楊威風(fēng)，毛 哲，萬海林

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430024）

糧食是我們賴以生存的基礎(chǔ)，在古代便有民以食為天的說法，隨著改革開放的深入，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，從1980年至今，我國的糧食產(chǎn)量逐年提高，2012年糧食產(chǎn)量更是達(dá)到了5.8億噸，是1980年的6倍之多，可是經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，全國的糧食，在集并、倉儲、運(yùn)輸、加工、銷售和消費(fèi)過程中，損耗率約為18%，其中相當(dāng)一部分是損失在倉儲的環(huán)節(jié)上。于是，怎么樣減少糧食在倉儲過程中的損失這一問題便顯得日益重要。

結(jié)合近十年來提出的生態(tài)文明概念，科學(xué)工作者們也在探索如何用更綠色的方式來實(shí)現(xiàn)糧食儲藏，現(xiàn)如今，低溫儲藏已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，在我國北方地區(qū)，因?yàn)楸狈蕉酒毡檩^冷，氣溫較低，低溫儲藏可以通過自然低溫和采用各種隔熱措施來實(shí)現(xiàn)，所以近年來推廣較快，備受糧庫的歡迎。在我國南方地區(qū)，冬短夏長且夏天平均氣溫較高，導(dǎo)致了自然低溫儲藏在南方地區(qū)已基本無應(yīng)用空間[1]，于是，國內(nèi)不少單位進(jìn)行了機(jī)械制冷低溫儲藏的研究和試驗(yàn)。盡管機(jī)械制冷技術(shù)有延緩糧食品質(zhì)劣變、保持良好品質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但目前在我國的國家糧食儲備庫中采用該方法的比例較小其原因是機(jī)械制冷設(shè)備價(jià)格較高，使用中耗電較大，產(chǎn)生噪音且對倉房隔熱性有一定的要求等[2]，對廉價(jià)的糧食來說，大量采用此方法，不僅是在我國，在廣大的發(fā)展中國家中都有一定的難度。眾所周知，太陽能是一種可再生的綠色能源，具有取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，半導(dǎo)體制冷器技術(shù)發(fā)展亦相對成熟，因此，使用太陽能供電驅(qū)動半導(dǎo)體制冷來實(shí)現(xiàn)糧食的低溫儲藏[3]是值得探索和研究的方向之一。

1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷原理的基礎(chǔ)之一即為帕爾帖效應(yīng)。當(dāng)直流電通過由兩種不同半導(dǎo)體(或?qū)w)組成的回路時(shí)，如圖1所示，在兩種半導(dǎo)體的接觸點(diǎn)會產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明這種吸熱或放熱的強(qiáng)度與所通電流大小有關(guān)。

圖1 帕爾帖效應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Peltire effect

圖2是半導(dǎo)體制冷的基本原理示意圖，當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料在金屬平板間形成通路，接上直流電源后，在接頭處會產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端，由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端[4]。在實(shí)際應(yīng)用中只需把其冷端放到要致冷的對象中，即可實(shí)現(xiàn)吸熱制冷。

圖2 半導(dǎo)體的制冷原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of semiconductor refrigeration

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w框圖

實(shí)驗(yàn)主要目的是在小型封閉模擬糧倉下實(shí)現(xiàn)太陽能半導(dǎo)體制冷器件的實(shí)時(shí)降溫，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕譃樘柲茈姵仃嚵小?shù)控匹配器、蓄電池、半導(dǎo)體制冷裝置、數(shù)字溫度計(jì)、過充過放保護(hù)電路和封閉泡沫箱等，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w框圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w框圖Fig.3 Overall block diagram of the experimental model

