU高性能控制器，可以達(dá)到手動(dòng)調(diào)控溫度以及精準(zhǔn)自動(dòng)感應(yīng)和調(diào)節(jié)溫度的控制效果，這樣會(huì)大幅減少電量的損耗。同時(shí)，使用自主研發(fā)的雙蓄電池輪流充放控制系統(tǒng)，使續(xù)航能力大大提升。

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整套系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能板、控制器、蓄電池組以及制冷機(jī)組4個(gè)部分，因?yàn)槿侵绷鳈C(jī)組，所以無(wú)須用到逆變器?？刂破鳛樵撓到y(tǒng)的核心單元，主要完成自動(dòng)選擇供電電源（光伏系統(tǒng)供電／220 kV配電網(wǎng)供電）、蓄電池充放電控制、安排切換器工作。發(fā)電單元主要為光伏電源，為了確保意外事故時(shí)可以從主電網(wǎng)獲得應(yīng)急供電，本設(shè)計(jì)將交流220 V配電系統(tǒng)作為光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的備用電源。

2.2 半導(dǎo)體制冷片的選擇

在本產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，選用TEC1-12706型制冷片。因?yàn)樵撝评淦鞘袌?chǎng)使用量最大的制冷片型號(hào)之一，各供應(yīng)廠(chǎng)商這種型號(hào)的制冷片生產(chǎn)量也大，從而降低了生產(chǎn)成本，售價(jià)比其他型號(hào)（規(guī)格）的便宜，且通過(guò)輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，且擁有溫度檢測(cè)和控制手段，可以較為方便地搭配控制器進(jìn)行溫度檢測(cè)與控制。

目前，市面上可供選擇的半導(dǎo)體制冷片較多，大致可分為兩類(lèi)：TEC系列和TES系列。TEC系列每個(gè)元件的面積大于1 mm；TES系列每個(gè)元件的面積小于1 mm。同樣尺寸同樣產(chǎn)冷（或者產(chǎn)熱）功率下，TES的元件數(shù)量要比TEC多，電壓比TEC大，電流也比TEC大。

例如，TEC1－12706制冷片，其型號(hào)含義：“TE”指器件為溫差電制冷器件，“C”指器件為陶瓷板結(jié)構(gòu)，“1”指器件級(jí)數(shù)為1，“127”指制冷片電偶對(duì)數(shù)，“06”指器件最大溫差電流為6 A。

半導(dǎo)體制冷片的選擇是整個(gè)系統(tǒng)能否達(dá)到深度溫控的決定性環(huán)節(jié)，因此，選擇適合此系統(tǒng)的半導(dǎo)體制冷片型號(hào)是十分重要的。

2.3 太陽(yáng)能/儲(chǔ)能系統(tǒng)的選擇設(shè)計(jì)

光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)是整套設(shè)備的關(guān)鍵，關(guān)系到產(chǎn)品的能量來(lái)源以及續(xù)航。

2.3.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

因?yàn)楸井a(chǎn)品主要用于戶(hù)外，選擇離網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。要根據(jù)負(fù)載的功率、用途等決定系統(tǒng)的構(gòu)成，所以本設(shè)計(jì)選用直流負(fù)載蓄電池使用型。在太陽(yáng)能板角度的設(shè)計(jì)上，采用可調(diào)節(jié)的齒輪構(gòu)造，可根據(jù)具體情況來(lái)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的傾角，且太陽(yáng)能板是折疊型的可收縮折疊。

經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)的計(jì)算可得：一日必要的電流量IL=30 A·h/d，必要的太陽(yáng)能電池電流IS=12.5 A。因?yàn)椴捎幂喠鞒浞畔到y(tǒng)，可以節(jié)省部分電量和電池，最終選擇12塊6 V 1 A的太陽(yáng)能電池板，進(jìn)行兩串六并連接。

使用設(shè)備所必要的電流為I（A），一日使用時(shí)間為T(mén)（h）。一日必要的電流量IL=I×T=6×4=24 A·h/d。

安全系數(shù)為0.6，平均日照時(shí)間tS為3 h ~4 h。必要的同樣電池的電流：

2.3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能設(shè)備是整套產(chǎn)品最大的能量?jī)?chǔ)存裝置，如果說(shuō)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是心臟，那這儲(chǔ)能系統(tǒng)就是脂肪，是儲(chǔ)存能量的地方。本產(chǎn)品選擇使用雙蓄電池輪流充放系統(tǒng)，且配備備用電池，以備不時(shí)之需。

離網(wǎng)太陽(yáng)能電源使用兩組電池，此蓄電池主要通過(guò)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行充電，每組由27個(gè)3.7 V 3 000 mAh 18 650高倍率動(dòng)力型充電鋰電池組合而成。單組電池通過(guò)九并三串焊接而成，每個(gè)電池內(nèi)部加裝優(yōu)質(zhì)防爆閥，實(shí)際工作電壓11.1 V且容量為27 Ah，并安裝自主研制的充電保護(hù)系統(tǒng)。蓄電池組將光伏板產(chǎn)生的電存儲(chǔ)起來(lái)，并有目的地向負(fù)載輸送，且同時(shí)可以外接家用220 V給蓄電池充電，供電更加持續(xù)穩(wěn)定。備用電池是40 Ah的鋰電池，通過(guò)家用220 V進(jìn)行充電，只有當(dāng)太陽(yáng)能電池?zé)o法繼續(xù)循環(huán)充放電時(shí)才會(huì)使用備用電池。

