智能型太陽能光伏半導(dǎo)體制冷電冰箱設(shè)計及制作

1、    智能型太陽能光伏半導(dǎo)體制冷電冰箱設(shè)計及制作    劉杰等摘 要：設(shè)計了太陽能光伏電池驅(qū)動的半導(dǎo)體制冷冰箱，整個系統(tǒng)由單片機(jī)控制，電能一部分用于制冷一部分存儲于蓄電池中；同時設(shè)計了相關(guān)的硬件電路，編寫了相應(yīng)的軟件程序，實現(xiàn)的溫度控制和制冷要求。該設(shè)計是一種智能、新型、低碳的電冰箱形式。關(guān)鍵字：太陽能 半導(dǎo)體制冷 電冰箱：tb6 ：a ：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，利用太陽電池將太陽光能直接轉(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)主要由太陽電池板（組件）、控制器和蓄電池等主要部

2、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（即太陽能電池）經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，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)電是太陽能發(fā)電的一種形式，它容易實現(xiàn)、成本低廉、運行可靠，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)展的太陽能是今后能源的主要來源。太陽能將在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，太陽能半導(dǎo)體制冷冰箱就是光伏發(fā)電的應(yīng)用形式之一。無論從世界還是從中國來看，常規(guī)能源都是很有限的，中國的一次能源儲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的平均水平，大約只有世界總儲量

3、的10%。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性、確實的長壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。但是，太陽能電池板的生產(chǎn)卻具有高污染、高能耗的特點，這是制造領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問題。在整個太陽能電池板的制造過程中，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，對于中國這樣的制造大國來說，電池板出口越多對國內(nèi)的環(huán)境影響就越大。在今后的十幾年中，中國光伏發(fā)電的市場將會由分布式發(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)。中國太陽能光伏發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮螅浜戏e極穩(wěn)定的政策扶持，到2030年光

4、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，相當(dāng)于少建30多個大型煤電廠。國家未來三年將投資200億補(bǔ)貼光伏業(yè)，中國太陽能光伏發(fā)電又迎來了新一輪的快速增長，并吸引了更多的戰(zhàn)略投資者融入到這個行業(yè)中來。光伏發(fā)電的各種衍生產(chǎn)品也陸續(xù)產(chǎn)生，滿足了工業(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，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，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，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與

5、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，沒有污染源，工作時沒有震動、噪音、壽命長；作為一種電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現(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。夏天是陽光充足的季節(jié)，也是冰箱使用最為頻繁的時間。如何將大量的太陽能利用起來達(dá)到制冷的效果？答案就是將太陽能發(fā)電與半導(dǎo)體制冷聯(lián)系起來，設(shè)計出智能型半導(dǎo)體制冷冰箱，方案可行，效果理想。以下是設(shè)計的主要內(nèi)容和制作的實物樣機(jī)。1 半導(dǎo)體制冷冰箱總體設(shè)計冰箱箱體由內(nèi)膽、隔熱層、門外殼等組成。為了便于攜帶，設(shè)計的箱體體積較小?？紤]到現(xiàn)有光伏電池板的尺寸，

6、設(shè)計冰箱的大小為600 mm×540 mm×400 mm。半導(dǎo)體制冷冰箱系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電器、控制器、半導(dǎo)體制冷片、散熱器、檢測和顯示電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。太陽能電池板（solar panel）是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應(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。相對于普通可循環(huán)充電的電池來說，太陽能電池屬于更節(jié)能環(huán)保的綠色產(chǎn)品。因此，選用太陽能電池板作為動力源是可以達(dá)到低碳、環(huán)保的效果。要想達(dá)到很好的制冷效果，對材料的保溫性能有一定的要求。在參照現(xiàn)有冰

7、箱的保溫材料的同時，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。冰箱門采用有機(jī)玻璃，透過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)計系統(tǒng)能夠可靠運行，硬件設(shè)計是保證。該設(shè)計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、存儲器、脈寬調(diào)制輸出pwm，具有高可靠性、

8、實時性好、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點。供電電路是保證半導(dǎo)體制冷器正常運轉(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)體制冷片的型號為tec1-12705，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，可以實現(xiàn)制冷又可以實現(xiàn)制熱，通過改變直流電流的極性來改變制冷片實現(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，通過光耦開關(guān)控制q3的通斷，以達(dá)到對

9、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。在實際的電路工作時，為保證制冷效果，將q3的集電極電流保持在5 a以上，以滿足制冷片的工作電流，達(dá)到充分制冷。后續(xù)電路是一個充電電路，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。在電池的充電過程中，電池電壓逐漸上升，當(dāng)充電電壓大于4.2 v時，經(jīng)r5、r6分壓后穩(wěn)壓二極管d2開始導(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。這時電路停止

10、了對電池的大電流充電，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)計中采用風(fēng)冷。在制冷片熱端加裝風(fēng)扇，利用空氣流動加強(qiáng)散熱，改善制冷效果。經(jīng)過重復(fù)實驗證明，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)計系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖3所示，上電初始化后接著控制器啟動內(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^檢測電壓和電流，計算出相應(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，啟動蓄電池進(jìn)行充電。同時自帶的智能充電電路也開始工作。蓄電池

11、充電有防過充措施，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，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。通過設(shè)計和制作一臺智能型光伏半導(dǎo)體冰箱樣機(jī)，實驗裝置如圖4所示。實驗裝置的頂端是太陽能電池板，主要提供動力能源。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，另一端作為儲藏空間。整個內(nèi)部空間用保溫材料保護(hù)，最外層用有機(jī)玻璃，透過其可以看見內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對該裝置進(jìn)行簡單的實驗，可以得到以下結(jié)論。（1）在室外環(huán)境為25的

12、氣候條件下，樣機(jī)無負(fù)荷運行，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、無毒、無噪音、無制冷劑污染、不消耗電網(wǎng)電能、運行穩(wěn)定和可靠性高等優(yōu)點。（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題。盡管當(dāng)前設(shè)計該產(chǎn)品成本相對較高、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現(xiàn)的。參考文獻(xiàn)1 程明福，吳才章. 基于太陽能供電的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)設(shè)計j.電子設(shè)計工程，2012，20（1）：137-139.2 劉淑平，徐鐵軍.基于半導(dǎo)體制冷的太陽