太陽能智能生鮮自提柜設計

徐 沖，錢劍峰，高欣月，熊 雪，趙 強，荊 瑩

（哈爾濱商業大學 能源與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028）

太陽能智能生鮮自提柜設計

徐 沖，錢劍峰，高欣月，熊 雪，趙 強，荊 瑩

（哈爾濱商業大學 能源與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028）

智能自提柜應用日趨廣泛，但其功能相對單一，不能存儲大量的生鮮產品，使得產品質量缺乏保證。針對以上現象，對已有自提柜進行研究，并闡述了智能自提柜以及太陽能制冷的發展現狀，在分析自提柜工作原理與組成的基礎上，對自提柜制冷系統進行了合理的設計，并說明其操作流程與優點，為“最后一公里”生鮮產品的配送問題提供了有效的解決方案。

生鮮自提柜；太陽能制冷；二維碼技術

1 引言

隨著網絡的高度普及，網購已然成為一種潮流，它是一種高度信息化時代的產物。由于網購不受時間、地點的限制，消費者可從網上獲得大量的商品信息，省時省力。隨著線上購物平臺的搭建，網購的數量、種類也逐漸增加和豐富。在傳統快遞收發過程中，存在諸多問題：手寫快遞單因字跡潦草而出現差錯、延遲派送、快遞單浪費嚴重、效率低下；此外，近年來快遞員入室為廣告推銷、騷擾、搶劫等不法行為提供了可乘之機，使消費者面臨個人信息泄漏的安全隱患[1]。“最后一公里”問題在一定程度上制約著快遞企業的發展[2]。

國內外的企業以及學者都對“最后一公里”存在的問題進行了研究，找到了一種解決方案—智能快遞柜。智能快遞柜是一種基于物聯網的識別、暫存、監控快件的自助服務設施，安置在公眾場合，供快遞員寄存快件和消費者提取快件。自投入使用以來，注冊用戶日趨增加，受到了快遞員、消費者、物業等多方的好評。但由于我國在這一方面起步較晚，因此與國外存在差距[3]。

2 智能自提柜的發展現狀

在國外，智能自提柜經過十多年的發展，技術已趨于成熟。早在2012年，DHL國際快遞就在瑞士的三個不同地點進行了測試，測試表明注冊用戶日趨增多[4]。除此之外，美國的Amanon Locker、加拿大的Boffer Box等均已投入市場多年[5]，日本每棟樓宇都有安置，用來寄存快遞，只有信用卡等貴重物品需由本人簽字，給消費者帶來極大便利的同時也保護了消費者隱私。

在國內，快遞行業在電子商務的熏陶下成長，但信息化、智能化較為落后，因此智能自提柜與國外有一定的差距。國內較大的電商企業諸如淘寶、蘇寧易購、京東以及聚美等都勇于嘗試智能快遞柜，而且圓通、中通、郵政等物流公司也相繼與智能快遞柜建立了良好的合作關系[6]。但在具體的運營過程中仍存在一些問題：一是推廣力度不夠，使用者較少；二是快件的安全難以得到保障；三是自提柜規格難以與快遞尺寸相吻合[7]。

雖然智能快遞自提柜目前仍處于發展初期，還有諸多問題有待完善，但就其發展勢頭和發展前景來看，仍具有極高的可行性和有效性，對于物流行業未來的發展將起到舉足輕重的作用，勢必會擴大其影響領域，帶動多方經濟發展[8]。

3 太陽能制冷技術發展現狀

太陽能是一種豐富、清潔的可再生能源，經過世界各國幾十年的不懈努力，太陽能制冷技術已經有了較為完善的發展，并表現出如下特點：一是發達國家占據著太陽能制冷技術的制高點；二是太陽能制冷技術的擁有者為企業，如美國的Sun Power和德國的Siemens Solar等企業在太陽能光伏市場上都有非常強的占有力[9]。

對于光熱轉換的太陽能驅動制冷技術，目前常見的有兩種技術形式，即太陽能吸收式制冷和太陽能吸附式制冷[10]。但太陽能吸收式制冷系統占據空間大，運行復雜，安全系數低；太陽能吸附式制冷系統需要連接管路，能量損失量大，制冷效率低[11]。

上述兩種制冷技術比較成熟，但cop值不高，而太陽能光伏制冷技術融合了光伏發電技術和制冷技術，比普通的制冷設備更高端。光伏制冷技術有諸多優點：（1）制冷量大，效率高；（2）可以大規模的利用，減小了用電高峰期電網的壓力；（3）利用太陽能，節能環保[12]。太陽能光伏制冷系統根據光伏發電系統可分為獨立光伏制冷系統和并網光伏制冷系統，目前，美國、德國等先進國家大多采取可逆流的并網光伏制冷系統。但是如今的光伏制冷面臨著成本高、光電轉化率低下的問題，各國正積極探索新的解決方案[13]。