2.4 智能控制系統(tǒng)

控制部分是整套設(shè)備的大腦，控制銜接著其他的系統(tǒng)，統(tǒng)籌調(diào)劑。

2.4.1 控制系統(tǒng)總框架

整個(gè)控制系統(tǒng)主要由三部分組成。第一部分是由繼電器和分壓電阻組成的雙電源控制系統(tǒng)，主要功能有保護(hù)鋰電池防止過(guò)充和過(guò)放，雙電源工作狀態(tài)選擇和切換。第二部分是溫度控制模塊，主要功能是將箱體內(nèi)溫度控制在用戶(hù)設(shè)定的值。第三部分是基于A(yíng)TMEGA328P芯片的主控核心，包括復(fù)位、晶振、穩(wěn)壓等最小系統(tǒng)電路，該部分主要是對(duì)I/O接口和通信接口的定義，組成一個(gè)低功耗、低成本的控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)使用ATMEGA328P芯片作為主要控制芯片，內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定。相對(duì)于其他類(lèi)型的芯片，該芯片引腳功能更豐富，可以直接省去模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

控制系統(tǒng)整體框架，如圖1所示。

圖1 整體控制系統(tǒng)框圖

2.4.2 電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源控制系統(tǒng)是根據(jù)電池空載時(shí)的電池電壓來(lái)判斷電池電量，然后通過(guò)芯片控制雙電池的充電和放電，以及對(duì)保護(hù)電池不被過(guò)充和過(guò)放。

主要功能有：

1）電池電量的讀取和顯示，讓用戶(hù)可以直觀(guān)地看到電池的剩余電量。

2）電池充電和放電的自動(dòng)切換，讓太陽(yáng)能板一直處于工作狀態(tài)，提高工作效率。

3）過(guò)充和過(guò)放保護(hù)，讓蓄電池處于健康的電壓范圍，延長(zhǎng)使用壽命。

雙蓄電池工作控制流程，如圖2所示。

圖2 雙蓄電池工作流程圖

程序開(kāi)始后不停地檢測(cè)蓄電池電壓來(lái)控制蓄電池工作狀態(tài)和保護(hù)蓄電池。雙蓄電池共有四種狀態(tài)，分別是同時(shí)滿(mǎn)電、A電池電量大于B電池電量、B電池電量大于A(yíng)電池電量、同時(shí)沒(méi)電。該控制邏輯可以讓充、放電同時(shí)進(jìn)行，并且讓工作狀態(tài)保持穩(wěn)定，充、放電互不干擾，在控制蓄電池工作的同時(shí)，可以最大限度地保護(hù)蓄電池處于健康工作狀態(tài)。

2.4.3 溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制流程

溫度控制系統(tǒng)使用DHT22傳感器模塊，該傳感器溫度可同時(shí)測(cè)量溫度和濕度，測(cè)量精度在可接受范圍之內(nèi)，截面最大尺寸也小于30 mm。溫度控制系統(tǒng)采用雙溫度傳感器，測(cè)量箱體外溫度和箱體內(nèi)溫度，后期可用于智能溫控系統(tǒng)。

啟動(dòng)后將自動(dòng)開(kāi)始向目標(biāo)溫度制冷，當(dāng)箱體內(nèi)溫度達(dá)到用戶(hù)設(shè)定的值時(shí)，斷開(kāi)電源，進(jìn)入等待狀態(tài)；當(dāng)箱體內(nèi)溫度變化時(shí)，繼續(xù)開(kāi)始制冷，從而達(dá)到恒溫狀態(tài)。

溫度控制工作流程，如圖3所示。

圖3 溫度控制工作流程圖

2.5 材料選型

本設(shè)計(jì)的外箱采用亞克力板進(jìn)行外包，亞克力板韌性好，不易破損；且可以很好地與聚氨酯板進(jìn)行黏合；同時(shí)，亞克力板顏色多樣，可以滿(mǎn)足不同的顏色需求。如表1所示。

表1 各材料性質(zhì)及優(yōu)缺點(diǎn)

箱體的保溫材料選擇聚氨酯板和XPS擠塑板，它們具有保溫效果好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐水汽、耐腐蝕、絕緣性佳等特點(diǎn)，故作為最終保溫材料的選擇。

3 結(jié)論

太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷箱將會(huì)是一種市場(chǎng)前景廣闊的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這種新型的制冷方式是一種季節(jié)匹配性很好的制冷方式。本產(chǎn)品輕便易攜帶，可太陽(yáng)能充電和家用220 V直接充電，能用來(lái)保鮮食物、儲(chǔ)存藥劑和一些醫(yī)學(xué)產(chǎn)品等，在無(wú)電或缺電的地方讓用戶(hù)們體驗(yàn)到良好的降溫保溫效果。