太阳能智能生鲜自提柜设计

徐 冲，钱剑峰，高欣月，熊 雪，赵 强，荆 莹

（哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

太阳能智能生鲜自提柜设计

徐 冲，钱剑峰，高欣月，熊 雪，赵 强，荆 莹

（哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

智能自提柜应用日趋广泛，但其功能相对单一，不能存储大量的生鲜产品，使得产品质量缺乏保证。针对以上现象，对已有自提柜进行研究，并阐述了智能自提柜以及太阳能制冷的发展现状，在分析自提柜工作原理与组成的基础上，对自提柜制冷系统进行了合理的设计，并说明其操作流程与优点，为“最后一公里”生鲜产品的配送问题提供了有效的解决方案。

生鲜自提柜；太阳能制冷；二维码技术

1 引言

随着网络的高度普及，网购已然成为一种潮流，它是一种高度信息化时代的产物。由于网购不受时间、地点的限制，消费者可从网上获得大量的商品信息，省时省力。随着线上购物平台的搭建，网购的数量、种类也逐渐增加和丰富。在传统快递收发过程中，存在诸多问题：手写快递单因字迹潦草而出现差错、延迟派送、快递单浪费严重、效率低下；此外，近年来快递员入室为广告推销、骚扰、抢劫等不法行为提供了可乘之机，使消费者面临个人信息泄漏的安全隐患[1]。“最后一公里”问题在一定程度上制约着快递企业的发展[2]。

国内外的企业以及学者都对“最后一公里”存在的问题进行了研究，找到了一种解决方案—智能快递柜。智能快递柜是一种基于物联网的识别、暂存、监控快件的自助服务设施，安置在公众场合，供快递员寄存快件和消费者提取快件。自投入使用以来，注册用户日趋增加，受到了快递员、消费者、物业等多方的好评。但由于我国在这一方面起步较晚，因此与国外存在差距[3]。

2 智能自提柜的发展现状

在国外，智能自提柜经过十多年的发展，技术已趋于成熟。早在2012年，DHL国际快递就在瑞士的三个不同地点进行了测试，测试表明注册用户日趋增多[4]。除此之外，美国的Amanon Locker、加拿大的Boffer Box等均已投入市场多年[5]，日本每栋楼宇都有安置，用来寄存快递，只有信用卡等贵重物品需由本人签字，给消费者带来极大便利的同时也保护了消费者隐私。

在国内，快递行业在电子商务的熏陶下成长，但信息化、智能化较为落后，因此智能自提柜与国外有一定的差距。国内较大的电商企业诸如淘宝、苏宁易购、京东以及聚美等都勇于尝试智能快递柜，而且圆通、中通、邮政等物流公司也相继与智能快递柜建立了良好的合作关系[6]。但在具体的运营过程中仍存在一些问题：一是推广力度不够，使用者较少；二是快件的安全难以得到保障；三是自提柜规格难以与快递尺寸相吻合[7]。

虽然智能快递自提柜目前仍处于发展初期，还有诸多问题有待完善，但就其发展势头和发展前景来看，仍具有极高的可行性和有效性，对于物流行业未来的发展将起到举足轻重的作用，势必会扩大其影响领域，带动多方经济发展[8]。

3 太阳能制冷技术发展现状

太阳能是一种丰富、清洁的可再生能源，经过世界各国几十年的不懈努力，太阳能制冷技术已经有了较为完善的发展，并表现出如下特点：一是发达国家占据着太阳能制冷技术的制高点；二是太阳能制冷技术的拥有者为企业，如美国的Sun Power和德国的Siemens Solar等企业在太阳能光伏市场上都有非常强的占有力[9]。

对于光热转换的太阳能驱动制冷技术，目前常见的有两种技术形式，即太阳能吸收式制冷和太阳能吸附式制冷[10]。但太阳能吸收式制冷系统占据空间大，运行复杂，安全系数低；太阳能吸附式制冷系统需要连接管路，能量损失量大，制冷效率低[11]。

上述两种制冷技术比较成熟，但cop值不高，而太阳能光伏制冷技术融合了光伏发电技术和制冷技术，比普通的制冷设备更高端。光伏制冷技术有诸多优点：（1）制冷量大，效率高；（2）可以大规模的利用，减小了用电高峰期电网的压力；（3）利用太阳能，节能环保[12]。太阳能光伏制冷系统根据光伏发电系统可分为独立光伏制冷系统和并网光伏制冷系统，目前，美国、德国等先进国家大多采取可逆流的并网光伏制冷系统。但是如今的光伏制冷面临着成本高、光电转化率低下的问题，各国正积极探索新的解决方案[13]。

