摘 要：本設(shè)計(jì)通過太陽能電池板發(fā)電對半導(dǎo)體組件進(jìn)行供電，不僅可以提供空調(diào)電量而且不產(chǎn)生任何有害氣體，充分體現(xiàn)了節(jié)能減排的特點(diǎn)。空調(diào)制冷系統(tǒng)主要采用半導(dǎo)體組件，不僅可以很快的實(shí)現(xiàn)溫度變化，而且在制冷過程中不會(huì)產(chǎn)生噪音，當(dāng)車廂內(nèi)的溫度達(dá)到溫度控制器設(shè)置的溫度時(shí)，溫度控制器將自動(dòng)斷開半導(dǎo)體組件，考慮到用戶使用的方便，設(shè)計(jì)了無線控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制空調(diào)；另一方面，太陽能電池板轉(zhuǎn)化的能量一部分用于半導(dǎo)體制冷，剩余的部分儲存在蓄電池中作為替補(bǔ)能源，既可以在太陽光強(qiáng)不足時(shí)供給半導(dǎo)體組件，又可供給其他用電器。

關(guān)鍵詞：太陽能電池板；半導(dǎo)體組件；半導(dǎo)體制冷；溫度調(diào)控；節(jié)能環(huán)保

1 研制背景及意義

隨著商品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不同地區(qū)之間的貨物流通已經(jīng)不是難題。為了運(yùn)輸冷凍或保鮮貨物，各式各樣的冷藏車應(yīng)運(yùn)而生，目前我國冷藏保溫汽車按制冷裝置的制冷方式有機(jī)械冷藏汽車、液氮冷藏汽車、冷板冷藏汽車、干冰冷藏汽車、水（鹽）冰冷藏汽車等，大部分是裝有制冷機(jī)組的制冷裝置和聚氨酯隔熱廂的冷藏專用運(yùn)輸汽車。針對半導(dǎo)體制冷，我們擬制作一種新型太陽能智能空調(diào)輔助系統(tǒng)，利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)為化學(xué)能儲存在蓄電池中為半導(dǎo)體制冷組件供電[1]，既減少了發(fā)電機(jī)發(fā)電量，又無有害氣體排放。

1.1 傳統(tǒng)冷藏車空調(diào)的缺點(diǎn)

（1）首先機(jī)械制冷是一種較為可靠有效的制冷方式，但冷藏汽車工作時(shí)要消耗燃油或電力，并增加尾氣排放。機(jī)械制冷裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得冷藏運(yùn)輸成本較高，運(yùn)價(jià)貴，從而嚴(yán)重阻礙了冷藏汽車的發(fā)展。

（2）空調(diào)系統(tǒng)制冷劑污染環(huán)境。目前，汽車空調(diào)制冷劑多用R12，該制冷劑對臭氧層破壞嚴(yán)重，我國已于2010年全面完成了CFC類工質(zhì)的替代。R134a作為R12的替代產(chǎn)物，雖然不破壞臭氧層但其全球變暖潛值為1300。到2017年，歐盟將禁止新生產(chǎn)的汽車空調(diào)使用GWP值大于150的制冷劑。因此，研究開發(fā)利用汽車余熱和可再生能源驅(qū)動(dòng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)，是汽車空調(diào)技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步的必然要求[2]。

1.2 太陽能冷藏車空調(diào)的設(shè)計(jì)目的

針對目前冷藏車空調(diào)的一些不足，我們設(shè)計(jì)了太陽能智能空調(diào)，基本解決了現(xiàn)在冷藏車空調(diào)所帶來的問題。首先利用半導(dǎo)體組件制冷，而半導(dǎo)體制冷所需的能量又由太陽能電池板通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化而來，整個(gè)設(shè)計(jì)清潔無污染，這樣既節(jié)省能源，又克服了傳統(tǒng)空調(diào)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害氣體的缺點(diǎn)，起到環(huán)保效果。另外，太陽能電池板吸收的太陽能一部分供空調(diào)系統(tǒng)使用，剩余的部分儲存到蓄電池以備陽光不足時(shí)再供空調(diào)使用，大大增加了能源利用率[3]。我們的太陽能冷藏車智能空調(diào)還便于安裝使用，無論是新車還是舊車都可以方便的安裝上汽車太陽能智能空調(diào)，我們只需將薄膜狀的太陽能電池板貼在車的頂棚，然后將導(dǎo)線接入空調(diào)即可。

