智能型太陽能光伏半導體制冷電冰箱設計及制作

劉杰等

摘 要：設計了太陽能光伏電池驅動的半導體制冷冰箱，整個系統由單片機控制，電能一部分用于制冷一部分存儲于蓄電池中；同時設計了相關的硬件電路，編寫了相應的軟件程序，實現的溫度控制和制冷要求。該設計是一種智能、新型、低碳的電冰箱形式。

關鍵字：太陽能 半導體制冷 電冰箱

中圖分類號：TB6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0104-02

光伏發電是根據光生伏特效應原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能。不論是分布式發電還是并網發電，光伏發電系統主要由太陽電池板（組件）、控制器和蓄電池等主要部分組成，它們主要由電子元器件構成，不涉及機械部件。當前，這種發電技術的關鍵元件在于光伏組件的優劣。光伏組件（即太陽能電池）經過串聯后進行封裝保護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電裝置。光伏發電是太陽能發電的一種形式，它容易實現、成本低廉、運行可靠，已經在電力能源中占有一定的比率。在倡導節能、減排、低碳、環保的主旋律下，綠色、清潔、可持續發展的太陽能是今后能源的主要來源。太陽能將在各個領域得到廣泛應用。其中，太陽能半導體制冷冰箱就是光伏發電的應用形式之一。無論從世界還是從中國來看，常規能源都是很有限的，中國的一次能源儲量遠遠低于世界的平均水平，大約只有世界總儲量的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性、資源的充足性及潛在的經濟性等優點，在長期的能源戰略中具有重要地位。但是，太陽能電池板的生產卻具有高污染、高能耗的特點，這是制造領域需要解決的關鍵問題。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的環境影響就越大。在今后的十幾年中，中國光伏發電的市場將會由分布式發電系統轉向并網發電系統，包括沙漠電站和城市屋頂發電系統。中國太陽能光伏發電發展潛力巨大，配合積極穩定的政策扶持，到2030年光伏裝機容量將達1億千瓦，年發電量可達1 300億千瓦時，相當于少建30多個大型煤電廠。國家未來三年將投資200億補貼光伏業，中國太陽能光伏發電又迎來了新一輪的快速增長，并吸引了更多的戰略投資者融入到這個行業中來。光伏發電的各種衍生產品也陸續產生，滿足了工業生產和人們的日常生活需求。

半導體制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理，該效應是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發現的，即利用由兩種不同的導體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，且帕爾帖效應所引起的這種現象是可逆的，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電流強度成正比，且與兩種導體的性質及熱端的溫度有關。半導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，可實現高精度的溫度控制。半導體制冷已經在航空航天、醫療技術、生物工程等領域得到廣泛的應用。

夏天是陽光充足的季節，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到制冷的效果？答案就是將太陽能發電與半導體制冷聯系起來，設計出智能型半導體制冷冰箱，方案可行，效果理想。以下是設計的主要內容和制作的實物樣機。

1 半導體制冷冰箱總體設計

冰箱箱體由內膽、隔熱層、門外殼等組成。為了便于攜帶，設計的箱體體積較小。考慮到現有光伏電池板的尺寸，設計冰箱的大小為600 mm×540 mm×400 mm。半導體制冷冰箱系統由太陽能電池板、蓄電器、控制器、半導體制冷片、散熱器、檢測和顯示電路構成，其結構如圖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或者光化學效應直接或間接轉換成電能的裝置，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。相對于普通可循環充電的電池來說，太陽能電池屬于更節能環保的綠色產品。因此，選用太陽能電池板作為動力源是可以達到低碳、環保的效果。要想達到很好的制冷效果，對材料的保溫性能有一定的要求。在參照現有冰箱的保溫材料的同時，選擇以泡沫盒作為內殼，外加聚氨酯材料作為內外層填充物，增強保溫效果。冰箱門采用有機玻璃，透過其可以看到物體在冰箱內制冷的情形。

2 半導體制冷冰箱硬件設計

系統能夠可靠運行，硬件設計是保證。該設計包含的硬件有控制器、半導體制冷片、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，該設計選用的是單片機作為微處理器。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單片機要快，內部集成很多資源，有ADC轉換模塊、存儲器、脈寬調制輸出PWM，具有高可靠性、實時性好、抗干擾能力強、成本低等優點。

供電電路是保證半導體制冷器正常運轉的關鍵。根據電池板的規格參數和蓄電池的充放電電壓，選用的半導體制冷片的型號為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。半導體制冷片一般都是由直流電流提供電源，可以實現制冷又可以實現制熱，通過改變直流電流的極性來改變制冷片實現制冷或制熱，最大制冷量為40 W。圖2為半導體制冷器的供電電路及充電電路。該設計主要是利用半導體制冷片的制冷效果，采用MC9S12XS128單片機芯片的PWM功能，通過光耦開關控制Q3的通斷，以達到對制冷片輸入電壓的控制，進而控制其冷端的工作溫度。

如圖2所示，其中ZLP為半導體制冷片。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，達到充分制冷。后續電路是一個充電電路，可以為手機、PAD、充電寶等充電。R5、R6、D2、Q2等組成限壓電路，以保護電池不被過充電，這里以3.6 V手機電池為例，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，當充電電壓大于4.2 V時，經R5、R6分壓后穩壓二極管D2開始導通，使Q2導通，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，達到了限制輸出電壓的作用。這時電路停止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。

半導體制冷片冷端的制冷效果與熱端的散熱有著密切的關系，熱端的散熱越好，制冷片的制冷效果就越好。該設計中采用風冷。在制冷片熱端加裝風扇，利用空氣流動加強散熱，改善制冷效果。經過重復實驗證明，該方式散熱效果良好。

3 半導體制冷冰箱系統軟件設計

系統軟件設計流程如圖3所示，上電初始化后接著控制器啟動內部A/D 轉換器，采樣制冷片前段的輸入電壓。若電壓穩定且能保證制冷片工作，則半導體制冷片首先工作?？刂破魍ㄟ^檢測電壓和電流，計算出相應的功率與制冷器比較，當制冷穩定工作，電能有富余時，啟動蓄電池進行充電。同時自帶的智能充電電路也開始工作。蓄電池充電有防過充措施，智能充電可以方便于手機、PAD、MP3等設備的充電。

系統中有溫度檢測模塊，該模塊除了顯示溫度，還為控制器提供溫度數據。當溫度值大于設定值時，控制器調節PWM，加大制冷效果，直到溫度值達到平衡為止。

通過設計和制作一臺智能型光伏半導體冰箱樣機，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。整個內部空間用保溫材料保護，最外層用有機玻璃，透過其可以看見內部結構。

對該裝置進行簡單的實驗，可以得到以下結論。

（1）在室外環境為25℃的氣候條件下，樣機無負荷運行，箱內制冷溫度可以達到10℃，可以達到一般的冷藏效果。

（2）智能型光伏半導體冷箱替代傳統冷藏箱，具有方便攜帶、無毒、無噪音、無制冷劑污染、不消耗電網電能、運行穩定和可靠性高等優點。

（3）光伏半導體制冷系統可解決偏遠山區、日照充足的高原、沙漠地區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。盡管當前設計該產品成本相對較高、效率較低，但隨著光伏轉換效率的提高以及技術的不斷進步半導體制冷效率不斷提升，制造出完美的智能型光伏半導體冰箱是完全可以實現的。

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