在本系統(tǒng)中，引入匹配器是因?yàn)槠鋵τ谔岣呦到y(tǒng)的靈敏度，增大作用距離，提供更多信息，起到十分重要的作用。在光伏系統(tǒng)中，負(fù)載必須與電源的內(nèi)阻匹配才能使電源輸出功率最大。本實(shí)驗(yàn)中使用的蓄電池是常見的鉛硫酸蓄電池，在這里加入過充和過放保護(hù)電路的原因是：蓄電池如果過量充電，即使充電電流不大，但由于電解液長時(shí)間“沸騰”，除了活性物質(zhì)表面的細(xì)小顆粒易于脫落外，還會使柵架過分氧化，造成活性物質(zhì)與柵架松散剝離。如果過量放電，當(dāng)放電電流較大時(shí)，會明顯發(fā)熱，甚至出現(xiàn)熱變形，此時(shí)硫酸鉛的濃度特別大，將會結(jié)晶形成較大顆粒，即形成不可逆硫酸鹽化。這些結(jié)晶導(dǎo)電性差，體積大，會堵塞極板的微孔，導(dǎo)致充電的恢復(fù)能力很差，蓄電池受到嚴(yán)重?fù)p害，甚至無法恢復(fù)[5]。因此，為了最大限度地利用蓄電池的性能和使用壽命，必須對其充放電條件加以規(guī)定和控制。要求實(shí)現(xiàn)太陽能電池對蓄電池的自動充電控制，有效防止過充，反充，同時(shí)對蓄電池放電進(jìn)行自動控制，防止深度放電，過強(qiáng)負(fù)載。并且實(shí)現(xiàn)過充電壓和過放電壓可調(diào)。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以AVR系列單片機(jī)ATMEGA16為控制中心，其具有成本低廉、較高的可靠性、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。電源模塊采用自制+5 V和+3.3 V電源電路，DS18B20檢測的溫度、DS12887的時(shí)鐘信號都通過單片機(jī)和LCD1602液晶顯示器進(jìn)行溫度時(shí)鐘的顯示。與此同時(shí)，無線收發(fā)芯片采用nRF905，單片機(jī)與nRF905進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定地址的nRF905接收端。單片機(jī)接受到溫度信號再判斷是否需要啟動半導(dǎo)體制冷片工作，當(dāng)溫度升高到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)送一個高電平通過無線傳輸給溫箱內(nèi)部單片機(jī)控制端，此時(shí)控制端控制半導(dǎo)體制冷片工作，當(dāng)溫度降到指定溫度，單片機(jī)發(fā)送一個低電平到半導(dǎo)體制冷片電源端控制，控制電路接受到信號停止供電，半導(dǎo)體制冷片停止工作[6]。如此循環(huán)以確保溫箱內(nèi)部溫度穩(wěn)定。整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of experimental system

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集和分析的具體做法是：將太陽能電池板、蓄電池以及設(shè)計(jì)好的蓄電池保護(hù)電路置于戶外充電；將半導(dǎo)體制冷片及其散熱裝置安裝在保溫箱的頂部[7]，制冷片制冷端置于箱內(nèi)，制熱端和散熱風(fēng)扇置于外側(cè)；將數(shù)字溫度計(jì)放在箱內(nèi)底部，并實(shí)時(shí)測量并發(fā)送其溫度值。待充電結(jié)束后將蓄電池給系統(tǒng)供電，進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)，并實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前溫度值。

研究表明，不同的開始制冷溫度不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。因此便不考慮不同的起始溫度帶來的影響。但是，為了盡可能的獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，定于在一天的上午8點(diǎn)，下午2點(diǎn)以及晚上8點(diǎn)進(jìn)行三次數(shù)據(jù)采集，每隔三天再次采集，持續(xù)6次（在武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院四樓進(jìn)行，2013年6月2號開始，武漢6月份平均氣溫為26.3℃）。首先把目標(biāo)溫度設(shè)為22℃采集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

