太陽(yáng)能供電與半導(dǎo)體制冷箱的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能將成為幾十年后我國(guó)乃至全世界主要的能源之一。現(xiàn)在利用太陽(yáng)能進(jìn)行制冷的方法有許多成熟技術(shù)。但無(wú)論是太陽(yáng)能吸收式，或蒸汽噴射式等等，都需要用到氟、溴化鋰和氨等制冷劑。相比之下，半導(dǎo)體制冷的優(yōu)勢(shì)就比較明顯，現(xiàn)在利用半導(dǎo)體制冷的產(chǎn)品也有一些，例如海爾車用冰箱等，受到了有車族的喜愛(ài)。 太陽(yáng)能和半導(dǎo)體制冷各有優(yōu)點(diǎn)，能不能把它們結(jié)合起來(lái)呢？我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一個(gè)便攜式太陽(yáng)能供電半導(dǎo)體制冷藥箱，由太陽(yáng)能作為它的直接能源，給它供電。其功能是為少量的藥品進(jìn)行低溫保存。

太陽(yáng)能——半導(dǎo)體制冷箱的設(shè)計(jì)思路制冷藥箱的特點(diǎn) 制冷藥箱應(yīng)用了半導(dǎo)體制冷技術(shù)作為制冷系統(tǒng)，結(jié)合太陽(yáng)能供電，可以做到無(wú)噪聲、無(wú)污染、便于攜帶、啟動(dòng)快和方便在制冷制熱間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在沒(méi)有外接電源時(shí)，仍然可以工作，并可以對(duì)箱內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。其體積小、重量輕和方便在各種特殊條件下工作，在小功率致冷時(shí)效率高。

制冷藥箱的構(gòu)成箱體的傳熱可視為單層平壁的傳熱過(guò)程，按標(biāo)準(zhǔn)條件，箱外溫度t1=32℃，相對(duì)濕度為75±5%，箱內(nèi)溫度設(shè)為20℃。制冷箱按每小時(shí)開門2次計(jì)算，再假定每次開門箱內(nèi)空氣全部被置換成箱外空氣，儲(chǔ)存藥品0.2kg。其他發(fā)熱量取0.2W。為保險(xiǎn)起見，將熱負(fù)荷增加10%的安全系數(shù)定為QT'。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得QT'=1.1QT=4（W）其中，儲(chǔ)物熱量QP占總熱負(fù)荷的50%以上，由于有溫度控制電路，當(dāng)箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后，制冷系統(tǒng)的工況也進(jìn)入穩(wěn)定工況，所以制冷箱應(yīng)該是間歇工作的。 制冷箱采用空氣自然對(duì)流散熱的換熱系統(tǒng)，即選擇一定形式的散熱片作為熱交換器。

由于制冷箱冷端與被冷卻物采用緊密接觸的熱交換方式，所以制冷對(duì)象所要移走的熱量，將直接被制冷器的冷端吸收，再經(jīng)熱電制冷效應(yīng)把熱量移至熱端，再經(jīng)各層的導(dǎo)熱把熱量傳給熱端散熱器。散熱器利用空氣的自然對(duì)流把熱量散到環(huán)境中，達(dá)到制冷目的。 為了使散熱器有效地工作，必須選擇合適的熱端溫度，如果它接近于環(huán)境溫度，則因散熱片與環(huán)境的溫差太小而換熱很差，如果選取熱點(diǎn)溫度比環(huán)境高得多，則會(huì)使熱電制冷器的制冷系數(shù)明顯下降，一般選取熱端溫度比環(huán)境溫度高7～10℃。制冷箱選用普通氧化鋁陶瓷散熱器，經(jīng)估算，其換熱系數(shù)為5W/m2·K左右，其散熱功率也可達(dá)到50W左右。基本可以滿足散熱要求。 經(jīng)反復(fù)考慮，并綜合各種因素，選用TEC1-12705 型半導(dǎo)體制冷器，此為陶瓷結(jié)構(gòu)式溫差電制冷組件，制冷級(jí)數(shù)為1，電偶對(duì)數(shù)為127對(duì)，最大溫差電流為5A，最大溫差67℃，電壓14.5V，尺寸為40×40×4（mm）。

