新型太陽能冷藏空調設計與實驗

摘 要：本設計通過太陽能電池板發電對半導體組件進行供電，不僅可以提供空調電量而且不產生任何有害氣體，充分體現了節能減排的特點。空調制冷系統主要采用半導體組件，不僅可以很快的實現溫度變化，而且在制冷過程中不會產生噪音，當車廂內的溫度達到溫度控制器設置的溫度時，溫度控制器將自動斷開半導體組件，考慮到用戶使用的方便，設計了無線控制系統，以實現遠程控制空調；另一方面，太陽能電池板轉化的能量一部分用于半導體制冷，剩余的部分儲存在蓄電池中作為替補能源，既可以在太陽光強不足時供給半導體組件，又可供給其他用電器。

關鍵詞：太陽能電池板；半導體組件；半導體制冷；溫度調控；節能環保

1 研制背景及意義

隨著商品經濟的發展，不同地區之間的貨物流通已經不是難題。為了運輸冷凍或保鮮貨物，各式各樣的冷藏車應運而生，目前我國冷藏保溫汽車按制冷裝置的制冷方式有機械冷藏汽車、液氮冷藏汽車、冷板冷藏汽車、干冰冷藏汽車、水（鹽）冰冷藏汽車等，大部分是裝有制冷機組的制冷裝置和聚氨酯隔熱廂的冷藏專用運輸汽車。針對半導體制冷，我們擬制作一種新型太陽能智能空調輔助系統，利用太陽能電池將太陽能轉為化學能儲存在蓄電池中為半導體制冷組件供電[1]，既減少了發電機發電量，又無有害氣體排放。

1.1 傳統冷藏車空調的缺點

（1）首先機械制冷是一種較為可靠有效的制冷方式，但冷藏汽車工作時要消耗燃油或電力，并增加尾氣排放。機械制冷裝置結構復雜，使得冷藏運輸成本較高，運價貴，從而嚴重阻礙了冷藏汽車的發展。

（2）空調系統制冷劑污染環境。目前，汽車空調制冷劑多用R12，該制冷劑對臭氧層破壞嚴重，我國已于2010年全面完成了CFC類工質的替代。R134a作為R12的替代產物，雖然不破壞臭氧層但其全球變暖潛值為1300。到2017年，歐盟將禁止新生產的汽車空調使用GWP值大于150的制冷劑。因此，研究開發利用汽車余熱和可再生能源驅動的汽車空調系統，是汽車空調技術發展與進步的必然要求[2]。

1.2 太陽能冷藏車空調的設計目的

針對目前冷藏車空調的一些不足，我們設計了太陽能智能空調，基本解決了現在冷藏車空調所帶來的問題。首先利用半導體組件制冷，而半導體制冷所需的能量又由太陽能電池板通過光電效應轉化而來，整個設計清潔無污染，這樣既節省能源，又克服了傳統空調工作時會產生有害氣體的缺點，起到環保效果。另外，太陽能電池板吸收的太陽能一部分供空調系統使用，剩余的部分儲存到蓄電池以備陽光不足時再供空調使用，大大增加了能源利用率[3]。我們的太陽能冷藏車智能空調還便于安裝使用，無論是新車還是舊車都可以方便的安裝上汽車太陽能智能空調，我們只需將薄膜狀的太陽能電池板貼在車的頂棚，然后將導線接入空調即可。

2 設計方案及原理簡介

2.1 電器控制部分

考慮到太陽能電池板的電壓波動問題（約5V）以及它小于空調系統的電壓（12V）問題，我們通過升壓模塊（圖1所示）給太陽能電池板的電壓升至12V，穩壓模塊的電路圖（圖2）所示如下：其中Vin表示太陽能電池板的電壓，Vout表示升壓之后的電壓，最后儲存到蓄電池供空調系統及溫度控制器使用。

2.2 機械部分

太陽能電池板是和汽車面連在一起的，當太陽照射汽車時，太陽能電池板就會自動把光能轉化為電能，然后供各用電組件使用。 圖3為工作流程圖：

3 理論設計計算

3.1 所采用的太陽能電池板屬性

試驗中冷藏車模型所用的電池板，其參數分別是5V 0.04A、 5V 0.02A、5V 0.3A，把它們并聯起來是1.56A，考慮到空調系統：其中大風扇12V 0.18A、小風扇12V 0.1A、制冷片12V 2A，我們用升壓模塊給以上太陽能板的電壓升至12V，便可供空調系統使用 ，下面表1是各個器件的功率：

