智能型太阳能光伏半导体制冷电冰箱设计及制作

刘杰等

摘 要：设计了太阳能光伏电池驱动的半导体制冷冰箱，整个系统由单片机控制，电能一部分用于制冷一部分存储于蓄电池中；同时设计了相关的硬件电路，编写了相应的软件程序，实现的温度控制和制冷要求。该设计是一种智能、新型、低碳的电冰箱形式。

关键字：太阳能 半导体制冷 电冰箱

中图分类号：TB6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0104-02

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是分布式发电还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和蓄电池等主要部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件。当前，这种发电技术的关键元件在于光伏组件的优劣。光伏组件（即太阳能电池）经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电是太阳能发电的一种形式，它容易实现、成本低廉、运行可靠，已经在电力能源中占有一定的比率。在倡导节能、减排、低碳、环保的主旋律下，绿色、清洁、可持续发展的太阳能是今后能源的主要来源。太阳能将在各个领域得到广泛应用。其中，太阳能半导体制冷冰箱就是光伏发电的应用形式之一。无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的，中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10%。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。但是，太阳能电池板的生产却具有高污染、高能耗的特点，这是制造领域需要解决的关键问题。在整个太阳能电池板的制造过程中，将消耗大量的电能和水，污染了环境也损耗部分能源。同时，对于中国这样的制造大国来说，电池板出口越多对国内的环境影响就越大。在今后的十几年中，中国光伏发电的市场将会由分布式发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。中国太阳能光伏发电发展潜力巨大，配合积极稳定的政策扶持，到2030年光伏装机容量将达1亿千瓦，年发电量可达1 300亿千瓦时，相当于少建30多个大型煤电厂。国家未来三年将投资200亿补贴光伏业，中国太阳能光伏发电又迎来了新一轮的快速增长，并吸引了更多的战略投资者融入到这个行业中来。光伏发电的各种衍生产品也陆续产生，满足了工业生产和人们的日常生活需求。

半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用由两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关。半导体制冷片不需要制冷剂，没有污染源，工作时没有震动、噪音、寿命长；作为一种电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制。半导体制冷已经在航空航天、医疗技术、生物工程等领域得到广泛的应用。

夏天是阳光充足的季节，也是冰箱使用最为频繁的时间。如何将大量的太阳能利用起来达到制冷的效果？答案就是将太阳能发电与半导体制冷联系起来，设计出智能型半导体制冷冰箱，方案可行，效果理想。以下是设计的主要内容和制作的实物样机。

1 半导体制冷冰箱总体设计

冰箱箱体由内胆、隔热层、门外壳等组成。为了便于携带，设计的箱体体积较小。考虑到现有光伏电池板的尺寸，设计冰箱的大小为600 mm×540 mm×400 mm。半导体制冷冰箱系统由太阳能电池板、蓄电器、控制器、半导体制冷片、散热器、检测和显示电路构成，其结构如图1 所示。太阳能电池板（Solar panel）是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”，但因制作成本很大，以至于它还不能被大量广泛和普遍地使用。相对于普通可循环充电的电池来说，太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。因此，选用太阳能电池板作为动力源是可以达到低碳、环保的效果。要想达到很好的制冷效果，对材料的保温性能有一定的要求。在参照现有冰箱的保温材料的同时，选择以泡沫盒作为内壳，外加聚氨酯材料作为内外层填充物，增强保温效果。冰箱门采用有机玻璃，透过其可以看到物体在冰箱内制冷的情形。

2 半导体制冷冰箱硬件设计

系统能够可靠运行，硬件设计是保证。该设计包含的硬件有控制器、半导体制冷片、散热装置、温度传感器、检测电路和蓄电池等。核心器件是控制器，考虑到成本和通用性，该设计选用的是单片机作为微处理器。选择MC9S12XS128微处理器为核心控制处理单元，MC9S12XS128单片机是Freescale系列中高性能低功耗的16位处理器，处理速度较51单片机要快，内部集成很多资源，有ADC转换模块、存储器、脉宽调制输出PWM，具有高可靠性、实时性好、抗干扰能力强、成本低等优点。

