牛芳芳，商慶壟，崔華峰，陳 潔

(德州學(xué)院，山東 德州 253000)

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一種太陽(yáng)能電子冰袋的設(shè)計(jì)

牛芳芳，商慶壟，崔華峰，陳 潔

(德州學(xué)院，山東 德州 253000)

本文是基于太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的電子冰袋設(shè)計(jì)。認(rèn)真分析了電子冰袋的原理及組件構(gòu)成，形成設(shè)計(jì)方案，完成系統(tǒng)自動(dòng)充電、制冷制熱功能設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)材料特性和產(chǎn)品功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)電子冰袋的制冷制熱效率、制冷制熱溫度控制達(dá)到了使用標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)各種環(huán)境下的功能性進(jìn)行分析。

太陽(yáng)能；電子冰袋；制冷；制熱

1 太陽(yáng)能電子冰袋的研究背景

當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展，人們快節(jié)奏的生活習(xí)慣，使越來(lái)越多的人進(jìn)入了亞健康狀態(tài)，尤其是在大城市中更為明顯。人們忙于工作，缺乏運(yùn)動(dòng)，疏于鍛煉，身體變得極差。大多數(shù)人甚至半年都不會(huì)健身一次，即使辦了健身俱樂(lè)部的會(huì)員卡，也基本上不會(huì)去參加鍛煉。在這種形勢(shì)下，人們?cè)趹敉鈺r(shí)特別容易出現(xiàn)扭腳，摔倒等受傷的現(xiàn)象。熱愛運(yùn)動(dòng)的人們平時(shí)在參加打球，跳舞，爬山等娛樂(lè)活動(dòng)時(shí)，也不免會(huì)發(fā)生受傷現(xiàn)象。女性由于工作原因穿高跟鞋，一不留心就會(huì)崴到腳的現(xiàn)象更是頻繁發(fā)生。在這些受傷情況下，都需要及時(shí)的救治，但是很多人往往因?yàn)闆](méi)有時(shí)間條件等而選擇忽略，最后情形加重不得不去醫(yī)院治療，這樣一來(lái)反倒更耽誤時(shí)間和金錢。及時(shí)救治冷敷所需的冰塊，熱敷所需要的雞蛋、毛巾等等都受到時(shí)間地點(diǎn)的限制，無(wú)法隨身攜帶，給生活帶來(lái)了極大的不便。

2 太陽(yáng)能電子冰袋的原理及其構(gòu)成組件研究

太陽(yáng)能電子冰袋主要由熱電制冷器和太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)兩個(gè)部件組成。熱電制冷器主要由半導(dǎo)體熱電制冷系統(tǒng)，溫差發(fā)電系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。

2.1 半導(dǎo)體熱電制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體熱電制冷系統(tǒng)由制冷模塊，溫度檢測(cè)模塊，絕熱模塊，熱交換模塊四大模塊組成。制冷模塊的基本單元是帕爾貼效應(yīng)比普通金屬電偶強(qiáng)的多并且熱電效率比較高的由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的半導(dǎo)體電偶[1]。

1.冷端；2.熱端；3.半導(dǎo)體電臂P；4.半導(dǎo)體電臂N；5.直流電源

如圖1所示，將P半導(dǎo)體電臂和N半導(dǎo)體電臂通過(guò)金屬片連接起來(lái)，接受直流電形成回路[1]。當(dāng)通以直流電后，載流子流過(guò)具有兩種不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料時(shí)，會(huì)發(fā)生在接收端吸收能量或放出能量的現(xiàn)象，從而將電能轉(zhuǎn)化為熱能[2]。

2.2 溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫差發(fā)電系統(tǒng)主要由兩種不同材料的半導(dǎo)體材料，分別放置在半導(dǎo)體熱電制冷器的兩側(cè)，并將導(dǎo)線連接到鋰電池正負(fù)極上。半導(dǎo)體熱電制冷器接通電流后就可以進(jìn)行溫差發(fā)電。當(dāng)電流方向?yàn)檎驎r(shí)，溫度下降，吸收熱量；若電流反向，則溫度上升，放出熱量，形成一頭為冷端，一頭為熱端，這就是熱電單元的簡(jiǎn)單模型。在器件兩端的溫差保持不變時(shí)，就會(huì)形成溫差電動(dòng)勢(shì)，從而將熱能轉(zhuǎn)化成電能，并將產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存到鋰電池中[2]。

2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)半導(dǎo)體熱電制冷器控制輸入電流來(lái)達(dá)到高精度的溫度控制要求[3]。溫度檢測(cè)模塊通過(guò)數(shù)字溫度傳感器測(cè)得準(zhǔn)確的溫度。絕熱模塊由絕熱材料構(gòu)成，進(jìn)行絕熱。熱交換模塊，因?yàn)殡娮颖嘤糜谑軅錈岱?，所以可以采用蒸發(fā)潛熱散熱方式，同時(shí)可以視情況加以小型風(fēng)扇來(lái)加快溫度擴(kuò)散速度。