除此之外，查阅相关资料，得知晴天和雨天太阳能光伏电池与蓄电池工作电流和电压变化状况，如图1、图2所示[14]。由图可以看出，无论是晴天还是雨天太阳能光伏电池在白天产生的电压要大于蓄电池所产生的电压，因此太阳能光伏电池更节能。

图1 晴天太阳能光伏电池与蓄电池工作电压和电流图

图2 雨天太阳能光伏电池与蓄电池工作电压和电流图

4 太阳能智能生鲜自提柜的基本概况及组成部分

4.1 基本概况

该自提柜的尺寸为145mm×40mm×140mm(长×宽×高),有效容积为437.5L，制冷系统采用单级蒸汽压缩式，制冷工质为R134a，其原理图如图3所示。

4.2 组成部分

生鲜自提柜由自提柜箱体、PC服务端、光伏制冷系统以及市电供电系统组成，如图4所示。自提柜箱体的箱格尺寸大小不一，满足不同规格快件的寄存；PC服务端将快递员和消费者联系在一起，并且应用二维码技术让快递员完成快件的寄存和消费者取件；并网光伏系统

图3 自提柜工作原理图

图4 自提柜的组成结构

5 太阳能智能生鲜自提柜制冷系统的设计

5.1 总热负荷计算

热负荷包括箱体漏热量Q1、开门漏热量Q2、贮物热量Q3和其他热量Q4。

5.1.1 箱体漏热量Q1。箱体漏热量包括通过箱体隔热层的漏热量Qa、通过箱门和门封条的漏热量Qb、通过箱体积结构形成的漏热量Qc。

（1）箱体隔热层的漏热量Qa。虽然箱体内壁塑料板很薄，但其热阻很大，因此箱体的传热过程可视为单层大平壁的传热，计算公式如下：

式中，A—箱体表面积，单位m2；

t1,t2—分别为箱体外空气温度及箱体内空气温度，单位为℃；

K —传热系数，单位为W/（m2·k）。

传热系数K的计算公式为：

式中,α1—箱体空气对箱体外表面的传热系数，单位为W/（m2·k）；α2—内箱壁面对箱内空气的表面传热系数，单位为 W/（m2·k）；δ—隔热层厚度，单位为m；λ—隔热层保温材料的导热系数，单位为W/(m·k)。

为 方 便 计 算 ，取 α1=10 W/（m2·k） ， α2=20 W/（m2·k），隔热层厚度取 δ=0.15m ，导热系数可取 λ=0.03 W/(m·k)，则 K=0.2 W/(m2·k)。

箱体表面积A=5.62m2，查《制冷工程设计手册》，以北京地区为例，t1=32℃,箱体内温度取最低温度体t2

（2）通过箱门和门封条的漏热量Qb。由于Qb很难用计算法计算，一般根据经验值，取Qb为Qa的15％值，则Qb=15％Qa=0.15×56.2=8.43W。

（3）箱体积结构形成的漏热量Qc。采用聚氨酯发泡成型隔热结构的箱体，无支撑架形成的箱体，因此Qc的值忽略不计。箱体漏热量Q1=Qa+Qb=56.2+8.43=64.63W。

5.1.2 开门漏热量Q2。自提柜开门漏热量与开门的频率有关，通过调研消费者购买生鲜产品的频率以及设定的箱体个数，假设平均开门次数为每小时1～2次，假设每次开门时箱外空气全部交换，则开门漏热量可用下式计算：

式中:VA—自提柜内容积，单位为m3；n—开门次数；Δh—自提柜外部空气温度达到箱体内温度时的比焓差，单位为kJ/kg；γa—空气的比容，单位为m3/kg。

5.1.3 贮物热量Q3。自提柜的贮物热量无明确规定的标准，一般按电冰箱标准中的“制冰能力”项提出的“以电冰箱内容积0.5％的25℃水，在2h内结成实冰”的规定进行计算，实冰的温度按-2～-5℃取值。贮物热量可按下式计算：

式中，m—水（冰）的质量，单位为kg；C—水的比热 容 ，C=4.19kJ/（kg·k）；Cb— 冰 的 比 热 容 ，Cb=2 kJ/（kg·k）；γ—水的凝固热（冰的溶解热），γ=333 kJ/kg；t1,t2—水的初始温度和冻结终了的温度，单位为℃。

