一種基于太陽能發電的半導體制冷箱*

盛 珺 ， 胡海濤 ， 劉俊峰 ， 李 清 ， 徐瑤瑤

（南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226001）

1 半導體制冷原理

半導體制冷片是一個熱傳遞的工具，其基本單元是一種半導體熱電偶對，由一塊P型半導體和一塊N型半導體連接組成。根據珀耳帖效應，當N型半導體和P型半導體結合成的熱電偶對中有電流通過，兩端就會產生熱量轉移，熱量會從一端轉移至另一端，從而產生溫差，形成冷熱端。溫度升高的一端稱為熱端，其電流由P型半導體流向N型半導體；反之，溫度下降的一端稱為冷端，電流由N型半導體流向P型半導體[1-4]。當電流經過半導體自身存在的電阻時會產生熱量，從而影響熱量傳遞。兩個極板之間的熱量也同樣會通過空氣或者半導體材料自身進行逆向的熱量傳遞。當冷熱端達到一定的溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡，正逆向熱傳遞就會相互抵消，此時冷熱兩端的溫度就不會再繼續發生變化。半導體制冷片制冷性能的提高，除了與其本身材料和制作工藝有關外，還與驅動電壓和制冷片散熱方式有關。風扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱，如果通過主動散熱的方式來降低熱端溫度，那冷端溫度也會相應地下降，從而達到更低的溫度，使制冷片的制冷效果達到更好。

2 制冷箱設計

本設計主要是設計一款可供戶外使用的太陽能制冷箱，包含了半導體制冷片制冷、太陽能板發電、雙蓄電池輪流充放控制、溫度感應控制、高效保溫等功能。本產品通過太陽能發電、半導體制冷片制冷，為戶外活動和工作者等特定人群提供有效的制冷和保鮮，解決了戶外保鮮難和供電不足等問題。使用包含自動和手動控制的ATMEGA328P-AU高性能控制器，可以達到手動調控溫度以及精準自動感應和調節溫度的控制效果，這樣會大幅減少電量的損耗。同時，使用自主研發的雙蓄電池輪流充放控制系統，使續航能力大大提升。

2.1 系統方案設計

整套系統主要包括太陽能板、控制器、蓄電池組以及制冷機組4個部分，因為全是直流機組，所以無須用到逆變器。控制器為該系統的核心單元，主要完成自動選擇供電電源（光伏系統供電／220 kV配電網供電）、蓄電池充放電控制、安排切換器工作。發電單元主要為光伏電源，為了確保意外事故時可以從主電網獲得應急供電，本設計將交流220 V配電系統作為光伏離網發電系統的備用電源。

2.2 半導體制冷片的選擇

在本產品設計中，選用TEC1-12706型制冷片。因為該制冷片是市場使用量最大的制冷片型號之一，各供應廠商這種型號的制冷片生產量也大，從而降低了生產成本，售價比其他型號（規格）的便宜，且通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，且擁有溫度檢測和控制手段，可以較為方便地搭配控制器進行溫度檢測與控制。

目前，市面上可供選擇的半導體制冷片較多，大致可分為兩類：TEC系列和TES系列。TEC系列每個元件的面積大于1 mm；TES系列每個元件的面積小于1 mm。同樣尺寸同樣產冷（或者產熱）功率下，TES的元件數量要比TEC多，電壓比TEC大，電流也比TEC大。

例如，TEC1－12706制冷片，其型號含義：“TE”指器件為溫差電制冷器件，“C”指器件為陶瓷板結構，“1”指器件級數為1，“127”指制冷片電偶對數，“06”指器件最大溫差電流為6 A。

半導體制冷片的選擇是整個系統能否達到深度溫控的決定性環節，因此，選擇適合此系統的半導體制冷片型號是十分重要的。

2.3 太陽能/儲能系統的選擇設計

光伏系統和儲能系統是整套設備的關鍵，關系到產品的能量來源以及續航。

2.3.1 太陽能光伏發電系統

因為本產品主要用于戶外，選擇離網型太陽能光伏發電系統。要根據負載的功率、用途等決定系統的構成，所以本設計選用直流負載蓄電池使用型。在太陽能板角度的設計上，采用可調節的齒輪構造，可根據具體情況來調節太陽能電池板的傾角，且太陽能板是折疊型的可收縮折疊。

經過基礎的計算可得：一日必要的電流量IL=30 A·h/d，必要的太陽能電池電流IS=12.5 A。因為采用輪流充放系統，可以節省部分電量和電池，最終選擇12塊6 V 1 A的太陽能電池板，進行兩串六并連接。

