姚成軍，黎偉嘉，侯少波，高麗宏

（1.廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)廣東省海洋裝備及制造工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江 524088；3.廣東博信達環(huán)境工程有限公司，廣東 珠海 519000）

目前冷藏車制冷系統(tǒng)多采用高速運轉(zhuǎn)壓縮機驅(qū)動，存在耗電量高且運行不可靠等問題。半導(dǎo)體制冷部件少、清潔無污染、無運動部件、穩(wěn)定性高、易于控制，與壓縮式制冷相比，不會有噪音、機械部件發(fā)生磨損等問題，也不需要設(shè)計配套的制冷劑管路，減少了系統(tǒng)部件，而且不存在制冷劑泄漏等問題。半導(dǎo)體制冷單個制冷片雖然制冷量較小，但可通過串、并聯(lián)的形式連接多個半導(dǎo)體制冷片，以增大其制冷能力，因此具有很廣的制冷范圍。金剛善[1]利用太陽能電池板發(fā)電和小房間內(nèi)半導(dǎo)體器件的冷卻與加熱，解決了熱電堆組件的模塊化問題。徐娟娟等[2]對熱電制冷溫度控制系統(tǒng)開展研究。Xu等[3]設(shè)計了由太陽能電池板、半導(dǎo)體熱電冷卻器和儲能裝置組成的系統(tǒng)模型，獲得了最大冷卻系數(shù)電壓。但目前半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)在冷藏車中的設(shè)計及應(yīng)用鮮見報道。本研究設(shè)計了一款無需高速運轉(zhuǎn)壓縮機驅(qū)動的制冷系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。將清潔的太陽能用于冷藏車制冷，對無電網(wǎng)的邊遠地區(qū)的果蔬保鮮，以及我國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義。

1 設(shè)計概況

本設(shè)計選用長安跨越王X5（SC1031FRD67）普通運輸車為基礎(chǔ)，將其改裝成深圳地區(qū)某超市冷藏運輸車，日平均運輸500 kg蘋果，冷藏溫度為0℃。整車具體參數(shù)為：整車質(zhì)量2.015 t，額定載重1.295 t，最大輸出功率82 kW，車身尺寸5.64 m×1.85 m×2.68 m,貨箱尺寸3.51 m×1.71 m×1.65 m。采用節(jié)能型的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，由太陽能電池板和蓄電池供電。改裝后的冷藏車結(jié)構(gòu)如圖1所示，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖1 冷藏車結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawingof refrigerated truck

本設(shè)計的制冷系統(tǒng)芯片如圖2中的部件3所示，其結(jié)構(gòu)由水冷板、隔熱墊片、肋片式散熱器三部件組成。其中水冷板用于熱端冷卻。冷卻水將熱端熱量帶走，在空冷式散熱器中，再由空氣將熱量散發(fā)至環(huán)境大氣中。

圖2 冷藏車半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)Fig.2 Semiconductor refrigeration systemfor refrigerated truck

2 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 冷藏車廂傳熱系數(shù)計算

冷藏廂體與外界傳熱的對流換熱系數(shù)αk的計算公式如下[4]：

式中：V為環(huán)境氣流與行駛中車廂表面的相對流動速度，取V=70 km/h=19.4 m/s；e為自然常數(shù)。

代入公式計算得αk=44.14 W/（m2·K）。由αk計算車廂外表面與環(huán)境氣流的換熱熱阻Rk=1/αk=0.022 7（m2·K）/W。取車廂內(nèi)表面與車廂內(nèi)部氣流的對流換熱系數(shù)αn=7.5 W/（m2·K），計算車廂內(nèi)表面與車廂內(nèi)部氣流的換熱熱阻Rn=1/αn=0.133（m2·K）/W。冷藏廂體絕熱層選用聚氨酯泡沫，厚度δ2為0.100 m，其兩側(cè)分別是厚度δ1為0.002 m的外殼不銹鋼板和厚度δ3為0.001 5 mm的內(nèi)膽不銹鋼板。車廂隔熱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱熱阻Rd計算公式如下：

式中：λ1、λ2、λ3分別為外殼不銹鋼板、聚氨酯、內(nèi)膽不銹鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)，λ1=14.5 W/（m2·K），λ2=0.027 W/（m2·K），λ3=14.5W/（m2·K）。

代入計算得：Rd=3.704（m2·K）/W。故車廂隔熱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)K計算公式如下：

