程明福，吳才章

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

目前，絕大部分的制冷設(shè)備都是以電能驅(qū)動的。傳統(tǒng)的制冷設(shè)備不僅消耗大量的電能，同時也因為使用氟里昂等制冷工質(zhì)而對環(huán)境造成污染，因此制冷中的節(jié)能和環(huán)保問題成為人們關(guān)注的焦點，并尋求以清潔能源供電且不使用氟里昂等傳統(tǒng)制冷工質(zhì)的制冷方式[1]。文中研究的制冷系統(tǒng)以太陽能光伏電池提供驅(qū)動能源、以半導(dǎo)體制冷片為冷源，是一種節(jié)能環(huán)保的新型制冷方式。

半導(dǎo)體制冷片也叫電子制冷片，依據(jù)珀爾帖效應(yīng)原理來進行制冷。半導(dǎo)體制冷片不需要制冷劑，沒有污染源，工作時沒有震動、噪音、壽命長；作為一種電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現(xiàn)高精度的溫度控制[2]。半導(dǎo)體制冷已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[3]。

1 制冷系統(tǒng)設(shè)計

1.1 制冷功率計算

系統(tǒng)各部分的參數(shù)匹配取決于系統(tǒng)所需要的制冷量，因此制冷量的計算是設(shè)計的前提[4]。在本文中，制冷環(huán)境為一密閉圓筒糧倉。由于糧倉頂層在外界氣溫較高時易積熱，為維持糧食在低溫或準低溫環(huán)境下儲藏的目的，需要對糧倉內(nèi)糧堆線以上的空氣層進行制冷。根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，可計算出糧倉的冷負荷。

糧倉內(nèi)空氣的制冷量需求：

頂部空氣層與糧倉側(cè)面、倉頂以及糧倉內(nèi)的糧食存在熱量的傳遞，在τ時刻后，向外擴散的冷量：

糧倉的總制冷負荷：

式中，ρ為糧倉內(nèi)空氣的密度；V為空氣體積；C為空氣的比熱；T0為糧倉內(nèi)空氣的初始溫度；T1為制冷目標溫度；K為等效傳熱系數(shù)，單位為W/K；S為有效傳熱面積；T2和T3分別為糧倉內(nèi)外隨時間變化的溫度，單位為K。

根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的熱電制冷原理，可以根據(jù)測得的溫度、電壓和電流計算半導(dǎo)體制冷原件的特性參數(shù)：

輸入功率：

制冷量：

制熱量：

制冷效率：

式中，α為制冷元件的塞貝克系數(shù)，單位為V/K；I為半導(dǎo)體制冷片的工作電流，單位為A；Th和Tc分別為制冷片熱端和冷端的溫度，單位為K；R為制冷片的電阻，單位為Ω；Kt為制冷片的總導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/K。

通過公式（1）、（2）和（3），可以估算系統(tǒng)的冷負荷，即系統(tǒng)所需的制冷量，結(jié)合公式（4）、 （5）、（6）和（7）對系統(tǒng)的制冷量和輸入功率進行優(yōu)化分析，從而確定供電電源的功率，使系統(tǒng)制冷效率達到最高，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)關(guān)鍵器件參數(shù)（光伏電池的功率、蓄電池的容量、制冷片的制冷功率和輸入功率）的合理匹配[5]。

1.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

在此次設(shè)計中，太陽能半導(dǎo)體制冷是通過光伏電池板的光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生電能驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片的方式來制冷，這種方式的優(yōu)點是相對易于控制，成本較低。太陽能的強度受多種因素的影響而不能維持常量，為了實現(xiàn)電源和負載之間穩(wěn)定、高效工作，提高供電質(zhì)量，需要設(shè)計一種可靠的、高效的太陽能電源控制器[6]。

太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)由太陽能電池組、蓄電池、控制器、半導(dǎo)體制冷片、傳感器、驅(qū)動電路、采樣電路和顯示電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制器的硬件電路主要由微處理器及其外圍的制冷驅(qū)動電路，溫度檢測和電流采樣電路所組成。

