新型太陽能冷藏空調(diào)設(shè)計與實驗

摘 要：本設(shè)計通過太陽能電池板發(fā)電對半導(dǎo)體組件進行供電，不僅可以提供空調(diào)電量而且不產(chǎn)生任何有害氣體，充分體現(xiàn)了節(jié)能減排的特點。空調(diào)制冷系統(tǒng)主要采用半導(dǎo)體組件，不僅可以很快的實現(xiàn)溫度變化，而且在制冷過程中不會產(chǎn)生噪音，當(dāng)車廂內(nèi)的溫度達(dá)到溫度控制器設(shè)置的溫度時，溫度控制器將自動斷開半導(dǎo)體組件，考慮到用戶使用的方便，設(shè)計了無線控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制空調(diào)；另一方面，太陽能電池板轉(zhuǎn)化的能量一部分用于半導(dǎo)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(dǎo)體組件，又可供給其他用電器。

關(guān)鍵詞：太陽能電池板；半導(dǎo)體組件；半導(dǎo)體制冷；溫度調(diào)控；節(jié)能環(huán)保

1 研制背景及意義

隨著商品經(jīng)濟的發(fā)展，不同地區(qū)之間的貨物流通已經(jīng)不是難題。為了運輸冷凍或保鮮貨物，各式各樣的冷藏車應(yīng)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(dǎo)體制冷，我們擬制作一種新型太陽能智能空調(diào)輔助系統(tǒng)，利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)為化學(xué)能儲存在蓄電池中為半導(dǎo)體制冷組件供電[1]，既減少了發(fā)電機發(fā)電量，又無有害氣體排放。

1.1 傳統(tǒng)冷藏車空調(diào)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得冷藏運輸成本較高，運價貴，從而嚴(yán)重阻礙了冷藏汽車的發(fā)展。

（2）空調(diào)系統(tǒng)制冷劑污染環(huán)境。目前，汽車空調(diào)制冷劑多用R12，該制冷劑對臭氧層破壞嚴(yán)重，我國已于2010年全面完成了CFC類工質(zhì)的替代。R134a作為R12的替代產(chǎn)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(chǎn)的汽車空調(diào)使用GWP值大于150的制冷劑。因此，研究開發(fā)利用汽車余熱和可再生能源驅(qū)動的汽車空調(diào)系統(tǒng)，是汽車空調(diào)技術(shù)發(fā)展與進步的必然要求[2]。

1.2 太陽能冷藏車空調(diào)的設(shè)計目的

針對目前冷藏車空調(diào)的一些不足，我們設(shè)計了太陽能智能空調(diào)，基本解決了現(xiàn)在冷藏車空調(diào)所帶來的問題。首先利用半導(dǎo)體組件制冷，而半導(dǎo)體制冷所需的能量又由太陽能電池板通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化而來，整個設(shè)計清潔無污染，這樣既節(jié)省能源，又克服了傳統(tǒng)空調(diào)工作時會產(chǎn)生有害氣體的缺點，起到環(huán)保效果。另外，太陽能電池板吸收的太陽能一部分供空調(diào)系統(tǒng)使用，剩余的部分儲存到蓄電池以備陽光不足時再供空調(diào)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(diào)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(diào)，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(dǎo)線接入空調(diào)即可。

2 設(shè)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(diào)系統(tǒng)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(wěn)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(diào)系統(tǒng)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(dāng)太陽照射汽車時，太陽能電池板就會自動把光能轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)分別是5V 0.04A、 5V 0.02A、5V 0.3A，把它們并聯(lián)起來是1.56A，考慮到空調(diào)系統(tǒng)：其中大風(fēng)扇12V 0.18A、小風(fēng)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(diào)系統(tǒng)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(diào)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(nèi)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(guān)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(diào)的制冷效果。

表2 測試時間為上午，天氣為微風(fēng)，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(fēng)，室外溫度為27℃

3.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上三個記錄可以看出采用半導(dǎo)體的效果十分明顯，可以達(dá)到每分鐘下降2℃左右，隨著車廂內(nèi)溫度的逐步降低，單位時間內(nèi)下降的溫度逐漸降低，但是在10分鐘內(nèi)仍然可以達(dá)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dá)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(dǎo)體中存在內(nèi)電場E的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在電場的作用下，半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，其轉(zhuǎn)化的能量與太陽光的強度成正比。即太陽光越強，它轉(zhuǎn)換的能量也越多。endprint

4.2 半導(dǎo)體制冷工作原理簡介

將太陽能板接到半導(dǎo)體制冷片上，然后將導(dǎo)冷端和散熱片安裝好再接風(fēng)扇，導(dǎo)冷端風(fēng)扇的螺絲可以先裝上，然后就可以直接插在導(dǎo)冷模塊上，再把太陽能板及制冷系統(tǒng)安裝在汽車的適當(dāng)位置，通過溫度控制器來顯示當(dāng)前溫度，當(dāng)車內(nèi)溫度達(dá)到我們設(shè)置所需溫度時，系統(tǒng)停止工作。