選擇太陽(yáng)電池 太陽(yáng)電池單體是用于光電轉(zhuǎn)換的最小單元，它的面積一般為4～100cm2。太陽(yáng)電池單體工作電壓為0.45～0.50V，工作電流為20～25mA/cm2，將太陽(yáng)電池單體進(jìn)行串聯(lián)，并聯(lián)并封裝后，就成為太陽(yáng)電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，更高的能達(dá)到幾百瓦。太陽(yáng)電池組件包含一定數(shù)量的太陽(yáng)電池，這些太陽(yáng)電池通過(guò)導(dǎo)線連接，一個(gè)組件上，太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36個(gè)或40個(gè)（10cm×10cm），產(chǎn)生16V的電壓，與一個(gè)額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效的充電。并能使選擇的半導(dǎo)體制冷器能夠正常工作。制冷箱所選的晶體硅太陽(yáng)電池由一個(gè)晶體硅片組成，在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線，下表面是金屬層。硅片本身是P型硅，表面擴(kuò)散層是N區(qū)，在這兩個(gè)層的連接處就是所謂的PN結(jié)，太陽(yáng)電池的頂部被一層減反射膜所覆蓋，以便減少太陽(yáng)能的反射損失。被密封后具有一定的防腐、防風(fēng)、防雹和防雨等能力。 本實(shí)驗(yàn)裝置一個(gè)單元約能產(chǎn)生0.5V電壓，經(jīng)過(guò)串并組合，在足夠的光源照射下，能達(dá)到約4.5V電壓，2W左右的輸出。并能為蓄電池有效的充電。

硅二極管 硅二極管又稱防反充二極管或阻塞二極管，考慮安裝它的主要作用是避免由于太陽(yáng)電池方陣在陰雨天和夜晚不放電時(shí)或出現(xiàn)短路故障時(shí)，蓄電池組通過(guò)太陽(yáng)電池方陣放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽(yáng)電池方陣電路中，起單向?qū)ǖ淖饔谩Ｋ艹惺茏銐虼蟮碾娏?，而且正向壓降，反向飽和電流很小?　　實(shí)際上，在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽(yáng)電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽(yáng)電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽(yáng)電池組件此時(shí)會(huì)發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴(yán)重的破壞太陽(yáng)電池。有光照的太陽(yáng)電池所產(chǎn)生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽(yáng)電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，最好在太陽(yáng)電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被受遮蔽的組件所消耗。

蓄電池組 蓄電池組的作用是貯存太陽(yáng)電池方陣受光照時(shí)所轉(zhuǎn)換的電能，并隨時(shí)向負(fù)載供電。太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)對(duì)所用蓄電池最基本要求是：自放電率低，使用壽命長(zhǎng)，深放電能力強(qiáng)，充電效率高，可以少維護(hù)或免維護(hù)，工作溫度范圍寬，價(jià)格低廉。 制冷箱選的蓄電池組由3組6節(jié)2.4V可充電電池組成，其充電方式采用“半浮充電方式”進(jìn)行。即太陽(yáng)電池方陣全部時(shí)間都同蓄電池組并聯(lián)浮充供電，白天浮充供電運(yùn)行，晚上只放電不充電。白天，當(dāng)太陽(yáng)電池方陣的電勢(shì)高于蓄電池的電勢(shì)時(shí)，負(fù)載由太陽(yáng)電池方陣供電，多余的電能充入蓄電池，蓄電池處于浮充電狀態(tài)，當(dāng)太陽(yáng)電池方陣不發(fā)電或電動(dòng)勢(shì)小于蓄電池電勢(shì)時(shí)，全部輸出功率都由蓄電池組供電，由于阻塞二極管的作用，蓄電池不會(huì)通過(guò)太陽(yáng)電池方陣放電。

溫度控制電路 開關(guān)閉合時(shí)，將蓄電池接入電路，太陽(yáng)電池開始為其供電，開關(guān)閉合時(shí)半導(dǎo)體制冷器開始工作。同時(shí)發(fā)光二極管閃動(dòng)，表示一切工作正常。R1為負(fù)溫度系數(shù)5k熱敏電阻，即當(dāng)溫度上升時(shí)其電阻減小，它直接貼在半導(dǎo)體制冷器冷端上，當(dāng)制冷器開始工作時(shí)，冷端溫度下降，R1電阻上升，R4兩端電壓下降，2端電壓上升，當(dāng)升到2/3Ucc時(shí)輸出端為低電平，冷卻停止，此時(shí)，溫度略有回升，R1電阻開始下降，R4兩端電壓上升，2端電壓下降，當(dāng)降到1/3Ucc時(shí)，輸出為高電平，繼續(xù)冷卻，如此循環(huán)往復(fù)，達(dá)到溫度控制的目的，這樣，半導(dǎo)體制冷器也將間歇工作，可以節(jié)省部分電能。10 kΩ電位器R2的作用為微調(diào)器調(diào)節(jié)電阻的大小，改變電流來(lái)達(dá)到需要的溫度。電路中各晶體管均為放大電流作用。雙向開關(guān)K3通過(guò)改變電流流入制冷器的方向來(lái)控制制冷制熱。