2.1 ATM EGA16微處理器

選擇AVR系列ATMEGA16微處理器為核心控制處理單元。ATMEGA16單片機是AVR系列中高性能低功耗的8位處理器，內(nèi)部具有豐富的資源，其內(nèi)部集成8路十位具有可選可編程增益的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）及其獨特的脈寬調(diào)制輸出PWM功能。ATMEGA16具有高可靠性、實時性好、抗干擾能力強、成本低等優(yōu)點。

2.2 半導(dǎo)體制冷驅(qū)動電路

選擇的制冷片的型號為TEC1-12706，其最大工作電流為6 A，工作電壓為12 V。半導(dǎo)體制冷片需用直流電流實現(xiàn)工作運轉(zhuǎn)，既可制冷又可加熱，通過改變直流電流的極性來決定在同一制冷片上實現(xiàn)制冷或加熱，溫度范圍為正溫80℃到負溫度55℃。

半導(dǎo)體制冷片工作時采用ATMEGA16芯片PWM功能對其進行控制，通過光耦控制達林頓管BD243的通斷，以達到對制冷片輸入電壓的控制，進而控制其冷端的工作溫度。半導(dǎo)體制冷片的工作驅(qū)動電路如圖2所示，其中RL即半導(dǎo)體制冷片。在實際的制冷過程中，為保證制冷效率，要求制冷片工作電流的數(shù)量級為安培。而電路中的BD243能提供最大6 A的集電極電流，滿足了制冷片的工作需求。4 700 μF的電容對制冷片的輸入電壓進行平滑，使得紋波系數(shù)小于10%，以保證制冷工況。

圖2 半導(dǎo)體制冷片的驅(qū)動電路Fig.2 Drive circuit of the thermoelectric

半導(dǎo)體制冷的熱端散熱，通過降低熱端的溫度，可以減少熱端向冷端的傳熱，因此熱端散熱很重要，減少冷熱端溫差成為提高熱電制冷性能的一個重要因素。在本次設(shè)計中，采用散熱片加上空氣強制對流散熱的方式對半導(dǎo)體制冷進行散熱，經(jīng)過重復(fù)實驗證明，該方式散熱效果良好。

2.3 電流采樣電路

為防止負載電流過高，需要檢測經(jīng)過負載的電流。采用康銅絲電阻對電流信號采樣，通過康銅絲電阻采樣的電壓信號經(jīng)過LM258放大，輸入到ATMEGA16的模數(shù)轉(zhuǎn)換器端口進行A/D轉(zhuǎn)換。如圖3所示。

2.4 溫度檢測電路

溫度傳感器使用的是DS18B20，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，DS18B20能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75 ms和750 ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根接口線（單總線接口）讀寫，單總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電。其溫度檢測電路如圖4所示。

圖3 負載電流采樣電路Fig.3 Current detect circuit for load

圖4 溫度檢測電路Fig.4 Temperature sense circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖5所示，系統(tǒng)初始化后接著啟動內(nèi)部 A/D轉(zhuǎn)換器，采樣蓄電池電壓VBAT，若蓄電池電壓小于正常電壓VC，進入充電程序；若蓄電池電壓正常，采樣制冷目標物的溫度Ta，若溫度高于預(yù)設(shè)溫度Th，啟動制冷程序。

圖5 軟件設(shè)計流程圖Fig.5 Flow chart of the software design

系統(tǒng)進入充電程序后，檢測太陽能電池光照強度并進行判斷，若光照強度低，系統(tǒng)休眠；若光照強度高于一定值，給蓄電池分段式充電并判斷蓄電池電壓狀態(tài)，當(dāng)蓄電池電壓上升至正常電壓，充電結(jié)束。

啟動制冷程序后，判斷當(dāng)前溫度Ta與Th的偏差、偏差變化率信號，經(jīng)PID控制調(diào)節(jié)制冷驅(qū)動電路的PWM脈寬信號，對半導(dǎo)體制冷進行控制，當(dāng)溫度不高于預(yù)設(shè)溫度Th，制冷結(jié)束并返回。

4 結(jié)束語

實驗表明，該制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，制冷效果良好。在工業(yè)儲藏和日常的冷藏保鮮中可以得到廣泛的推廣應(yīng)用。系統(tǒng)采用單片機控制技術(shù)，實現(xiàn)了基于太陽能供電的半導(dǎo)體制冷，在低能耗和環(huán)保方面顯示出一定的優(yōu)勢。

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