2 設(shè)計(jì)方案及原理簡介

2.1 電器控制部分

考慮到太陽能電池板的電壓波動(dòng)問題（約5V）以及它小于空調(diào)系統(tǒng)的電壓（12V）問題，我們通過升壓模塊（圖1所示）給太陽能電池板的電壓升至12V，穩(wěn)壓模塊的電路圖（圖2）所示如下：其中Vin表示太陽能電池板的電壓，Vout表示升壓之后的電壓，最后儲存到蓄電池供空調(diào)系統(tǒng)及溫度控制器使用。

2.2 機(jī)械部分

太陽能電池板是和汽車面連在一起的，當(dāng)太陽照射汽車時(shí)，太陽能電池板就會(huì)自動(dòng)把光能轉(zhuǎn)化為電能，然后供各用電組件使用。 圖3為工作流程圖：

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 所采用的太陽能電池板屬性

試驗(yàn)中冷藏車模型所用的電池板，其參數(shù)分別是5V 0.04A、 5V 0.02A、5V 0.3A，把它們并聯(lián)起來是1.56A，考慮到空調(diào)系統(tǒng)：其中大風(fēng)扇12V 0.18A、小風(fēng)扇12V 0.1A、制冷片12V 2A，我們用升壓模塊給以上太陽能板的電壓升至12V，便可供空調(diào)系統(tǒng)使用 ，下面表1是各個(gè)器件的功率：

表1 各元件功率表

3.2 模擬太陽能空調(diào)車廂的制冷效果

我們選用體積為28*16*14cm的長方體紙箱來模擬車內(nèi)空間，使用上述太陽能電池板對其供電，4*4cm制冷片以及相關(guān)的散熱組件。我們選取一天中的不同時(shí)刻在太陽直射的情況下進(jìn)行測量，并記錄各個(gè)階段太陽能制冷空調(diào)的制冷效果。

表2 測試時(shí)間為上午，天氣為微風(fēng)，室外溫度為25℃

表3 測試時(shí)間為中午，天氣晴朗，室外溫度為34℃

表4 測試時(shí)間為下午，天氣為微風(fēng)，室外溫度為27℃

3.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上三個(gè)記錄可以看出采用半導(dǎo)體的效果十分明顯，可以達(dá)到每分鐘下降2℃左右，隨著車廂內(nèi)溫度的逐步降低，單位時(shí)間內(nèi)下降的溫度逐漸降低，但是在10分鐘內(nèi)仍然可以達(dá)到10℃左右的溫差。

主要的原因有：

（1）我們模擬的車廂為無機(jī)玻璃箱，邊緣縫隙的密封性比較差，與外界熱量交換較多；

（2）隨著制冷片工作時(shí)間的延長，散熱組件的散熱效果逐漸下降，制冷片兩面溫差逐漸減小，導(dǎo)致每下降1℃所用時(shí)間增長。

解決辦法：

（1）在實(shí)際的車廂中，密封性能和隔熱性能好，半導(dǎo)體制冷的效果將會(huì)更加顯著；

（2）由于模擬空間有限，采用一個(gè)半導(dǎo)體制冷片工作，而在實(shí)際的使用中，完全可以采用4個(gè)制冷片交替或同時(shí)工作，達(dá)到更好的制冷制熱效果。

4 工作原理及性能分析

4.1 太陽能板的工作原理簡介

太陽能板是利用硅型太陽能電池吸收太陽光，太陽輻射能量的光譜，主要以可見光為中心，光照射在半導(dǎo)體中存在內(nèi)電場E的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在電場的作用下，半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，其轉(zhuǎn)化的能量與太陽光的強(qiáng)度成正比。即太陽光越強(qiáng)，它轉(zhuǎn)換的能量也越多。endprint

4.2 半導(dǎo)體制冷工作原理簡介

將太陽能板接到半導(dǎo)體制冷片上，然后將導(dǎo)冷端和散熱片安裝好再接風(fēng)扇，導(dǎo)冷端風(fēng)扇的螺絲可以先裝上，然后就可以直接插在導(dǎo)冷模塊上，再把太陽能板及制冷系統(tǒng)安裝在汽車的適當(dāng)位置，通過溫度控制器來顯示當(dāng)前溫度，當(dāng)車內(nèi)溫度達(dá)到我們設(shè)置所需溫度時(shí)，系統(tǒng)停止工作。