代入公式計算得：K=0.259 1 W/（m2·K）。

2.2 冷藏車廂熱負荷計算

冷藏車廂熱負荷Q包括廂體漏熱量Q1、縫隙漏熱量Q2、太陽輻射熱量Q3、貨物呼吸熱量Q4、開門漏熱量Q5、風(fēng)機運行熱量Q6。

廂體漏熱量Q1的計算公式為[5]：

式中：K為0.259 1 W/（m2·K）；車廂內(nèi)、外部溫度t1、t2分別為0℃和30.1℃；廂體外表面面積S=29.223 m2。

代入公式計算得：Q1=227.91 W。

根據(jù)文獻[5]，縫隙漏熱量Q2的計算公式為：Q2=0.1×Q1，代入Q1得到Q2=22.791 W。

太陽輻射進入車廂的熱量Q3的計算公式為：Q3=（0.1～0.2）×Q1[5]。深圳地區(qū)取0.2，代入Q1得到：Q3=45.582 W。

蘋果的呼吸熱Q4的計算公式為[6]：

式中：G為蘋果運貨量500 kg；q1為貨物冷卻初始溫度25℃時的呼吸熱量0.149 W/kg；q2表示貨物冷卻終止溫度0℃時的呼吸熱量0.010 7 W/kg。

計算得Q4=79.85 W。

冷藏車開門漏熱量Q5的計算公式[5]：

式中：n′為開門頻度次數(shù)0.25。

將Q1、Q3代入公式計算可得：Q5=68.373 W。

冷藏車在運輸過程中，車廂內(nèi)的軸流風(fēng)機產(chǎn)生的熱量Q6計算公式為：

式中：P為冷藏車內(nèi)軸流風(fēng)機的電動機額定功率，W；本設(shè)計所選用軸流風(fēng)機數(shù)量為2臺，運行功率均為8.4 W；ζ表示熱轉(zhuǎn)化系數(shù)1；軸流風(fēng)機日平均有效運行時間6 h，ρ為電動機運轉(zhuǎn)時間系數(shù)0.25。

因此，本設(shè)計中冷藏車廂在運輸冷藏貨物時的總冷負荷Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=448.706 W。冷藏車制冷系統(tǒng)選型時，在相應(yīng)冷藏車類別溫度下的制冷量應(yīng)不小于1.75倍的設(shè)備負荷[7]，故半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計冷負荷為785.24 W。

2.3 半導(dǎo)體制冷片設(shè)計選型

冷藏車廂內(nèi)部溫度為0℃，傳熱溫差2℃，熱電堆冷端溫度為-2℃。選用型號為TEC1-12706的半導(dǎo)體制冷片，該制冷片在最大制冷系數(shù)工況時的制冷量為14.235 W，選用數(shù)量為：設(shè)計冷負荷/最大制冷系數(shù)工況時的制冷量=785.24 W/14.24 W=55.14片，取整數(shù)56片。該型號半導(dǎo)體制冷片的外形尺寸（長×寬×高）為40 mm×40 mm×3.8 mm。其性能參數(shù)為：型號TEC1-12706，電堆數(shù)127，最大工作電壓16.0 V，最大工作電流6.1 A，最大溫差70℃，最大產(chǎn)冷功率61.4 W，最大制冷系數(shù)工況制冷量/散熱量為14.24 W/41.05 W。

2.4 半導(dǎo)體熱端冷卻

在本設(shè)計中半導(dǎo)體熱端冷卻的部分采用一個水冷系統(tǒng)，包括圖2中的空冷散熱器、儲水箱、水冷板等。以最大制冷系數(shù)工況計算，單片制冷片在設(shè)定的運行工況下熱端發(fā)熱量為41.05 W,所選用的56片制冷片總發(fā)熱量為41.05×56=2 298.8 W?？绽渖崞鬟x用一款翅片管式散熱器，其性能參數(shù)如下：材質(zhì)為不銹鋼鋁管，排數(shù)2，表面管長78 mm，表面管數(shù)10個，散熱面積25.08 m2，質(zhì)量72 kg。

3 太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計選型

3.1 太陽能電池的設(shè)計計算及選型

本設(shè)計中半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)采用12 V供電系統(tǒng)，選用某廠家40W單晶太陽能電池板，性能參數(shù)為：工作電壓17.0 V，工作電流2.8A，尺寸680 mm×520 mm×25 mm，質(zhì)量3.1 kg，工作溫度-45～85℃。

3.1.1 太陽能電池串聯(lián)數(shù)的計算

太陽能電池串聯(lián)數(shù)NS的計算公式為[8]：

式中：UOC為太陽能電池最佳工作電壓17 V；Uf為蓄電池浮充電壓14 V；UD為二極管壓降0.7 V；UC為其他因素壓降1 V。

代入公式計算可得：NS=0.924，取整為1個。

3.1.2 太陽能電池并聯(lián)數(shù)的計算

系統(tǒng)用電負載總耗電量包括：半導(dǎo)體制冷片日平均耗電量為6 114.276 W·h/d；軸流風(fēng)扇日平均耗電量為302.4 W·h/d；水泵日平均耗電量為57.6 W·h/d。日平均總耗電量QL為6 474.276 W·h/d。在12 V供電系統(tǒng)中可轉(zhuǎn)換為539.523 A·h/d。

