太阳能户外储物箱实验研究

赵志龙 权 祥 陈嘉祥 罗天杰 焦富强 邓 敏

(徐州工业职业技术学院 材料工程学院，江苏 徐州 221000)

0 引言

随着人类对环境的保护意识增强，包括太阳能、风能等绿色能源在整个能源的占有比例越来越大。其中太阳能由于不受地点、季节的影响越来越多的应用在生活中。包括太阳能路灯、太阳能电站、家庭太阳能发电系统等。将太阳能发电技术与户外储物箱结合可以解决户外储物箱工作时所需能源问题。可以为户外工作人员更好的保存食物，提高户外工作人员的幸福感。国外的Thomachan等[1-2]对太阳能电池发电的冰箱系统的铅酸蓄电池的兼容性、太阳能电池板对铅酸蓄电池的充放电特性进行了研究。研究表明铅酸蓄电池能够较好的兼容太阳能电池板充电，同时也能够对冰箱进行较好的供电。黄洁等[3-4]通过直流电对传统冰箱供电进行研究，同时分析了直流电对冰箱的性能影响，结果显示系统的COP值从早上到下午逐渐减小。国内徐巧年等[5-8]将半导体制冷芯片应用到太阳能冰箱上，并进行了性能研究。实验结果显示半导体芯片冰箱的充放电性能与光强有很大关系，并测出使COP和制冷量达到最大值的最佳光强。目前将锂电池作为蓄电装置应用到太阳能半导体储物箱上，不但可以减少户外储物箱的重量，而且提高储物箱的保存食物的时间。 本研究以12 V太阳能半导体储物箱为研究对象，锂电池为蓄电装置。通过实验分析冰箱系统在运行过程中各部件的电流、电压以及冰箱内部温度的变化情况，探讨系统的性能效果。

1 实验装置及运行原理

本次研究的太阳能储存箱主要包括太阳能光伏电池、锂电池、光伏控制器以及半导体制冷芯片等部件如图1。储物箱体积2 L,本储物箱的半导体制冷芯片型号为TEC2-19006，工作电压12 V，最大工作电流6 A。锂电池型号12 V，30 AH。发电板由四块12 V，1.5 A的电池板组成，分别安装在储物箱的前部、上部和两侧。

图1 太阳能储存箱连接图Fig. 1 Connection diagram of solar energy storage box

储物箱的工作原理：正常光照条件下，首先太阳能电池板辐射到表面的太阳光直接转换成直流电。控制器将直流电压电转换成12 V同时对储物箱制冷芯片和锂电池进行供电。在阴雨天气情况下，可以由光伏电池板和锂电池同时为储物箱供电。储物箱前部安装液晶显示测温装置，测温探头安装在储物箱内部，可实时监控储物箱内部温度变化。储物箱内部空间顶部安装紫外杀菌灯，可进一步保障储物箱食物安全。

2 实验结果与分析

实验测试条件温度25 ℃，模拟光功率1 200 W/m2下进行的，储物箱置于室外。

图2为同一天不同环境温度条件下储物箱在户外空载状态下的降温情况。从图中可以看出三次测试结果都显示储物箱制冷系统在12分钟时间内，储物箱的降温幅度大于28 ℃。在外部温度29.4 ℃的条件下，储物箱最低温度达到零下1.5 ℃。

图2 空载条件下的降温曲线Fig. 2 Cooling curve under no load condition

图3为储物箱内部存放1 kg温度为5 ℃水进行保温实验，模拟在晴天和阴天两种条件下的储物箱温度曲线。

图3 负载条件下的温度曲线Fig. 3 Temperature curve under load condition

其中模拟晴天太阳能光功率设置为1 200 W/m2，模拟阴天的太阳光功率设置为700 W/m2，从图中可以看出，在晴天条件下储物箱可以在户外将储物箱内部1 kg水在6 ℃以下保存5小时。在阴天条件下储物箱也可以保存3个小时，满足户外工作人员对午餐的保存时长要求。

图4、图5分别为晴天和阴天条件下，储物箱制冷系统正常工作条件下的功率曲线。制冷芯片的工作周期为0.5 h，开始工作时先提高功率达到最高值时稳定输出一段时间再下降到0。半导体制冷系统的功率与蓄电池输出电压和电流有关，晴天状态条件下，太阳能电池板可以持续为蓄电池供电，储物箱5小时的保存时间内，功率峰值波动性较小。而阴天条件下，由于太阳能电池板不能提供给蓄电池足够的电能，导致蓄电池电压降低输出电流减少，所以半导体制冷系统的输出功率在3小时后急剧减少，这也是导致储物箱在阴天条件下3小时后温度上升的主要原因。

图4 晴天条件下的功率曲线Fig. 4 Power curve under sunny conditions

图5 阴天条件下的功率曲线Fig. 5 Power curve under cloudy conditions

3 结论

本研究通过设计制作12 V太阳能户外储物箱。并对储物箱空载和负载条件下进行实验研究，并测得在晴天和阴天条件下的储物箱内部温度和半导体制冷系统的功率曲线。具体结论如下：

(1) 太阳能户外储物箱在空载和负载条件下均能正常工作。空载状态下，在户外30 ℃条件下工作12 min可降温25 ℃以上。

(2) 在中午12点1 328 W/m2光强条件下，对1 kg 水，初始温度为5 ℃的保温实验，结果显示：太阳能户外储物箱可保温6 ℃长达5小时，阴天条件下，也可以保温3小时满足户外工作人员午餐保温要求。

(3) 储物箱中的半导体芯片制冷系统在晴天状态下功率可稳定输出5小时，比阴天条件下多输出2小时，说明太阳能电池板对储物箱系统充电效果明显。