除此之外，查閱相關資料，得知晴天和雨天太陽能光伏電池與蓄電池工作電流和電壓變化狀況，如圖1、圖2所示[14]。由圖可以看出，無論是晴天還是雨天太陽能光伏電池在白天產生的電壓要大于蓄電池所產生的電壓，因此太陽能光伏電池更節能。

圖1 晴天太陽能光伏電池與蓄電池工作電壓和電流圖

圖2 雨天太陽能光伏電池與蓄電池工作電壓和電流圖

4 太陽能智能生鮮自提柜的基本概況及組成部分

4.1 基本概況

該自提柜的尺寸為145mm×40mm×140mm(長×寬×高),有效容積為437.5L，制冷系統采用單級蒸汽壓縮式，制冷工質為R134a，其原理圖如圖3所示。

4.2 組成部分

生鮮自提柜由自提柜箱體、PC服務端、光伏制冷系統以及市電供電系統組成，如圖4所示。自提柜箱體的箱格尺寸大小不一，滿足不同規格快件的寄存；PC服務端將快遞員和消費者聯系在一起，并且應用二維碼技術讓快遞員完成快件的寄存和消費者取件；并網光伏系統

圖3 自提柜工作原理圖

圖4 自提柜的組成結構

5 太陽能智能生鮮自提柜制冷系統的設計

5.1 總熱負荷計算

熱負荷包括箱體漏熱量Q1、開門漏熱量Q2、貯物熱量Q3和其他熱量Q4。

5.1.1 箱體漏熱量Q1。箱體漏熱量包括通過箱體隔熱層的漏熱量Qa、通過箱門和門封條的漏熱量Qb、通過箱體積結構形成的漏熱量Qc。

（1）箱體隔熱層的漏熱量Qa。雖然箱體內壁塑料板很薄，但其熱阻很大，因此箱體的傳熱過程可視為單層大平壁的傳熱，計算公式如下：

式中，A—箱體表面積，單位m2；

t1,t2—分別為箱體外空氣溫度及箱體內空氣溫度，單位為℃；

K —傳熱系數，單位為W/（m2·k）。

傳熱系數K的計算公式為：

式中,α1—箱體空氣對箱體外表面的傳熱系數，單位為W/（m2·k）；α2—內箱壁面對箱內空氣的表面傳熱系數，單位為 W/（m2·k）；δ—隔熱層厚度，單位為m；λ—隔熱層保溫材料的導熱系數，單位為W/(m·k)。

為 方 便 計 算 ，取 α1=10 W/（m2·k） ， α2=20 W/（m2·k），隔熱層厚度取 δ=0.15m ，導熱系數可取 λ=0.03 W/(m·k)，則 K=0.2 W/(m2·k)。

箱體表面積A=5.62m2，查《制冷工程設計手冊》，以北京地區為例，t1=32℃,箱體內溫度取最低溫度體t2

（2）通過箱門和門封條的漏熱量Qb。由于Qb很難用計算法計算，一般根據經驗值，取Qb為Qa的15％值，則Qb=15％Qa=0.15×56.2=8.43W。

（3）箱體積結構形成的漏熱量Qc。采用聚氨酯發泡成型隔熱結構的箱體，無支撐架形成的箱體，因此Qc的值忽略不計。箱體漏熱量Q1=Qa+Qb=56.2+8.43=64.63W。

5.1.2 開門漏熱量Q2。自提柜開門漏熱量與開門的頻率有關，通過調研消費者購買生鮮產品的頻率以及設定的箱體個數，假設平均開門次數為每小時1～2次，假設每次開門時箱外空氣全部交換，則開門漏熱量可用下式計算：

式中:VA—自提柜內容積，單位為m3；n—開門次數；Δh—自提柜外部空氣溫度達到箱體內溫度時的比焓差，單位為kJ/kg；γa—空氣的比容，單位為m3/kg。

5.1.3 貯物熱量Q3。自提柜的貯物熱量無明確規定的標準，一般按電冰箱標準中的“制冰能力”項提出的“以電冰箱內容積0.5％的25℃水，在2h內結成實冰”的規定進行計算，實冰的溫度按-2～-5℃取值。貯物熱量可按下式計算：

式中，m—水（冰）的質量，單位為kg；C—水的比熱 容 ，C=4.19kJ/（kg·k）；Cb— 冰 的 比 熱 容 ，Cb=2 kJ/（kg·k）；γ—水的凝固熱（冰的溶解熱），γ=333 kJ/kg；t1,t2—水的初始溫度和凍結終了的溫度，單位為℃。

水的質量m=437.5×0.005=2.19kg，水的初始溫度取t1=25℃，實冰的溫度取t2=-2℃，則Q3=134.37W 5.1.4 其他熱量Q4。其他熱量包括箱內照明燈、風扇的散發熱量以及電動機運轉的散熱量。經計算得：Q4=34.66W。

