太陽能戶外儲物箱實驗研究

趙志龍 權(quán) 祥 陳嘉祥 羅天杰 焦富強 鄧 敏

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

0 引言

隨著人類對環(huán)境的保護意識增強，包括太陽能、風能等綠色能源在整個能源的占有比例越來越大。其中太陽能由于不受地點、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)與戶外儲物箱結(jié)合可以解決戶外儲物箱工作時所需能源問題。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。國外的Thomachan等[1-2]對太陽能電池發(fā)電的冰箱系統(tǒng)的鉛酸蓄電池的兼容性、太陽能電池板對鉛酸蓄電池的充放電特性進行了研究。研究表明鉛酸蓄電池能夠較好的兼容太陽能電池板充電，同時也能夠?qū)Ρ溥M行較好的供電。黃潔等[3-4]通過直流電對傳統(tǒng)冰箱供電進行研究，同時分析了直流電對冰箱的性能影響，結(jié)果顯示系統(tǒng)的COP值從早上到下午逐漸減小。國內(nèi)徐巧年等[5-8]將半導體制冷芯片應(yīng)用到太陽能冰箱上，并進行了性能研究。實驗結(jié)果顯示半導體芯片冰箱的充放電性能與光強有很大關(guān)系，并測出使COP和制冷量達到最大值的最佳光強。目前將鋰電池作為蓄電裝置應(yīng)用到太陽能半導體儲物箱上，不但可以減少戶外儲物箱的重量，而且提高儲物箱的保存食物的時間。 本研究以12 V太陽能半導體儲物箱為研究對象，鋰電池為蓄電裝置。通過實驗分析冰箱系統(tǒng)在運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 實驗裝置及運行原理

本次研究的太陽能儲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體制冷芯片等部件如圖1。儲物箱體積2 L,本儲物箱的半導體制冷芯片型號為TEC2-19006，工作電壓12 V，最大工作電流6 A。鋰電池型號12 V，30 AH。發(fā)電板由四塊12 V，1.5 A的電池板組成，分別安裝在儲物箱的前部、上部和兩側(cè)。

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

儲物箱的工作原理：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同時對儲物箱制冷芯片和鋰電池進行供電。在陰雨天氣情況下，可以由光伏電池板和鋰電池同時為儲物箱供電。儲物箱前部安裝液晶顯示測溫裝置，測溫探頭安裝在儲物箱內(nèi)部，可實時監(jiān)控儲物箱內(nèi)部溫度變化。儲物箱內(nèi)部空間頂部安裝紫外殺菌燈，可進一步保障儲物箱食物安全。

2 實驗結(jié)果與分析

實驗測試條件溫度25 ℃，模擬光功率1 200 W/m2下進行的，儲物箱置于室外。

圖2為同一天不同環(huán)境溫度條件下儲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試結(jié)果都顯示儲物箱制冷系統(tǒng)在12分鐘時間內(nèi)，儲物箱的降溫幅度大于28 ℃。在外部溫度29.4 ℃的條件下，儲物箱最低溫度達到零下1.5 ℃。

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

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

圖3 負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，在晴天條件下儲物箱可以在戶外將儲物箱內(nèi)部1 kg水在6 ℃以下保存5小時。在陰天條件下儲物箱也可以保存3個小時，滿足戶外工作人員對午餐的保存時長要求。

圖4、圖5分別為晴天和陰天條件下，儲物箱制冷系統(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，開始工作時先提高功率達到最高值時穩(wěn)定輸出一段時間再下降到0。半導體制冷系統(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，儲物箱5小時的保存時間內(nèi)，功率峰值波動性較小。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，導致蓄電池電壓降低輸出電流減少，所以半導體制冷系統(tǒng)的輸出功率在3小時后急劇減少，這也是導致儲物箱在陰天條件下3小時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)計制作12 V太陽能戶外儲物箱。并對儲物箱空載和負載條件下進行實驗研究，并測得在晴天和陰天條件下的儲物箱內(nèi)部溫度和半導體制冷系統(tǒng)的功率曲線。具體結(jié)論如下：

(1) 太陽能戶外儲物箱在空載和負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1 328 W/m2光強條件下，對1 kg 水，初始溫度為5 ℃的保溫實驗，結(jié)果顯示：太陽能戶外儲物箱可保溫6 ℃長達5小時，陰天條件下，也可以保溫3小時滿足戶外工作人員午餐保溫要求。

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