一种基于太阳能发电的半导体制冷箱*

盛 珺 ， 胡海涛 ， 刘俊峰 ， 李 清 ， 徐瑶瑶

（南通理工学院电气与能源工程学院，江苏 南通 226001）

1 半导体制冷原理

半导体制冷片是一个热传递的工具，其基本单元是一种半导体热电偶对，由一块P型半导体和一块N型半导体连接组成。根据珀耳帖效应，当N型半导体和P型半导体结合成的热电偶对中有电流通过，两端就会产生热量转移，热量会从一端转移至另一端，从而产生温差，形成冷热端。温度升高的一端称为热端，其电流由P型半导体流向N型半导体；反之，温度下降的一端称为冷端，电流由N型半导体流向P型半导体[1-4]。当电流经过半导体自身存在的电阻时会产生热量，从而影响热量传递。两个极板之间的热量也同样会通过空气或者半导体材料自身进行逆向的热量传递。当冷热端达到一定的温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡，正逆向热传递就会相互抵消，此时冷热两端的温度就不会再继续发生变化。半导体制冷片制冷性能的提高，除了与其本身材料和制作工艺有关外，还与驱动电压和制冷片散热方式有关。风扇以及散热片的作用主要是为制冷片的热端散热，如果通过主动散热的方式来降低热端温度，那冷端温度也会相应地下降，从而达到更低的温度，使制冷片的制冷效果达到更好。

2 制冷箱设计

本设计主要是设计一款可供户外使用的太阳能制冷箱，包含了半导体制冷片制冷、太阳能板发电、双蓄电池轮流充放控制、温度感应控制、高效保温等功能。本产品通过太阳能发电、半导体制冷片制冷，为户外活动和工作者等特定人群提供有效的制冷和保鲜，解决了户外保鲜难和供电不足等问题。使用包含自动和手动控制的ATMEGA328P-AU高性能控制器，可以达到手动调控温度以及精准自动感应和调节温度的控制效果，这样会大幅减少电量的损耗。同时，使用自主研发的双蓄电池轮流充放控制系统，使续航能力大大提升。

2.1 系统方案设计

整套系统主要包括太阳能板、控制器、蓄电池组以及制冷机组4个部分，因为全是直流机组，所以无须用到逆变器。控制器为该系统的核心单元，主要完成自动选择供电电源（光伏系统供电／220 kV配电网供电）、蓄电池充放电控制、安排切换器工作。发电单元主要为光伏电源，为了确保意外事故时可以从主电网获得应急供电，本设计将交流220 V配电系统作为光伏离网发电系统的备用电源。

2.2 半导体制冷片的选择

在本产品设计中，选用TEC1-12706型制冷片。因为该制冷片是市场使用量最大的制冷片型号之一，各供应厂商这种型号的制冷片生产量也大，从而降低了生产成本，售价比其他型号（规格）的便宜，且通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，且拥有温度检测和控制手段，可以较为方便地搭配控制器进行温度检测与控制。

目前，市面上可供选择的半导体制冷片较多，大致可分为两类：TEC系列和TES系列。TEC系列每个元件的面积大于1 mm；TES系列每个元件的面积小于1 mm。同样尺寸同样产冷（或者产热）功率下，TES的元件数量要比TEC多，电压比TEC大，电流也比TEC大。

例如，TEC1－12706制冷片，其型号含义：“TE”指器件为温差电制冷器件，“C”指器件为陶瓷板结构，“1”指器件级数为1，“127”指制冷片电偶对数，“06”指器件最大温差电流为6 A。

半导体制冷片的选择是整个系统能否达到深度温控的决定性环节，因此，选择适合此系统的半导体制冷片型号是十分重要的。

2.3 太阳能/储能系统的选择设计

光伏系统和储能系统是整套设备的关键，关系到产品的能量来源以及续航。

2.3.1 太阳能光伏发电系统

因为本产品主要用于户外，选择离网型太阳能光伏发电系统。要根据负载的功率、用途等决定系统的构成，所以本设计选用直流负载蓄电池使用型。在太阳能板角度的设计上，采用可调节的齿轮构造，可根据具体情况来调节太阳能电池板的倾角，且太阳能板是折叠型的可收缩折叠。

经过基础的计算可得：一日必要的电流量IL=30 A·h/d，必要的太阳能电池电流IS=12.5 A。因为采用轮流充放系统，可以节省部分电量和电池，最终选择12块6 V 1 A的太阳能电池板，进行两串六并连接。