太陽能電池日平均發(fā)電量QP的計算[7]：

式中：IOC為電池最佳工作電流2.8 V；H為深圳地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)光強條件下的日平均太陽輻射時間4.45 h；KOP為太陽能電池斜面修正系數(shù)0.885；CZ為充電效率、灰塵、組合修正系數(shù)0.8。

代入公式計算可得：QP=8.822 A·h/d。

太陽能電池并聯(lián)數(shù)NP的計算公式：

式中：QL為用電負載總耗電量539.523 A·h/d；QP為太陽能電池日平均發(fā)電量8.822 A·h/d。

代入公式計算可得：NP=61.157，向上取整為62個。

3.1.3 太陽能光伏板數(shù)量

太陽能光伏板數(shù)量：N=Ns×Np=1×62=62，即太陽能光伏板數(shù)量為62個。運輸車廂廂頂面積為6.0021m2，選用的太陽能電池板面積為0.353 6 m2，現(xiàn)有廂頂面積可裝設(shè)15個太陽能電池板，將電池板并聯(lián)輸出，電池板陣列日平均發(fā)電功率為132.33 A·h/d，不能滿足制冷系統(tǒng)用電負載日平均用電量，因此需從蓄電池中調(diào)配電能供給制冷系統(tǒng)用電負載，以滿足制冷系統(tǒng)日平均運行功耗。白天車輛運行所消耗蓄電池的電能可在夜間不工作時利用市電進行充電。太陽能電池板布置圖如圖3所示。

圖3 冷藏車廂頂太陽能電池板布置圖Fig.3 Layout of solar panels on refrigerated carriage roof

3.2 蓄電池設(shè)計選型

鉛酸蓄電池所需容量BC的計算公式[7]：

式中：A為安全系數(shù)1.1；QL為用電負載總耗電量539.523 A·h/d；NL為陰雨天無光照連續(xù)運行時間1 d；TO為溫度修正系數(shù)1；CC為鉛酸蓄電池放電深度0.75。

代入公式計算可得：BC=791.300 4 A·h/d。選用4個型號為6-CN-250的鉛酸蓄電池，其額定電壓為12 V，額定容量250 A·h/10 hr，外形尺寸（長×寬×高）為520 mm×269 mm×220 mm。

3.3 充放電控制器設(shè)計選型

充放電控制器選用型號為TS-MPPT-60L的太陽能控制器，其性能參數(shù)表略。

4 溫度控制系統(tǒng)

本設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)是由電源供電模塊在對用電負載進行供電時，溫度測量模塊把感應(yīng)到的溫度轉(zhuǎn)換成電信號，提供給單片機控制模塊進行算法處理，而單片機控制模塊通過判斷溫度是否在冷藏車溫度區(qū)間內(nèi)，發(fā)出是否開啟制冷片制冷運行狀態(tài)的指令，從而達到維持車廂內(nèi)溫度穩(wěn)定在冷藏溫度范圍內(nèi)的目的。

5 車廂內(nèi)溫度變化與制冷系統(tǒng)運行時間分析

根據(jù)車廂內(nèi)的總冷負荷448.706 W，選用56片TEC1-12706型半導(dǎo)體制冷片，能產(chǎn)生797.16 W總制冷量，兩者的差值為348.454 W。而制冷系統(tǒng)開始起動時車廂內(nèi)溫度為環(huán)境溫度30.1℃，可計算出車廂內(nèi)環(huán)境溫度30.1℃降至冷藏溫度0℃所需的換熱量Q為1 087.99 kJ。當(dāng)裝載貨物時先對冷藏車廂進行預(yù)冷，可計算出所需的預(yù)冷時間為22.747 min。當(dāng)車廂內(nèi)溫度比冷藏溫度0℃高出3℃時，開啟制冷系統(tǒng)制冷狀態(tài)，可計算車廂溫度由0℃升高至3℃時的時間2.383 min。而車廂內(nèi)部空氣由3℃降溫至0℃時的時間為3.068 min。即當(dāng)將車廂內(nèi)部溫度從0℃升高至3℃，又降至0℃時，這兩個過程的總時間為5.451 min。制冷系統(tǒng)運行時間為4.503 h。加上載貨前對車廂的預(yù)冷運行時間22.747 min，可得1 d內(nèi)總的制冷系統(tǒng)開機時間為4.882 h。

6 總結(jié)

本設(shè)計利用太陽能發(fā)電系統(tǒng),可將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電并直接供給半導(dǎo)體制冷片進行制冷，該系統(tǒng)能夠較容易地控制供電電壓，從而控制半導(dǎo)體制冷過程，以此調(diào)控冷藏車廂溫度。由太陽能發(fā)電供電給半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，具有節(jié)能、所用部件較少、穩(wěn)定性較高、更易于調(diào)控的特點。