4.3 數(shù)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(nèi)部構(gòu)造圖和外觀圖，系統(tǒng)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(rèn)溫度是26℃。當(dāng)室溫低于所選擇的溫度時，系統(tǒng)不工作，當(dāng)室溫高于或等于所選擇的溫度時空調(diào)制冷。

4.4 太陽能遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)

為了更方便的控制太陽能空調(diào)的開關(guān)與半導(dǎo)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(fā)射接收電路，遙控器的四位數(shù)據(jù)碼對應(yīng)模塊的四路輸出，可以方便的組成無線遙控發(fā)射接收電路，實現(xiàn)了用戶遠(yuǎn)程控制太陽能空調(diào)。

5 創(chuàng)新點、優(yōu)點及應(yīng)用

5.1 太陽能空調(diào)主要有以下創(chuàng)新點及優(yōu)點

（1）使用半導(dǎo)體制冷，且充分利用太陽能提供能量，節(jié)省了傳統(tǒng)空調(diào)需要的耗油，太陽能冷藏空調(diào)是利用太陽能電池轉(zhuǎn)化的直流電來驅(qū)動半導(dǎo)體組件，不會產(chǎn)生有害氣體，而傳統(tǒng)的空調(diào)是利用燃燒汽油而獲得電能來驅(qū)動的。

（2）可以實現(xiàn)溫度的智能調(diào)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(shè)置以及超溫低溫報警功能。利用其回差設(shè)置功能，我們可以設(shè)定某個溫度區(qū)間，當(dāng)車廂內(nèi)溫度超出此區(qū)間時，半導(dǎo)體組件可以自動啟動進行制熱或制冷。

（3）充分體現(xiàn)人性化設(shè)計，既可以實現(xiàn)空調(diào)開關(guān)、制冷制熱的無線控制，也可以根據(jù)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(diào)，我們只需將太陽能電池板貼在車的頂棚或者側(cè)面，然后將導(dǎo)線接入空調(diào)即可。

（5）在技術(shù)應(yīng)用上不需要任何致冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，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(yīng)用前景展望

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

參考文獻

[1]冀兆良.我國汽車空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀[J].制冷空調(diào)與電力機械，2011（5）：1-5.

[2]鄭永明，方方，徐建一，等.半導(dǎo)體致冷原理及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計研究[J].中國測試技術(shù)，2006（3）：49-51.

[3]張亞君，黃小華，李金新，等.分布式可控制醫(yī)療制冷頭盔[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)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(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2012（9）：164-166.

[5]劉清.采暖制冷技術(shù)中的熱電效應(yīng)[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008（6）：17-21.

作者簡介：*王志森（1997，10-），男，現(xiàn)就讀于北鎮(zhèn)中學(xué)高中二年級21班。endprint

4.2 半導(dǎo)體制冷工作原理簡介

將太陽能板接到半導(dǎo)體制冷片上，然后將導(dǎo)冷端和散熱片安裝好再接風(fēng)扇，導(dǎo)冷端風(fēng)扇的螺絲可以先裝上，然后就可以直接插在導(dǎo)冷模塊上，再把太陽能板及制冷系統(tǒng)安裝在汽車的適當(dāng)位置，通過溫度控制器來顯示當(dāng)前溫度，當(dāng)車內(nèi)溫度達(dá)到我們設(shè)置所需溫度時，系統(tǒng)停止工作。

4.3 數(shù)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(nèi)部構(gòu)造圖和外觀圖，系統(tǒng)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(rèn)溫度是26℃。當(dāng)室溫低于所選擇的溫度時，系統(tǒng)不工作，當(dāng)室溫高于或等于所選擇的溫度時空調(diào)制冷。

4.4 太陽能遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)

為了更方便的控制太陽能空調(diào)的開關(guān)與半導(dǎo)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(fā)射接收電路，遙控器的四位數(shù)據(jù)碼對應(yīng)模塊的四路輸出，可以方便的組成無線遙控發(fā)射接收電路，實現(xiàn)了用戶遠(yuǎn)程控制太陽能空調(diào)。

5 創(chuàng)新點、優(yōu)點及應(yīng)用

5.1 太陽能空調(diào)主要有以下創(chuàng)新點及優(yōu)點

（1）使用半導(dǎo)體制冷，且充分利用太陽能提供能量，節(jié)省了傳統(tǒng)空調(diào)需要的耗油，太陽能冷藏空調(diào)是利用太陽能電池轉(zhuǎn)化的直流電來驅(qū)動半導(dǎo)體組件，不會產(chǎn)生有害氣體，而傳統(tǒng)的空調(diào)是利用燃燒汽油而獲得電能來驅(qū)動的。