水的质量m=437.5×0.005=2.19kg，水的初始温度取t1=25℃，实冰的温度取t2=-2℃，则Q3=134.37W 5.1.4 其他热量Q4。其他热量包括箱内照明灯、风扇的散发热量以及电动机运转的散热量。经计算得：Q4=34.66W。

自提柜的总热负荷为Q=1.1（Q1+Q2+Q3+Q4）=288.74W。

5.2 制冷系统的热力计算

R134a的换热性能比R12好，所以在相同的换热面积情况下，可以降低蒸发器和冷凝器的传热温差。本文设计时为便于压缩机选型，故选择其冷凝温度tk为54.4℃，蒸发温度to为-23.3℃。循环各性能指标计算值见表1。

表1 循环各性能指标

5.3 压缩机选型及热力计算

设计工况参数见表2。

表2 热物质参数列表

经过计算得：输气系数λ=0.55；压缩机制冷量Q0=0.288kw；压缩机电功率Pel=269.62W。

根据以上求取的压缩机理论输气量、压缩机制冷量、电功率等参数，参照按R134a制冷工质设计的压缩机有关规格参数表，现选择丹佛斯生产的R134a压缩机，型号为SC15G，额定制冷量为314W，输入功率为385W，电源电压240V、60Hz。

5.4 板式蒸发器

由自提柜的机器负荷可知，-18℃工作下压缩机的制冷量Q0=288W；查《实用制冷维修工计算手册》，板式换热器R134a制冷剂传热系数K=3 300～3 500W/（m2·℃）；传热温差为：

式中，t1—载冷剂进口温度，t1=-16.3℃，t2—载冷剂出口温度，t2=-15℃，t0—蒸发温度，t0=-23.3℃,则Δtm=7.65℃，则板式蒸发器的传热面积A=0.011m2。

5.5 板式冷凝器

冷凝器热负荷包括制冷剂在蒸发器中吸收的热量及在压缩过程中所获得的机械功所转换的热量，则Qk=288+269.62=557.62W；查《实用制冷维修工计算手册》，板式换热器R134a传热系数 K=3 300～3 500W/（m2·℃），传热温差为：

5.6 毛细管长度的计算

自提柜制冷剂采用R134a时，其毛细管长度可先按R12计算，然后再加以修正。制冷剂的流速可按下式计算：

计算得W=11.68m/s,雷诺数为11 634.37。

管长公式为：

计算得L=2.24m。由于制冷工质采用R134a后其流量约减少10％-20％，现选取毛细管长度增加20％，毛细管长度为:L=2.24×1.2m=2.69m

通过以上计算结果最终确定制冷系统各个设备的型号和规格，从而确定太阳能板的面积及蓄电池的大小。

6 太阳能智能生鲜自提柜的操作流程

自提柜的操作流程如图5所示。

图5 自提柜的操作流程

7 太阳能智能生鲜自提柜的优点

（1）自提柜设置常温、冷藏及冷冻三种规格，满足不同类型生鲜制品对温度的要求。

（2）通过PC服务端可实现配送员、消费者自助取、配件。远程监控使整个操作流程高效、便捷、安全。

（3）将光伏制冷系统与市电供电系统配合使用，实现互补，保证自提柜不间断运行。整个系统运行将节约大量的电能，降低使用成本。

（4）压缩机采用直流变频压缩机，无需逆变器，可提高能量利用效率，简化太阳能发电系统，提高系统运行可靠性。

（5）蓄电池、控制器与自提柜一体化设计，且柜底部装有滚动滑轮，方便移动安装，简洁美观。

8 结论

通过对现有智能快递柜及太阳能制冷技术发展现状分析以及对新型自提柜的设计可知，一方面采取太阳能光伏制冷及辅助发电，节能环保，降低冷链物流成本；另一方面，将二维码技术应用其中，保护消费者隐私。将此自提柜应用于快递终端配送，不仅能帮助消费者节约时间，降低产品损耗，又能满足电商快递高速增长的需求，更能带动农村经济增长，推动社会进步，响应李克强总理在常务会上提出的智慧物流的号召。虽然光伏制冷面临着成本高、光电转化率低下的问题，但从长远角度来看，这将极大地提高人们生活的便利程度，发展前景较好，因此提出相应解决方案尤为重要。

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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

全国大学生创新创业训练计划项目（201610240028）

徐冲，女,河南濮阳人，哈尔滨商业大学学生；钱剑峰（1979-），通讯作者，男，教授,博士后。