供电电路是保证半导体制冷器正常运转的关键。根据电池板的规格参数和蓄电池的充放电电压，选用的半导体制冷片的型号为TEC1-12705，其正常工作电压为12 V，最大工作电流为5 A，最大温差67 ℃，尺寸为40 mm×40 mm×4 mm。半导体制冷片一般都是由直流电流提供电源，可以实现制冷又可以实现制热，通过改变直流电流的极性来改变制冷片实现制冷或制热，最大制冷量为40 W。图2为半导体制冷器的供电电路及充电电路。该设计主要是利用半导体制冷片的制冷效果，采用MC9S12XS128单片机芯片的PWM功能，通过光耦开关控制Q3的通断，以达到对制冷片输入电压的控制，进而控制其冷端的工作温度。

如图2所示，其中ZLP为半导体制冷片。在实际的电路工作时，为保证制冷效果，将Q3的集电极电流保持在5 A以上，以满足制冷片的工作电流，达到充分制冷。后续电路是一个充电电路，可以为手机、PAD、充电宝等充电。R5、R6、D2、Q2等组成限压电路，以保护电池不被过充电，这里以3.6 V手机电池为例，其充电限制电压为4.2 V。在电池的充电过程中，电池电压逐渐上升，当充电电压大于4.2 V时，经R5、R6分压后稳压二极管D2开始导通，使Q2导通，Q2的分流作用减小了Q1的基极电流，从而减小了VT1的集电极电流Ic，达到了限制输出电压的作用。这时电路停止了对电池的大电流充电，用小电流将电池的电压维持在4.2 V。

半导体制冷片冷端的制冷效果与热端的散热有着密切的关系，热端的散热越好，制冷片的制冷效果就越好。该设计中采用风冷。在制冷片热端加装风扇，利用空气流动加强散热，改善制冷效果。经过重复实验证明，该方式散热效果良好。

3 半导体制冷冰箱系统软件设计

系统软件设计流程如图3所示，上电初始化后接着控制器启动内部A/D 转换器，采样制冷片前段的输入电压。若电压稳定且能保证制冷片工作，则半导体制冷片首先工作。控制器通过检测电压和电流，计算出相应的功率与制冷器比较，当制冷稳定工作，电能有富余时，启动蓄电池进行充电。同时自带的智能充电电路也开始工作。蓄电池充电有防过充措施，智能充电可以方便于手机、PAD、MP3等设备的充电。

系统中有温度检测模块，该模块除了显示温度，还为控制器提供温度数据。当温度值大于设定值时，控制器调节PWM，加大制冷效果，直到温度值达到平衡为止。

通过设计和制作一台智能型光伏半导体冰箱样机，实验装置如图4所示。实验装置的顶端是太阳能电池板，主要提供动力能源。四根螺杆作为支撑柱子，具有一定抗压能力。中间有分隔板将冰箱空间分成两部分，制冷片、散热器、蓄电池及控制器等安装在一端，另一端作为储藏空间。整个内部空间用保温材料保护，最外层用有机玻璃，透过其可以看见内部结构。

对该装置进行简单的实验，可以得到以下结论。

（1）在室外环境为25℃的气候条件下，样机无负荷运行，箱内制冷温度可以达到10℃，可以达到一般的冷藏效果。

（2）智能型光伏半导体冷箱替代传统冷藏箱，具有方便携带、无毒、无噪音、无制冷剂污染、不消耗电网电能、运行稳定和可靠性高等优点。

（3）光伏半导体制冷系统可解决偏远山区、日照充足的高原、沙漠地区以及夏日沙滩等缺电条件下食品、药品、饮料等的冷藏保鲜问题。尽管当前设计该产品成本相对较高、效率较低，但随着光伏转换效率的提高以及技术的不断进步半导体制冷效率不断提升，制造出完美的智能型光伏半导体冰箱是完全可以实现的。

参考文献

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