2.4 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能充電系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池板、鋰電池和防逆流模塊組成，在光照情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)電子冰袋的自動(dòng)充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用了兩塊功率為10 W產(chǎn)生電壓為12 V的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生電能。系統(tǒng)采用防逆流模塊實(shí)現(xiàn)鋰電池充滿電時(shí)能夠自動(dòng)切斷線路的功能，防止電流的倒流和線路的短路對(duì)裝置造成損壞，從而延長(zhǎng)太陽(yáng)能電池板的壽命，實(shí)現(xiàn)對(duì)12 V鋰電池的自動(dòng)充電。

3 太陽(yáng)能電子冰袋功能分析

太陽(yáng)能電子冰袋主要有太陽(yáng)能自動(dòng)充電、冷敷和熱敷的功能。

3.1 太陽(yáng)能自動(dòng)充電功能

太陽(yáng)能電子冰袋采用太陽(yáng)能電池組件，當(dāng)電池沒(méi)有電或者無(wú)法及時(shí)充電時(shí)，可以采用隨時(shí)隨地的太陽(yáng)能進(jìn)行充電，方便，快捷。

3.2 電子冰袋冷敷功能

當(dāng)人們出現(xiàn)意外受傷的情況時(shí)，電子冰袋可以發(fā)揮極大的作用。人們?cè)趹敉膺\(yùn)動(dòng)中，不免會(huì)發(fā)生磕碰，擦傷等受傷現(xiàn)象，剛受傷時(shí)容易有出血和水腫的現(xiàn)象，這時(shí)可以先進(jìn)行冷敷來(lái)使血管收縮。將電子冰袋綁到受傷的部位打開冷敷開關(guān)電子冰袋制冷，制冷量可以通過(guò)電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)通以直流電后，載流子流過(guò)具有兩種不同能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料時(shí)，會(huì)在接收端吸收能量，達(dá)到制冷效果。

3.3 電子冰袋熱敷功能

將電子冰袋綁到受傷部位通以直流電后，載流子流過(guò)具有兩種不同能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料時(shí)，會(huì)在接收端放出能量，把電能轉(zhuǎn)化為熱能。在受傷初期，熱敷可加快炎癥的吸收和消散的速度，促進(jìn)其消退；在后期可以限制炎癥的發(fā)展，有助于消除壞死組織和修復(fù)組織。

圖2 程序流程圖

4 太陽(yáng)能電子冰袋的市場(chǎng)前景及應(yīng)用價(jià)值

太陽(yáng)能電子冰袋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由熱電制冷器和太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)兩個(gè)部件組成。半導(dǎo)體制冷的應(yīng)用不像其他制冷熱備要添加制冷劑，無(wú)污染，保護(hù)環(huán)境。整個(gè)熱電制冷器，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此沒(méi)有摩擦，產(chǎn)生噪音極小，使用壽命長(zhǎng)，并且發(fā)生故障后維修簡(jiǎn)單；熱電制冷器的占用空間小，啟動(dòng)速度快，只要有電流通過(guò)便會(huì)馬上發(fā)生制冷現(xiàn)象，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流來(lái)控制制冷溫度和冷卻速度；熱電制冷器操作是可逆的，只要改變電流方向就可以從制冷效果變?yōu)橹茻嵝Ч鸞4]。太陽(yáng)能電池板利用天然的清潔能源太陽(yáng)能，完善了隨時(shí)隨地充電的功能，保證了電子冰袋的方便。電子冰袋可以滿足人們生活的需要，隨時(shí)攜帶，輕巧方便，保證出行安全。當(dāng)今社會(huì)正在竭力發(fā)展新能源，減少生活污染，我們需要金山銀山，但更要綠水青山。整個(gè)太陽(yáng)能電子冰袋的設(shè)計(jì)符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，無(wú)污染，保護(hù)環(huán)境，順應(yīng)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，具有高的應(yīng)用價(jià)值和良好的發(fā)展前景。

[1] 吳業(yè)正.制冷原理與設(shè)備[M].第3版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2010.

[2] 劉向陽(yáng).熱電制冷器件最新進(jìn)展[J].中山大學(xué)研究生學(xué)刊(自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)版)，2005，26(1):21-29.

[3] 陳昌盛，魏旭來(lái)，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(18):164-166.

[4] 田茹.食品行業(yè)培養(yǎng)箱的設(shè)計(jì)研究[J].科技資訊，2014,12(23):228-228.

The Design and Researches on a Solar Energy Ice Bag

Niu Fangfang,Shang Qinglong,Cui Huafeng,Chen Jie

(DezhouUniversity,DezhouShandong253000,China)

This paper makes a design of electronic ice bag based on solar energy.It elaborately analyses the principle and component of the bag.It makes experiments according to the material characteristics and the product function.It analyses the efficiency and temperature control of the bag in refrigeration and heating aspects.At the meantime,it studies the practical functions in any milieu.In addition,it sketches various creative functions and applying values of temperature-control instrument in solar energy.

solar energy; electronic ice bag; refrigeration; heating

2016-05-31

牛芳芳(1995-)，女， 浙江桐鄉(xiāng)人，大學(xué)本科，研究方向：能源與動(dòng)力工程。

1674-4578(2016)05-0013-01

TM615

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