4.3 數(shù)字式溫度控制器的智能控制

圖4和圖5分別為溫度控制器的內(nèi)部構(gòu)造圖和外觀圖，系統(tǒng)進(jìn)入制冷模式時(shí)，有3個(gè)手動(dòng)溫度控制點(diǎn)可供選擇，26℃，28℃，30℃默認(rèn)溫度是26℃。當(dāng)室溫低于所選擇的溫度時(shí)，系統(tǒng)不工作，當(dāng)室溫高于或等于所選擇的溫度時(shí)空調(diào)制冷。

4.4 太陽能遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)

為了更方便的控制太陽能空調(diào)的開關(guān)與半導(dǎo)體組件的制冷和制熱，我們采用四鍵遙控器和超再生固定碼接收模塊，可以組成四路無線發(fā)射接收電路，遙控器的四位數(shù)據(jù)碼對應(yīng)模塊的四路輸出，可以方便的組成無線遙控發(fā)射接收電路，實(shí)現(xiàn)了用戶遠(yuǎn)程控制太陽能空調(diào)。

5 創(chuàng)新點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

5.1 太陽能空調(diào)主要有以下創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

（1）使用半導(dǎo)體制冷，且充分利用太陽能提供能量，節(jié)省了傳統(tǒng)空調(diào)需要的耗油，太陽能冷藏空調(diào)是利用太陽能電池轉(zhuǎn)化的直流電來驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體組件，不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，而傳統(tǒng)的空調(diào)是利用燃燒汽油而獲得電能來驅(qū)動(dòng)的。

（2）可以實(shí)現(xiàn)溫度的智能調(diào)控。我們采用智能溫度控制器，不僅可以兼容控制制冷制熱，還具有延時(shí)保護(hù)、回差設(shè)置以及超溫低溫報(bào)警功能。利用其回差設(shè)置功能，我們可以設(shè)定某個(gè)溫度區(qū)間，當(dāng)車廂內(nèi)溫度超出此區(qū)間時(shí)，半導(dǎo)體組件可以自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行制熱或制冷。

（3）充分體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，既可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)開關(guān)、制冷制熱的無線控制，也可以根據(jù)車主需求，控制其提前工作。

（4）普及性強(qiáng)，便于推廣使用。無論是新車還是舊車都可以方便安裝上汽車太陽能智能空調(diào)，我們只需將太陽能電池板貼在車的頂棚或者側(cè)面，然后將導(dǎo)線接入空調(diào)即可。

（5）在技術(shù)應(yīng)用上不需要任何致冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動(dòng)部件，是一種固體器件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長[5]。

5.2 應(yīng)用前景展望

目前冷藏車已成為現(xiàn)實(shí)生活中不可缺少的運(yùn)輸工具，所有冷藏車空調(diào)都有待在節(jié)能方面實(shí)施改進(jìn)，而這樣一款智能太陽能空調(diào)正能解決目前石油短缺、能源危機(jī)、環(huán)境污染的問題，又積極響應(yīng)國家“節(jié)能減排”的號召，因此我們設(shè)計(jì)的這一款汽車太陽能智能空調(diào)應(yīng)用前景很廣。

參考文獻(xiàn)

[1]冀兆良.我國汽車空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2011（5）：1-5.

[2]鄭永明，方方，徐建一，等.半導(dǎo)體致冷原理及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].中國測試技術(shù)，2006（3）：49-51.

[3]張亞君，黃小華，李金新，等.分布式可控制醫(yī)療制冷頭盔[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（4）：17-20.

[4]陳昌盛，魏旭來，唐韜.基于嵌入式的小型恒溫冷藏箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（9）：164-166.

[5]劉清.采暖制冷技術(shù)中的熱電效應(yīng)[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（6）：17-21.