自提柜的總熱負荷為Q=1.1（Q1+Q2+Q3+Q4）=288.74W。

5.2 制冷系統的熱力計算

R134a的換熱性能比R12好，所以在相同的換熱面積情況下，可以降低蒸發器和冷凝器的傳熱溫差。本文設計時為便于壓縮機選型，故選擇其冷凝溫度tk為54.4℃，蒸發溫度to為-23.3℃。循環各性能指標計算值見表1。

表1 循環各性能指標

5.3 壓縮機選型及熱力計算

設計工況參數見表2。

表2 熱物質參數列表

經過計算得：輸氣系數λ=0.55；壓縮機制冷量Q0=0.288kw；壓縮機電功率Pel=269.62W。

根據以上求取的壓縮機理論輸氣量、壓縮機制冷量、電功率等參數，參照按R134a制冷工質設計的壓縮機有關規格參數表，現選擇丹佛斯生產的R134a壓縮機，型號為SC15G，額定制冷量為314W，輸入功率為385W，電源電壓240V、60Hz。

5.4 板式蒸發器

由自提柜的機器負荷可知，-18℃工作下壓縮機的制冷量Q0=288W；查《實用制冷維修工計算手冊》，板式換熱器R134a制冷劑傳熱系數K=3 300～3 500W/（m2·℃）；傳熱溫差為：

式中，t1—載冷劑進口溫度，t1=-16.3℃，t2—載冷劑出口溫度，t2=-15℃，t0—蒸發溫度，t0=-23.3℃,則Δtm=7.65℃，則板式蒸發器的傳熱面積A=0.011m2。

5.5 板式冷凝器

冷凝器熱負荷包括制冷劑在蒸發器中吸收的熱量及在壓縮過程中所獲得的機械功所轉換的熱量，則Qk=288+269.62=557.62W；查《實用制冷維修工計算手冊》，板式換熱器R134a傳熱系數 K=3 300～3 500W/（m2·℃），傳熱溫差為：

5.6 毛細管長度的計算

自提柜制冷劑采用R134a時，其毛細管長度可先按R12計算，然后再加以修正。制冷劑的流速可按下式計算：

計算得W=11.68m/s,雷諾數為11 634.37。

管長公式為：

計算得L=2.24m。由于制冷工質采用R134a后其流量約減少10％-20％，現選取毛細管長度增加20％，毛細管長度為:L=2.24×1.2m=2.69m

通過以上計算結果最終確定制冷系統各個設備的型號和規格，從而確定太陽能板的面積及蓄電池的大小。

6 太陽能智能生鮮自提柜的操作流程

自提柜的操作流程如圖5所示。

圖5 自提柜的操作流程

7 太陽能智能生鮮自提柜的優點

（1）自提柜設置常溫、冷藏及冷凍三種規格，滿足不同類型生鮮制品對溫度的要求。

（2）通過PC服務端可實現配送員、消費者自助取、配件。遠程監控使整個操作流程高效、便捷、安全。

（3）將光伏制冷系統與市電供電系統配合使用，實現互補，保證自提柜不間斷運行。整個系統運行將節約大量的電能，降低使用成本。

（4）壓縮機采用直流變頻壓縮機，無需逆變器，可提高能量利用效率，簡化太陽能發電系統，提高系統運行可靠性。

（5）蓄電池、控制器與自提柜一體化設計，且柜底部裝有滾動滑輪，方便移動安裝，簡潔美觀。

8 結論

通過對現有智能快遞柜及太陽能制冷技術發展現狀分析以及對新型自提柜的設計可知，一方面采取太陽能光伏制冷及輔助發電，節能環保，降低冷鏈物流成本；另一方面，將二維碼技術應用其中，保護消費者隱私。將此自提柜應用于快遞終端配送，不僅能幫助消費者節約時間，降低產品損耗，又能滿足電商快遞高速增長的需求，更能帶動農村經濟增長，推動社會進步，響應李克強總理在常務會上提出的智慧物流的號召。雖然光伏制冷面臨著成本高、光電轉化率低下的問題，但從長遠角度來看，這將極大地提高人們生活的便利程度，發展前景較好，因此提出相應解決方案尤為重要。

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Design of Solar Powered Intelligent Fresh Product Self-collection Cabinet

Xu Chong,Qian Jianfeng,Gao Xinyue,Xiong Xue,Zhao Qiang,Jing Ying
(School of Energy&Civil Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150028,China)

In this paper,we studied the limitation of the intelligent self-collection cabinet at the current stage,and introduced the development status quo of solar powered refrigeration and the solar powered intelligent fresh product self-collection cabinet.Next based on an analysis of the working principle and composition of the self-collection cabinet,we designed the proper refrigeration system for the cabinet and elaborated on its strength and operational process.

freshproduct self-collectioncabinet;solar powered refrigeration;2D barcodetechnology

U16;F252.14

A

1005-152X(2017)07-0145-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.07.031

2017-05-14

全國大學生創新創業訓練計劃項目（201610240028）

徐沖，女,河南濮陽人，哈爾濱商業大學學生；錢劍峰（1979-），通訊作者，男，教授,博士后。