太陽能戶外儲(chǔ)物箱實(shí)驗(yàn)研究

趙志龍 權(quán) 祥 陳嘉祥 羅天杰 焦富強(qiáng) 鄧 敏

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

0 引言

隨著人類對(duì)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，包括太陽能、風(fēng)能等綠色能源在整個(gè)能源的占有比例越來越大。其中太陽能由于不受地點(diǎn)、季節(jié)的影響越來越多的應(yīng)用在生活中。包括太陽能路燈、太陽能電站、家庭太陽能發(fā)電系統(tǒng)等。將太陽能發(fā)電技術(shù)與戶外儲(chǔ)物箱結(jié)合可以解決戶外儲(chǔ)物箱工作時(shí)所需能源問題。可以為戶外工作人員更好的保存食物，提高戶外工作人員的幸福感。國(guó)外的Thomachan等[1-2]對(duì)太陽能電池發(fā)電的冰箱系統(tǒng)的鉛酸蓄電池的兼容性、太陽能電池板對(duì)鉛酸蓄電池的充放電特性進(jìn)行了研究。研究表明鉛酸蓄電池能夠較好的兼容太陽能電池板充電，同時(shí)也能夠?qū)Ρ溥M(jìn)行較好的供電。黃潔等[3-4]通過直流電對(duì)傳統(tǒng)冰箱供電進(jìn)行研究，同時(shí)分析了直流電對(duì)冰箱的性能影響，結(jié)果顯示系統(tǒng)的COP值從早上到下午逐漸減小。國(guó)內(nèi)徐巧年等[5-8]將半導(dǎo)體制冷芯片應(yīng)用到太陽能冰箱上，并進(jìn)行了性能研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示半導(dǎo)體芯片冰箱的充放電性能與光強(qiáng)有很大關(guān)系，并測(cè)出使COP和制冷量達(dá)到最大值的最佳光強(qiáng)。目前將鋰電池作為蓄電裝置應(yīng)用到太陽能半導(dǎo)體儲(chǔ)物箱上，不但可以減少戶外儲(chǔ)物箱的重量，而且提高儲(chǔ)物箱的保存食物的時(shí)間。 本研究以12 V太陽能半導(dǎo)體儲(chǔ)物箱為研究對(duì)象，鋰電池為蓄電裝置。通過實(shí)驗(yàn)分析冰箱系統(tǒng)在運(yùn)行過程中各部件的電流、電壓以及冰箱內(nèi)部溫度的變化情況，探討系統(tǒng)的性能效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行原理

本次研究的太陽能儲(chǔ)存箱主要包括太陽能光伏電池、鋰電池、光伏控制器以及半導(dǎo)體制冷芯片等部件如圖1。儲(chǔ)物箱體積2 L,本儲(chǔ)物箱的半導(dǎo)體制冷芯片型號(hào)為TEC2-19006，工作電壓12 V，最大工作電流6 A。鋰電池型號(hào)12 V，30 AH。發(fā)電板由四塊12 V，1.5 A的電池板組成，分別安裝在儲(chǔ)物箱的前部、上部和兩側(cè)。

圖1 太陽能儲(chǔ)存箱連接圖Fig. 1 Connection diagram of solar energy storage box

儲(chǔ)物箱的工作原理：正常光照條件下，首先太陽能電池板輻射到表面的太陽光直接轉(zhuǎn)換成直流電。控制器將直流電壓電轉(zhuǎn)換成12 V同時(shí)對(duì)儲(chǔ)物箱制冷芯片和鋰電池進(jìn)行供電。在陰雨天氣情況下，可以由光伏電池板和鋰電池同時(shí)為儲(chǔ)物箱供電。儲(chǔ)物箱前部安裝液晶顯示測(cè)溫裝置，測(cè)溫探頭安裝在儲(chǔ)物箱內(nèi)部，可實(shí)時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)物箱內(nèi)部溫度變化。儲(chǔ)物箱內(nèi)部空間頂部安裝紫外殺菌燈，可進(jìn)一步保障儲(chǔ)物箱食物安全。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件溫度25 ℃，模擬光功率1 200 W/m2下進(jìn)行的，儲(chǔ)物箱置于室外。