（2）可以實現(xiàn)溫度的智能調(diào)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(shè)置以及超溫低溫報警功能。利用其回差設(shè)置功能，我們可以設(shè)定某個溫度區(qū)間，當(dāng)車廂內(nèi)溫度超出此區(qū)間時，半導(dǎo)體組件可以自動啟動進行制熱或制冷。

（3）充分體現(xiàn)人性化設(shè)計，既可以實現(xiàn)空調(diào)開關(guān)、制冷制熱的無線控制，也可以根據(jù)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(diào)，我們只需將太陽能電池板貼在車的頂棚或者側(cè)面，然后將導(dǎo)線接入空調(diào)即可。

（5）在技術(shù)應(yīng)用上不需要任何致冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，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(yīng)用前景展望

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

參考文獻

[1]冀兆良.我國汽車空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀[J].制冷空調(diào)與電力機械，2011（5）：1-5.

[2]鄭永明，方方，徐建一，等.半導(dǎo)體致冷原理及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計研究[J].中國測試技術(shù)，2006（3）：49-51.

[3]張亞君，黃小華，李金新，等.分布式可控制醫(yī)療制冷頭盔[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)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(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2012（9）：164-166.

[5]劉清.采暖制冷技術(shù)中的熱電效應(yīng)[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008（6）：17-21.

作者簡介：*王志森（1997，10-），男，現(xiàn)就讀于北鎮(zhèn)中學(xué)高中二年級21班。endprint

4.2 半導(dǎo)體制冷工作原理簡介

將太陽能板接到半導(dǎo)體制冷片上，然后將導(dǎo)冷端和散熱片安裝好再接風(fēng)扇，導(dǎo)冷端風(fēng)扇的螺絲可以先裝上，然后就可以直接插在導(dǎo)冷模塊上，再把太陽能板及制冷系統(tǒng)安裝在汽車的適當(dāng)位置，通過溫度控制器來顯示當(dāng)前溫度，當(dāng)車內(nèi)溫度達(dá)到我們設(shè)置所需溫度時，系統(tǒng)停止工作。

4.3 數(shù)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(nèi)部構(gòu)造圖和外觀圖，系統(tǒng)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(rèn)溫度是26℃。當(dāng)室溫低于所選擇的溫度時，系統(tǒng)不工作，當(dāng)室溫高于或等于所選擇的溫度時空調(diào)制冷。

4.4 太陽能遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)

為了更方便的控制太陽能空調(diào)的開關(guān)與半導(dǎo)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(fā)射接收電路，遙控器的四位數(shù)據(jù)碼對應(yīng)模塊的四路輸出，可以方便的組成無線遙控發(fā)射接收電路，實現(xiàn)了用戶遠(yuǎn)程控制太陽能空調(diào)。

5 創(chuàng)新點、優(yōu)點及應(yīng)用

5.1 太陽能空調(diào)主要有以下創(chuàng)新點及優(yōu)點

（1）使用半導(dǎo)體制冷，且充分利用太陽能提供能量，節(jié)省了傳統(tǒng)空調(diào)需要的耗油，太陽能冷藏空調(diào)是利用太陽能電池轉(zhuǎn)化的直流電來驅(qū)動半導(dǎo)體組件，不會產(chǎn)生有害氣體，而傳統(tǒng)的空調(diào)是利用燃燒汽油而獲得電能來驅(qū)動的。

（2）可以實現(xiàn)溫度的智能調(diào)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(shè)置以及超溫低溫報警功能。利用其回差設(shè)置功能，我們可以設(shè)定某個溫度區(qū)間，當(dāng)車廂內(nèi)溫度超出此區(qū)間時，半導(dǎo)體組件可以自動啟動進行制熱或制冷。

（3）充分體現(xiàn)人性化設(shè)計，既可以實現(xiàn)空調(diào)開關(guān)、制冷制熱的無線控制，也可以根據(jù)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(diào)，我們只需將太陽能電池板貼在車的頂棚或者側(cè)面，然后將導(dǎo)線接入空調(diào)即可。

（5）在技術(shù)應(yīng)用上不需要任何致冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，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(yīng)用前景展望

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

參考文獻

[1]冀兆良.我國汽車空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀[J].制冷空調(diào)與電力機械，2011（5）：1-5.

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

[5]劉清.采暖制冷技術(shù)中的熱電效應(yīng)[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008（6）：17-21.

作者簡介：*王志森（1997，10-），男，現(xiàn)就讀于北鎮(zhèn)中學(xué)高中二年級21班。endprint