作者簡介：*王志森（1997，10-），男，現(xiàn)就讀于北鎮(zhèn)中學(xué)高中二年級21班。endprint

4.2 半導(dǎo)體制冷工作原理簡介

將太陽能板接到半導(dǎo)體制冷片上，然后將導(dǎo)冷端和散熱片安裝好再接風(fēng)扇，導(dǎo)冷端風(fēng)扇的螺絲可以先裝上，然后就可以直接插在導(dǎo)冷模塊上，再把太陽能板及制冷系統(tǒng)安裝在汽車的適當(dāng)位置，通過溫度控制器來顯示當(dāng)前溫度，當(dāng)車內(nèi)溫度達(dá)到我們設(shè)置所需溫度時(shí)，系統(tǒng)停止工作。

4.3 數(shù)字式溫度控制器的智能控制

圖4和圖5分別為溫度控制器的內(nèi)部構(gòu)造圖和外觀圖，系統(tǒng)進(jìn)入制冷模式時(shí)，有3個(gè)手動(dòng)溫度控制點(diǎn)可供選擇，26℃，28℃，30℃默認(rèn)溫度是26℃。當(dāng)室溫低于所選擇的溫度時(shí)，系統(tǒng)不工作，當(dāng)室溫高于或等于所選擇的溫度時(shí)空調(diào)制冷。

4.4 太陽能遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)

為了更方便的控制太陽能空調(diào)的開關(guān)與半導(dǎo)體組件的制冷和制熱，我們采用四鍵遙控器和超再生固定碼接收模塊，可以組成四路無線發(fā)射接收電路，遙控器的四位數(shù)據(jù)碼對應(yīng)模塊的四路輸出，可以方便的組成無線遙控發(fā)射接收電路，實(shí)現(xiàn)了用戶遠(yuǎn)程控制太陽能空調(diào)。

5 創(chuàng)新點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

5.1 太陽能空調(diào)主要有以下創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

（1）使用半導(dǎo)體制冷，且充分利用太陽能提供能量，節(jié)省了傳統(tǒng)空調(diào)需要的耗油，太陽能冷藏空調(diào)是利用太陽能電池轉(zhuǎn)化的直流電來驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體組件，不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，而傳統(tǒng)的空調(diào)是利用燃燒汽油而獲得電能來驅(qū)動(dòng)的。

（2）可以實(shí)現(xiàn)溫度的智能調(diào)控。我們采用智能溫度控制器，不僅可以兼容控制制冷制熱，還具有延時(shí)保護(hù)、回差設(shè)置以及超溫低溫報(bào)警功能。利用其回差設(shè)置功能，我們可以設(shè)定某個(gè)溫度區(qū)間，當(dāng)車廂內(nèi)溫度超出此區(qū)間時(shí)，半導(dǎo)體組件可以自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行制熱或制冷。

（3）充分體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，既可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)開關(guān)、制冷制熱的無線控制，也可以根據(jù)車主需求，控制其提前工作。

（4）普及性強(qiáng)，便于推廣使用。無論是新車還是舊車都可以方便安裝上汽車太陽能智能空調(diào)，我們只需將太陽能電池板貼在車的頂棚或者側(cè)面，然后將導(dǎo)線接入空調(diào)即可。

（5）在技術(shù)應(yīng)用上不需要任何致冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動(dòng)部件，是一種固體器件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長[5]。

5.2 應(yīng)用前景展望

目前冷藏車已成為現(xiàn)實(shí)生活中不可缺少的運(yùn)輸工具，所有冷藏車空調(diào)都有待在節(jié)能方面實(shí)施改進(jìn)，而這樣一款智能太陽能空調(diào)正能解決目前石油短缺、能源危機(jī)、環(huán)境污染的問題，又積極響應(yīng)國家“節(jié)能減排”的號召，因此我們設(shè)計(jì)的這一款汽車太陽能智能空調(diào)應(yīng)用前景很廣。

參考文獻(xiàn)

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[2]鄭永明，方方，徐建一，等.半導(dǎo)體致冷原理及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].中國測試技術(shù)，2006（3）：49-51.

[3]張亞君，黃小華，李金新，等.分布式可控制醫(yī)療制冷頭盔[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（4）：17-20.

[4]陳昌盛，魏旭來，唐韜.基于嵌入式的小型恒溫冷藏箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（9）：164-166.

[5]劉清.采暖制冷技術(shù)中的熱電效應(yīng)[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（6）：17-21.