表1 各元件功率表

3.2 模擬太陽能空調車廂的制冷效果

我們選用體積為28*16*14cm的長方體紙箱來模擬車內空間，使用上述太陽能電池板對其供電，4*4cm制冷片以及相關的散熱組件。我們選取一天中的不同時刻在太陽直射的情況下進行測量，并記錄各個階段太陽能制冷空調的制冷效果。

表2 測試時間為上午，天氣為微風，室外溫度為25℃

表3 測試時間為中午，天氣晴朗，室外溫度為34℃

表4 測試時間為下午，天氣為微風，室外溫度為27℃

3.3 數據分析

根據以上三個記錄可以看出采用半導體的效果十分明顯，可以達到每分鐘下降2℃左右，隨著車廂內溫度的逐步降低，單位時間內下降的溫度逐漸降低，但是在10分鐘內仍然可以達到10℃左右的溫差。

主要的原因有：

（1）我們模擬的車廂為無機玻璃箱，邊緣縫隙的密封性比較差，與外界熱量交換較多；

（2）隨著制冷片工作時間的延長，散熱組件的散熱效果逐漸下降，制冷片兩面溫差逐漸減小，導致每下降1℃所用時間增長。

解決辦法：

（1）在實際的車廂中，密封性能和隔熱性能好，半導體制冷的效果將會更加顯著；

（2）由于模擬空間有限，采用一個半導體制冷片工作，而在實際的使用中，完全可以采用4個制冷片交替或同時工作，達到更好的制冷制熱效果。

4 工作原理及性能分析

4.1 太陽能板的工作原理簡介

太陽能板是利用硅型太陽能電池吸收太陽光，太陽輻射能量的光譜，主要以可見光為中心，光照射在半導體中存在內電場E的太陽能轉化為電能，在電場的作用下，半導體兩側產生電勢差，將太陽能轉化為電能，其轉化的能量與太陽光的強度成正比。即太陽光越強，它轉換的能量也越多。endprint

4.2 半導體制冷工作原理簡介

將太陽能板接到半導體制冷片上，然后將導冷端和散熱片安裝好再接風扇，導冷端風扇的螺絲可以先裝上，然后就可以直接插在導冷模塊上，再把太陽能板及制冷系統安裝在汽車的適當位置，通過溫度控制器來顯示當前溫度，當車內溫度達到我們設置所需溫度時，系統停止工作。

4.3 數字式溫度控制器的智能控制

圖4和圖5分別為溫度控制器的內部構造圖和外觀圖，系統進入制冷模式時，有3個手動溫度控制點可供選擇，26℃，28℃，30℃默認溫度是26℃。當室溫低于所選擇的溫度時，系統不工作，當室溫高于或等于所選擇的溫度時空調制冷。

4.4 太陽能遠程無線控制系統

為了更方便的控制太陽能空調的開關與半導體組件的制冷和制熱，我們采用四鍵遙控器和超再生固定碼接收模塊，可以組成四路無線發射接收電路，遙控器的四位數據碼對應模塊的四路輸出，可以方便的組成無線遙控發射接收電路，實現了用戶遠程控制太陽能空調。

5 創新點、優點及應用

5.1 太陽能空調主要有以下創新點及優點

（1）使用半導體制冷，且充分利用太陽能提供能量，節省了傳統空調需要的耗油，太陽能冷藏空調是利用太陽能電池轉化的直流電來驅動半導體組件，不會產生有害氣體，而傳統的空調是利用燃燒汽油而獲得電能來驅動的。

（2）可以實現溫度的智能調控。我們采用智能溫度控制器，不僅可以兼容控制制冷制熱，還具有延時保護、回差設置以及超溫低溫報警功能。利用其回差設置功能，我們可以設定某個溫度區間，當車廂內溫度超出此區間時，半導體組件可以自動啟動進行制熱或制冷。