使用設備所必要的電流為I（A），一日使用時間為T（h）。一日必要的電流量IL=I×T=6×4=24 A·h/d。

安全系數為0.6，平均日照時間tS為3 h ~4 h。必要的同樣電池的電流：

2.3.2 儲能系統

儲能設備是整套產品最大的能量儲存裝置，如果說太陽能發電系統是心臟，那這儲能系統就是脂肪，是儲存能量的地方。本產品選擇使用雙蓄電池輪流充放系統，且配備備用電池，以備不時之需。

離網太陽能電源使用兩組電池，此蓄電池主要通過太陽能電池板進行充電，每組由27個3.7 V 3 000 mAh 18 650高倍率動力型充電鋰電池組合而成。單組電池通過九并三串焊接而成，每個電池內部加裝優質防爆閥，實際工作電壓11.1 V且容量為27 Ah，并安裝自主研制的充電保護系統。蓄電池組將光伏板產生的電存儲起來，并有目的地向負載輸送，且同時可以外接家用220 V給蓄電池充電，供電更加持續穩定。備用電池是40 Ah的鋰電池，通過家用220 V進行充電，只有當太陽能電池無法繼續循環充放電時才會使用備用電池。

2.4 智能控制系統

控制部分是整套設備的大腦，控制銜接著其他的系統，統籌調劑。

2.4.1 控制系統總框架

整個控制系統主要由三部分組成。第一部分是由繼電器和分壓電阻組成的雙電源控制系統，主要功能有保護鋰電池防止過充和過放，雙電源工作狀態選擇和切換。第二部分是溫度控制模塊，主要功能是將箱體內溫度控制在用戶設定的值。第三部分是基于ATMEGA328P芯片的主控核心，包括復位、晶振、穩壓等最小系統電路，該部分主要是對I/O接口和通信接口的定義，組成一個低功耗、低成本的控制系統。本設計使用ATMEGA328P芯片作為主要控制芯片，內置模數轉換器，數據更為穩定。相對于其他類型的芯片，該芯片引腳功能更豐富，可以直接省去模數轉換芯片。

控制系統整體框架，如圖1所示。

圖1 整體控制系統框圖

2.4.2 電源控制系統設計

電源控制系統是根據電池空載時的電池電壓來判斷電池電量，然后通過芯片控制雙電池的充電和放電，以及對保護電池不被過充和過放。

主要功能有：

1）電池電量的讀取和顯示，讓用戶可以直觀地看到電池的剩余電量。

2）電池充電和放電的自動切換，讓太陽能板一直處于工作狀態，提高工作效率。

3）過充和過放保護，讓蓄電池處于健康的電壓范圍，延長使用壽命。

雙蓄電池工作控制流程，如圖2所示。

圖2 雙蓄電池工作流程圖

程序開始后不停地檢測蓄電池電壓來控制蓄電池工作狀態和保護蓄電池。雙蓄電池共有四種狀態，分別是同時滿電、A電池電量大于B電池電量、B電池電量大于A電池電量、同時沒電。該控制邏輯可以讓充、放電同時進行，并且讓工作狀態保持穩定，充、放電互不干擾，在控制蓄電池工作的同時，可以最大限度地保護蓄電池處于健康工作狀態。

2.4.3 溫度系統設計與控制流程

溫度控制系統使用DHT22傳感器模塊，該傳感器溫度可同時測量溫度和濕度，測量精度在可接受范圍之內，截面最大尺寸也小于30 mm。溫度控制系統采用雙溫度傳感器，測量箱體外溫度和箱體內溫度，后期可用于智能溫控系統。

啟動后將自動開始向目標溫度制冷，當箱體內溫度達到用戶設定的值時，斷開電源，進入等待狀態；當箱體內溫度變化時，繼續開始制冷，從而達到恒溫狀態。

溫度控制工作流程，如圖3所示。

圖3 溫度控制工作流程圖

2.5 材料選型

本設計的外箱采用亞克力板進行外包，亞克力板韌性好，不易破損；且可以很好地與聚氨酯板進行黏合；同時，亞克力板顏色多樣，可以滿足不同的顏色需求。如表1所示。

表1 各材料性質及優缺點

箱體的保溫材料選擇聚氨酯板和XPS擠塑板，它們具有保溫效果好、結構強度高、耐水汽、耐腐蝕、絕緣性佳等特點，故作為最終保溫材料的選擇。

3 結論

太陽能半導體制冷箱將會是一種市場前景廣闊的產品設計，這種新型的制冷方式是一種季節匹配性很好的制冷方式。本產品輕便易攜帶，可太陽能充電和家用220 V直接充電，能用來保鮮食物、儲存藥劑和一些醫學產品等，在無電或缺電的地方讓用戶們體驗到良好的降溫保溫效果。