圖2為同一天不同環(huán)境溫度條件下儲(chǔ)物箱在戶外空載狀態(tài)下的降溫情況。從圖中可以看出三次測(cè)試結(jié)果都顯示儲(chǔ)物箱制冷系統(tǒng)在12分鐘時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)物箱的降溫幅度大于28 ℃。在外部溫度29.4 ℃的條件下，儲(chǔ)物箱最低溫度達(dá)到零下1.5 ℃。

圖2 空載條件下的降溫曲線Fig. 2 Cooling curve under no load condition

圖3為儲(chǔ)物箱內(nèi)部存放1 kg溫度為5 ℃水進(jìn)行保溫實(shí)驗(yàn)，模擬在晴天和陰天兩種條件下的儲(chǔ)物箱溫度曲線。

圖3 負(fù)載條件下的溫度曲線Fig. 3 Temperature curve under load condition

其中模擬晴天太陽能光功率設(shè)置為1 200 W/m2，模擬陰天的太陽光功率設(shè)置為700 W/m2，從圖中可以看出，在晴天條件下儲(chǔ)物箱可以在戶外將儲(chǔ)物箱內(nèi)部1 kg水在6 ℃以下保存5小時(shí)。在陰天條件下儲(chǔ)物箱也可以保存3個(gè)小時(shí)，滿足戶外工作人員對(duì)午餐的保存時(shí)長(zhǎng)要求。

圖4、圖5分別為晴天和陰天條件下，儲(chǔ)物箱制冷系統(tǒng)正常工作條件下的功率曲線。制冷芯片的工作周期為0.5 h，開始工作時(shí)先提高功率達(dá)到最高值時(shí)穩(wěn)定輸出一段時(shí)間再下降到0。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的功率與蓄電池輸出電壓和電流有關(guān)，晴天狀態(tài)條件下，太陽能電池板可以持續(xù)為蓄電池供電，儲(chǔ)物箱5小時(shí)的保存時(shí)間內(nèi)，功率峰值波動(dòng)性較小。而陰天條件下，由于太陽能電池板不能提供給蓄電池足夠的電能，導(dǎo)致蓄電池電壓降低輸出電流減少，所以半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的輸出功率在3小時(shí)后急劇減少，這也是導(dǎo)致儲(chǔ)物箱在陰天條件下3小時(shí)后溫度上升的主要原因。

圖4 晴天條件下的功率曲線Fig. 4 Power curve under sunny conditions

圖5 陰天條件下的功率曲線Fig. 5 Power curve under cloudy conditions

3 結(jié)論

本研究通過設(shè)計(jì)制作12 V太陽能戶外儲(chǔ)物箱。并對(duì)儲(chǔ)物箱空載和負(fù)載條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并測(cè)得在晴天和陰天條件下的儲(chǔ)物箱內(nèi)部溫度和半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的功率曲線。具體結(jié)論如下：

(1) 太陽能戶外儲(chǔ)物箱在空載和負(fù)載條件下均能正常工作。空載狀態(tài)下，在戶外30 ℃條件下工作12 min可降溫25 ℃以上。

(2) 在中午12點(diǎn)1 328 W/m2光強(qiáng)條件下，對(duì)1 kg 水，初始溫度為5 ℃的保溫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：太陽能戶外儲(chǔ)物箱可保溫6 ℃長(zhǎng)達(dá)5小時(shí)，陰天條件下，也可以保溫3小時(shí)滿足戶外工作人員午餐保溫要求。

(3) 儲(chǔ)物箱中的半導(dǎo)體芯片制冷系統(tǒng)在晴天狀態(tài)下功率可穩(wěn)定輸出5小時(shí)，比陰天條件下多輸出2小時(shí)，說明太陽能電池板對(duì)儲(chǔ)物箱系統(tǒng)充電效果明顯。