作者簡介：*王志森（1997，10-），男，現(xiàn)就讀于北鎮(zhèn)中學(xué)高中二年級21班。endprint

4.2 半導(dǎo)體制冷工作原理簡介

將太陽能板接到半導(dǎo)體制冷片上，然后將導(dǎo)冷端和散熱片安裝好再接風(fēng)扇，導(dǎo)冷端風(fēng)扇的螺絲可以先裝上，然后就可以直接插在導(dǎo)冷模塊上，再把太陽能板及制冷系統(tǒng)安裝在汽車的適當(dāng)位置，通過溫度控制器來顯示當(dāng)前溫度，當(dāng)車內(nèi)溫度達(dá)到我們設(shè)置所需溫度時(shí)，系統(tǒng)停止工作。

4.3 數(shù)字式溫度控制器的智能控制

圖4和圖5分別為溫度控制器的內(nèi)部構(gòu)造圖和外觀圖，系統(tǒng)進(jìn)入制冷模式時(shí)，有3個(gè)手動(dòng)溫度控制點(diǎn)可供選擇，26℃，28℃，30℃默認(rèn)溫度是26℃。當(dāng)室溫低于所選擇的溫度時(shí)，系統(tǒng)不工作，當(dāng)室溫高于或等于所選擇的溫度時(shí)空調(diào)制冷。

4.4 太陽能遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)

為了更方便的控制太陽能空調(diào)的開關(guān)與半導(dǎo)體組件的制冷和制熱，我們采用四鍵遙控器和超再生固定碼接收模塊，可以組成四路無線發(fā)射接收電路，遙控器的四位數(shù)據(jù)碼對應(yīng)模塊的四路輸出，可以方便的組成無線遙控發(fā)射接收電路，實(shí)現(xiàn)了用戶遠(yuǎn)程控制太陽能空調(diào)。

5 創(chuàng)新點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

5.1 太陽能空調(diào)主要有以下創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

（1）使用半導(dǎo)體制冷，且充分利用太陽能提供能量，節(jié)省了傳統(tǒng)空調(diào)需要的耗油，太陽能冷藏空調(diào)是利用太陽能電池轉(zhuǎn)化的直流電來驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體組件，不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，而傳統(tǒng)的空調(diào)是利用燃燒汽油而獲得電能來驅(qū)動(dòng)的。

（2）可以實(shí)現(xiàn)溫度的智能調(diào)控。我們采用智能溫度控制器，不僅可以兼容控制制冷制熱，還具有延時(shí)保護(hù)、回差設(shè)置以及超溫低溫報(bào)警功能。利用其回差設(shè)置功能，我們可以設(shè)定某個(gè)溫度區(qū)間，當(dāng)車廂內(nèi)溫度超出此區(qū)間時(shí)，半導(dǎo)體組件可以自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行制熱或制冷。

（3）充分體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，既可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)開關(guān)、制冷制熱的無線控制，也可以根據(jù)車主需求，控制其提前工作。

（4）普及性強(qiáng)，便于推廣使用。無論是新車還是舊車都可以方便安裝上汽車太陽能智能空調(diào)，我們只需將太陽能電池板貼在車的頂棚或者側(cè)面，然后將導(dǎo)線接入空調(diào)即可。

（5）在技術(shù)應(yīng)用上不需要任何致冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動(dòng)部件，是一種固體器件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長[5]。

5.2 應(yīng)用前景展望

目前冷藏車已成為現(xiàn)實(shí)生活中不可缺少的運(yùn)輸工具，所有冷藏車空調(diào)都有待在節(jié)能方面實(shí)施改進(jìn)，而這樣一款智能太陽能空調(diào)正能解決目前石油短缺、能源危機(jī)、環(huán)境污染的問題，又積極響應(yīng)國家“節(jié)能減排”的號召，因此我們設(shè)計(jì)的這一款汽車太陽能智能空調(diào)應(yīng)用前景很廣。

參考文獻(xiàn)

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[4]陳昌盛，魏旭來，唐韜.基于嵌入式的小型恒溫冷藏箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（9）：164-166.

[5]劉清.采暖制冷技術(shù)中的熱電效應(yīng)[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（6）：17-21.

作者簡介：*王志森（1997，10-），男，現(xiàn)就讀于北鎮(zhèn)中學(xué)高中二年級21班。endprint