（3）充分體現人性化設計，既可以實現空調開關、制冷制熱的無線控制，也可以根據車主需求，控制其提前工作。

（4）普及性強，便于推廣使用。無論是新車還是舊車都可以方便安裝上汽車太陽能智能空調，我們只需將太陽能電池板貼在車的頂棚或者側面，然后將導線接入空調即可。

（5）在技術應用上不需要任何致冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件，是一種固體器件，工作時沒有震動、噪音、壽命長[5]。

5.2 應用前景展望

目前冷藏車已成為現實生活中不可缺少的運輸工具，所有冷藏車空調都有待在節能方面實施改進，而這樣一款智能太陽能空調正能解決目前石油短缺、能源危機、環境污染的問題，又積極響應國家“節能減排”的號召，因此我們設計的這一款汽車太陽能智能空調應用前景很廣。

參考文獻

[1]冀兆良.我國汽車空調技術的應用及發展現狀[J].制冷空調與電力機械，2011（5）：1-5.

[2]鄭永明，方方，徐建一，等.半導體致冷原理及其應用系統設計研究[J].中國測試技術，2006（3）：49-51.

[3]張亞君，黃小華，李金新，等.分布式可控制醫療制冷頭盔[J].杭州電子科技大學學報，2011（4）：17-20.

[4]陳昌盛，魏旭來，唐韜.基于嵌入式的小型恒溫冷藏箱設計與實現[J].電子設計工程，2012（9）：164-166.

[5]劉清.采暖制冷技術中的熱電效應[J].武漢工程職業技術學院學報，2008（6）：17-21.

作者簡介：*王志森（1997，10-），男，現就讀于北鎮中學高中二年級21班。endprint

4.2 半導體制冷工作原理簡介

將太陽能板接到半導體制冷片上，然后將導冷端和散熱片安裝好再接風扇，導冷端風扇的螺絲可以先裝上，然后就可以直接插在導冷模塊上，再把太陽能板及制冷系統安裝在汽車的適當位置，通過溫度控制器來顯示當前溫度，當車內溫度達到我們設置所需溫度時，系統停止工作。

4.3 數字式溫度控制器的智能控制

圖4和圖5分別為溫度控制器的內部構造圖和外觀圖，系統進入制冷模式時，有3個手動溫度控制點可供選擇，26℃，28℃，30℃默認溫度是26℃。當室溫低于所選擇的溫度時，系統不工作，當室溫高于或等于所選擇的溫度時空調制冷。

4.4 太陽能遠程無線控制系統

為了更方便的控制太陽能空調的開關與半導體組件的制冷和制熱，我們采用四鍵遙控器和超再生固定碼接收模塊，可以組成四路無線發射接收電路，遙控器的四位數據碼對應模塊的四路輸出，可以方便的組成無線遙控發射接收電路，實現了用戶遠程控制太陽能空調。

5 創新點、優點及應用

5.1 太陽能空調主要有以下創新點及優點

（1）使用半導體制冷，且充分利用太陽能提供能量，節省了傳統空調需要的耗油，太陽能冷藏空調是利用太陽能電池轉化的直流電來驅動半導體組件，不會產生有害氣體，而傳統的空調是利用燃燒汽油而獲得電能來驅動的。

（2）可以實現溫度的智能調控。我們采用智能溫度控制器，不僅可以兼容控制制冷制熱，還具有延時保護、回差設置以及超溫低溫報警功能。利用其回差設置功能，我們可以設定某個溫度區間，當車廂內溫度超出此區間時，半導體組件可以自動啟動進行制熱或制冷。

（3）充分體現人性化設計，既可以實現空調開關、制冷制熱的無線控制，也可以根據車主需求，控制其提前工作。

（4）普及性強，便于推廣使用。無論是新車還是舊車都可以方便安裝上汽車太陽能智能空調，我們只需將太陽能電池板貼在車的頂棚或者側面，然后將導線接入空調即可。

（5）在技術應用上不需要任何致冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件，是一種固體器件，工作時沒有震動、噪音、壽命長[5]。

5.2 應用前景展望

目前冷藏車已成為現實生活中不可缺少的運輸工具，所有冷藏車空調都有待在節能方面實施改進，而這樣一款智能太陽能空調正能解決目前石油短缺、能源危機、環境污染的問題，又積極響應國家“節能減排”的號召，因此我們設計的這一款汽車太陽能智能空調應用前景很廣。

參考文獻

[1]冀兆良.我國汽車空調技術的應用及發展現狀[J].制冷空調與電力機械，2011（5）：1-5.

