太阳能供电与半导体制冷箱的设计

太阳能将成为几十年后我国乃至全世界主要的能源之一。现在利用太阳能进行制冷的方法有许多成熟技术。但无论是太阳能吸收式，或蒸汽喷射式等等，都需要用到氟、溴化锂和氨等制冷剂。相比之下，半导体制冷的优势就比较明显，现在利用半导体制冷的产品也有一些，例如海尔车用冰箱等，受到了有车族的喜爱。 太阳能和半导体制冷各有优点，能不能把它们结合起来呢？我们设计制作了一个便携式太阳能供电半导体制冷药箱，由太阳能作为它的直接能源，给它供电。其功能是为少量的药品进行低温保存。

太阳能——半导体制冷箱的设计思路制冷药箱的特点 制冷药箱应用了半导体制冷技术作为制冷系统，结合太阳能供电，可以做到无噪声、无污染、便于携带、启动快和方便在制冷制热间进行转换，在没有外接电源时，仍然可以工作，并可以对箱内的温度进行实时监控。其体积小、重量轻和方便在各种特殊条件下工作，在小功率致冷时效率高。

制冷药箱的构成箱体的传热可视为单层平壁的传热过程，按标准条件，箱外温度t1=32℃，相对湿度为75±5%，箱内温度设为20℃。制冷箱按每小时开门2次计算，再假定每次开门箱内空气全部被置换成箱外空气，储存药品0.2kg。其他发热量取0.2W。为保险起见，将热负荷增加10%的安全系数定为QT'。经过计算可得QT'=1.1QT=4（W）其中，储物热量QP占总热负荷的50%以上，由于有温度控制电路，当箱内温度稳定后，制冷系统的工况也进入稳定工况，所以制冷箱应该是间歇工作的。 制冷箱采用空气自然对流散热的换热系统，即选择一定形式的散热片作为热交换器。

由于制冷箱冷端与被冷却物采用紧密接触的热交换方式，所以制冷对象所要移走的热量，将直接被制冷器的冷端吸收，再经热电制冷效应把热量移至热端，再经各层的导热把热量传给热端散热器。散热器利用空气的自然对流把热量散到环境中，达到制冷目的。 为了使散热器有效地工作，必须选择合适的热端温度，如果它接近于环境温度，则因散热片与环境的温差太小而换热很差，如果选取热点温度比环境高得多，则会使热电制冷器的制冷系数明显下降，一般选取热端温度比环境温度高7～10℃。制冷箱选用普通氧化铝陶瓷散热器，经估算，其换热系数为5W/m2·K左右，其散热功率也可达到50W左右。基本可以满足散热要求。 经反复考虑，并综合各种因素，选用TEC1-12705 型半导体制冷器，此为陶瓷结构式温差电制冷组件，制冷级数为1，电偶对数为127对，最大温差电流为5A，最大温差67℃，电压14.5V，尺寸为40×40×4（mm）。

选择太阳电池 太阳电池单体是用于光电转换的最小单元，它的面积一般为4～100cm2。太阳电池单体工作电压为0.45～0.50V，工作电流为20～25mA/cm2，将太阳电池单体进行串联，并联并封装后，就成为太阳电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，更高的能达到几百瓦。太阳电池组件包含一定数量的太阳电池，这些太阳电池通过导线连接，一个组件上，太阳电池的标准数量是36个或40个（10cm×10cm），产生16V的电压，与一个额定电压为12V的蓄电池进行有效的充电。并能使选择的半导体制冷器能够正常工作。制冷箱所选的晶体硅太阳电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个层的连接处就是所谓的PN结，太阳电池的顶部被一层减反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。被密封后具有一定的防腐、防风、防雹和防雨等能力。 本实验装置一个单元约能产生0.5V电压，经过串并组合，在足够的光源照射下，能达到约4.5V电压，2W左右的输出。并能为蓄电池有效的充电。

硅二极管 硅二极管又称防反充二极管或阻塞二极管，考虑安装它的主要作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨天和夜晚不放电时或出现短路故障时，蓄电池组通过太阳电池方阵放电。防反充二极管串联在太阳电池方阵电路中，起单向导通的作用。它能承受足够大的电流，而且正向压降，反向饱和电流很小。 　　实际上，在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。

蓄电池组 蓄电池组的作用是贮存太阳电池方阵受光照时所转换的电能，并随时向负载供电。太阳电池发电系统对所用蓄电池最基本要求是：自放电率低，使用寿命长，深放电能力强，充电效率高，可以少维护或免维护，工作温度范围宽，价格低廉。 制冷箱选的蓄电池组由3组6节2.4V可充电电池组成，其充电方式采用“半浮充电方式”进行。即太阳电池方阵全部时间都同蓄电池组并联浮充供电，白天浮充供电运行，晚上只放电不充电。白天，当太阳电池方阵的电势高于蓄电池的电势时，负载由太阳电池方阵供电，多余的电能充入蓄电池，蓄电池处于浮充电状态，当太阳电池方阵不发电或电动势小于蓄电池电势时，全部输出功率都由蓄电池组供电，由于阻塞二极管的作用，蓄电池不会通过太阳电池方阵放电。

温度控制电路 开关闭合时，将蓄电池接入电路，太阳电池开始为其供电，开关闭合时半导体制冷器开始工作。同时发光二极管闪动，表示一切工作正常。R1为负温度系数5k热敏电阻，即当温度上升时其电阻减小，它直接贴在半导体制冷器冷端上，当制冷器开始工作时，冷端温度下降，R1电阻上升，R4两端电压下降，2端电压上升，当升到2/3Ucc时输出端为低电平，冷却停止，此时，温度略有回升，R1电阻开始下降，R4两端电压上升，2端电压下降，当降到1/3Ucc时，输出为高电平，继续冷却，如此循环往复，达到温度控制的目的，这样，半导体制冷器也将间歇工作，可以节省部分电能。10 kΩ电位器R2的作用为微调器调节电阻的大小，改变电流来达到需要的温度。电路中各晶体管均为放大电流作用。双向开关K3通过改变电流流入制冷器的方向来控制制冷制热。