使用设备所必要的电流为I（A），一日使用时间为T（h）。一日必要的电流量IL=I×T=6×4=24 A·h/d。

安全系数为0.6，平均日照时间tS为3 h ~4 h。必要的同样电池的电流：

2.3.2 储能系统

储能设备是整套产品最大的能量储存装置，如果说太阳能发电系统是心脏，那这储能系统就是脂肪，是储存能量的地方。本产品选择使用双蓄电池轮流充放系统，且配备备用电池，以备不时之需。

离网太阳能电源使用两组电池，此蓄电池主要通过太阳能电池板进行充电，每组由27个3.7 V 3 000 mAh 18 650高倍率动力型充电锂电池组合而成。单组电池通过九并三串焊接而成，每个电池内部加装优质防爆阀，实际工作电压11.1 V且容量为27 Ah，并安装自主研制的充电保护系统。蓄电池组将光伏板产生的电存储起来，并有目的地向负载输送，且同时可以外接家用220 V给蓄电池充电，供电更加持续稳定。备用电池是40 Ah的锂电池，通过家用220 V进行充电，只有当太阳能电池无法继续循环充放电时才会使用备用电池。

2.4 智能控制系统

控制部分是整套设备的大脑，控制衔接着其他的系统，统筹调剂。

2.4.1 控制系统总框架

整个控制系统主要由三部分组成。第一部分是由继电器和分压电阻组成的双电源控制系统，主要功能有保护锂电池防止过充和过放，双电源工作状态选择和切换。第二部分是温度控制模块，主要功能是将箱体内温度控制在用户设定的值。第三部分是基于ATMEGA328P芯片的主控核心，包括复位、晶振、稳压等最小系统电路，该部分主要是对I/O接口和通信接口的定义，组成一个低功耗、低成本的控制系统。本设计使用ATMEGA328P芯片作为主要控制芯片，内置模数转换器，数据更为稳定。相对于其他类型的芯片，该芯片引脚功能更丰富，可以直接省去模数转换芯片。

控制系统整体框架，如图1所示。

图1 整体控制系统框图

2.4.2 电源控制系统设计

电源控制系统是根据电池空载时的电池电压来判断电池电量，然后通过芯片控制双电池的充电和放电，以及对保护电池不被过充和过放。

主要功能有：

1）电池电量的读取和显示，让用户可以直观地看到电池的剩余电量。

2）电池充电和放电的自动切换，让太阳能板一直处于工作状态，提高工作效率。

3）过充和过放保护，让蓄电池处于健康的电压范围，延长使用寿命。

双蓄电池工作控制流程，如图2所示。

图2 双蓄电池工作流程图

程序开始后不停地检测蓄电池电压来控制蓄电池工作状态和保护蓄电池。双蓄电池共有四种状态，分别是同时满电、A电池电量大于B电池电量、B电池电量大于A电池电量、同时没电。该控制逻辑可以让充、放电同时进行，并且让工作状态保持稳定，充、放电互不干扰，在控制蓄电池工作的同时，可以最大限度地保护蓄电池处于健康工作状态。

2.4.3 温度系统设计与控制流程

温度控制系统使用DHT22传感器模块，该传感器温度可同时测量温度和湿度，测量精度在可接受范围之内，截面最大尺寸也小于30 mm。温度控制系统采用双温度传感器，测量箱体外温度和箱体内温度，后期可用于智能温控系统。

启动后将自动开始向目标温度制冷，当箱体内温度达到用户设定的值时，断开电源，进入等待状态；当箱体内温度变化时，继续开始制冷，从而达到恒温状态。

温度控制工作流程，如图3所示。

图3 温度控制工作流程图

2.5 材料选型

本设计的外箱采用亚克力板进行外包，亚克力板韧性好，不易破损；且可以很好地与聚氨酯板进行黏合；同时，亚克力板颜色多样，可以满足不同的颜色需求。如表1所示。

表1 各材料性质及优缺点

箱体的保温材料选择聚氨酯板和XPS挤塑板，它们具有保温效果好、结构强度高、耐水汽、耐腐蚀、绝缘性佳等特点，故作为最终保温材料的选择。

3 结论

太阳能半导体制冷箱将会是一种市场前景广阔的产品设计，这种新型的制冷方式是一种季节匹配性很好的制冷方式。本产品轻便易携带，可太阳能充电和家用220 V直接充电，能用来保鲜食物、储存药剂和一些医学产品等，在无电或缺电的地方让用户们体验到良好的降温保温效果。