目標(biāo)溫度設(shè)為18℃采集到的數(shù)據(jù)如表2所示。

把目標(biāo)溫度設(shè)為14℃采集到的數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出：當(dāng)目標(biāo)溫度為22℃時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)期望為22.2℃，數(shù)據(jù)變化幅度的標(biāo)準(zhǔn)差為0.1℃；當(dāng)目標(biāo)溫度為18℃時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)期望為18.5℃，數(shù)據(jù)的變化幅度為0.25℃；當(dāng)目標(biāo)溫度為14℃時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)期望為15.0℃，數(shù)據(jù)的變化幅度為0.25℃。這與實(shí)驗(yàn)前設(shè)想的期望的誤差范圍在1℃，變化幅度的準(zhǔn)確度也在0.5℃的范圍之內(nèi)相符合，因此該系統(tǒng)作用效果初步達(dá)到預(yù)期，基本能夠較好的完成制冷效果。

表1 目標(biāo)溫度為22℃時(shí)數(shù)據(jù)采集結(jié)果Tab.1 Data collection results when the target temperature was 22℃

表2 目標(biāo)溫度為18℃時(shí)數(shù)據(jù)采集結(jié)果Tab.2 Data collection results when the target temperature was 18℃

表3 目標(biāo)溫度為14℃時(shí)數(shù)據(jù)采集結(jié)果Tab.3 Data collection results when the target temperature was 14℃

5 結(jié)論

1)該實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)，基本上實(shí)現(xiàn)了制冷效果。系統(tǒng)又采用了以單片機(jī)為控制器[8]的技術(shù)，所以在成本、節(jié)能環(huán)保等方面也有不小的優(yōu)勢。但本實(shí)驗(yàn)只是在小型封閉空間模擬太陽能供電半導(dǎo)體制冷效果，距離實(shí)際應(yīng)用仍需付出較大的努力。

2)太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)相對于傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)制冷的方法有很大的優(yōu)點(diǎn)，比如，能耗較低，綠色環(huán)保，成本低廉等。這些都是傳統(tǒng)制冷技術(shù)無法比擬的，但其制冷效率目前較差，以后應(yīng)著重研究提高其效率的方法。

3)作為一種新型的儲糧技術(shù)，太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)尚在實(shí)際應(yīng)用的初級階段，當(dāng)然會在成熟度以及普適性方面尚有許多不足，需要進(jìn)行探索和完善，如本系統(tǒng)可能對當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件尤其是日照條件依賴性會很高，由于南方夏天氣溫較高，會導(dǎo)致降溫效果下降，如何能減少外界天氣條件對系統(tǒng)的影響也是所需解決的一大難題。

[1]王若蘭．糧油儲藏學(xué)[M]．北京：中國輕工業(yè)出版社，2008.

[2]付劍波．太陽能制冷低溫稻谷儲藏實(shí)驗(yàn)研究[D]．上海：上海交通大學(xué)，2007.

[3]WANG Wan-yue,ZHANG Xian．The Research on Semiconductor Refrigeration [J].Energy Procedia,2011,11(10):1776-1780．

[4]徐昌貴，賈艷婷，閆獻(xiàn)國，等.半導(dǎo)體制冷技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化，2012，6（3）：209-210.XU Chang-gui,JIA Yan-ting,YAN Xian-guo,et al.Semiconductor refrigeration technology and its application[J].Mechanical Engineering and Automation,2012,6(3):209-210.

[5]潘鐵輝.過放電對蓄電池的危害及解決方案[J].通信電源技術(shù)，2007,27(4)：61-64.PAN Tie-hui.The damage to the battery discharge and solution of[J].Electric Power Technology,2007,27(4):61-64.

[6]萬海林，太陽能半導(dǎo)體制冷器件在低溫糧食儲藏中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢輕工大學(xué)，2013.

[7]Senol M,Gurkan S B.A solution state diode using semiconductor polymer nanorods with nanogap electrodes[J].Nanotechnology,2012,23(24):245-248.

[8]李鵬，來新泉.基于雙機(jī)熱備的航天發(fā)動機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].火箭推進(jìn)，2011（3）：58-62.LI Peng,LAI Xin-quan.Design of dual-processor hot standby aerospace engine controller[J].Journal of Rocket Propulsion,2011（3）：58-62.