[2]鄭永明，方方，徐建一，等.半導體致冷原理及其應用系統設計研究[J].中國測試技術，2006（3）：49-51.

[3]張亞君，黃小華，李金新，等.分布式可控制醫療制冷頭盔[J].杭州電子科技大學學報，2011（4）：17-20.

[4]陳昌盛，魏旭來，唐韜.基于嵌入式的小型恒溫冷藏箱設計與實現[J].電子設計工程，2012（9）：164-166.

[5]劉清.采暖制冷技術中的熱電效應[J].武漢工程職業技術學院學報，2008（6）：17-21.

作者簡介：*王志森（1997，10-），男，現就讀于北鎮中學高中二年級21班。endprint

4.2 半導體制冷工作原理簡介

將太陽能板接到半導體制冷片上，然后將導冷端和散熱片安裝好再接風扇，導冷端風扇的螺絲可以先裝上，然后就可以直接插在導冷模塊上，再把太陽能板及制冷系統安裝在汽車的適當位置，通過溫度控制器來顯示當前溫度，當車內溫度達到我們設置所需溫度時，系統停止工作。

4.3 數字式溫度控制器的智能控制

圖4和圖5分別為溫度控制器的內部構造圖和外觀圖，系統進入制冷模式時，有3個手動溫度控制點可供選擇，26℃，28℃，30℃默認溫度是26℃。當室溫低于所選擇的溫度時，系統不工作，當室溫高于或等于所選擇的溫度時空調制冷。

4.4 太陽能遠程無線控制系統

為了更方便的控制太陽能空調的開關與半導體組件的制冷和制熱，我們采用四鍵遙控器和超再生固定碼接收模塊，可以組成四路無線發射接收電路，遙控器的四位數據碼對應模塊的四路輸出，可以方便的組成無線遙控發射接收電路，實現了用戶遠程控制太陽能空調。

5 創新點、優點及應用

5.1 太陽能空調主要有以下創新點及優點

（1）使用半導體制冷，且充分利用太陽能提供能量，節省了傳統空調需要的耗油，太陽能冷藏空調是利用太陽能電池轉化的直流電來驅動半導體組件，不會產生有害氣體，而傳統的空調是利用燃燒汽油而獲得電能來驅動的。

（2）可以實現溫度的智能調控。我們采用智能溫度控制器，不僅可以兼容控制制冷制熱，還具有延時保護、回差設置以及超溫低溫報警功能。利用其回差設置功能，我們可以設定某個溫度區間，當車廂內溫度超出此區間時，半導體組件可以自動啟動進行制熱或制冷。

（3）充分體現人性化設計，既可以實現空調開關、制冷制熱的無線控制，也可以根據車主需求，控制其提前工作。

（4）普及性強，便于推廣使用。無論是新車還是舊車都可以方便安裝上汽車太陽能智能空調，我們只需將太陽能電池板貼在車的頂棚或者側面，然后將導線接入空調即可。

（5）在技術應用上不需要任何致冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件，是一種固體器件，工作時沒有震動、噪音、壽命長[5]。

5.2 應用前景展望

目前冷藏車已成為現實生活中不可缺少的運輸工具，所有冷藏車空調都有待在節能方面實施改進，而這樣一款智能太陽能空調正能解決目前石油短缺、能源危機、環境污染的問題，又積極響應國家“節能減排”的號召，因此我們設計的這一款汽車太陽能智能空調應用前景很廣。

參考文獻

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[2]鄭永明，方方，徐建一，等.半導體致冷原理及其應用系統設計研究[J].中國測試技術，2006（3）：49-51.

[3]張亞君，黃小華，李金新，等.分布式可控制醫療制冷頭盔[J].杭州電子科技大學學報，2011（4）：17-20.

[4]陳昌盛，魏旭來，唐韜.基于嵌入式的小型恒溫冷藏箱設計與實現[J].電子設計工程，2012（9）：164-166.

[5]劉清.采暖制冷技術中的熱電效應[J].武漢工程職業技術學院學報，2008（6）：17-21.

作者簡介：*王志森（1997，10-），男，現就讀于北鎮中學高中二年級21班。endprint