基于太阳能供电的半导体制冷系统设计

程明福，吴才章

（河南工业大学 电气工程学院，河南 郑州 450001）

目前，绝大部分的制冷设备都是以电能驱动的。传统的制冷设备不仅消耗大量的电能，同时也因为使用氟里昂等制冷工质而对环境造成污染，因此制冷中的节能和环保问题成为人们关注的焦点，并寻求以清洁能源供电且不使用氟里昂等传统制冷工质的制冷方式[1]。文中研究的制冷系统以太阳能光伏电池提供驱动能源、以半导体制冷片为冷源，是一种节能环保的新型制冷方式。

半导体制冷片也叫电子制冷片，依据珀尔帖效应原理来进行制冷。半导体制冷片不需要制冷剂，没有污染源，工作时没有震动、噪音、寿命长；作为一种电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制[2]。半导体制冷已经在航空航天、医疗技术、生物工程等领域得到广泛的应用[3]。

1 制冷系统设计

1.1 制冷功率计算

系统各部分的参数匹配取决于系统所需要的制冷量，因此制冷量的计算是设计的前提[4]。在本文中，制冷环境为一密闭圆筒粮仓。由于粮仓顶层在外界气温较高时易积热，为维持粮食在低温或准低温环境下储藏的目的，需要对粮仓内粮堆线以上的空气层进行制冷。根据传热学基本原理，可计算出粮仓的冷负荷。

粮仓内空气的制冷量需求：

顶部空气层与粮仓侧面、仓顶以及粮仓内的粮食存在热量的传递，在τ时刻后，向外扩散的冷量：

粮仓的总制冷负荷：

式中，ρ为粮仓内空气的密度；V为空气体积；C为空气的比热；T0为粮仓内空气的初始温度；T1为制冷目标温度；K为等效传热系数，单位为W/K；S为有效传热面积；T2和T3分别为粮仓内外随时间变化的温度，单位为K。

根据半导体制冷片的热电制冷原理，可以根据测得的温度、电压和电流计算半导体制冷原件的特性参数：

输入功率：

制冷量：

制热量：

制冷效率：

式中，α为制冷元件的塞贝克系数，单位为V/K；I为半导体制冷片的工作电流，单位为A；Th和Tc分别为制冷片热端和冷端的温度，单位为K；R为制冷片的电阻，单位为Ω；Kt为制冷片的总导热系数，单位为W/K。

通过公式（1）、（2）和（3），可以估算系统的冷负荷，即系统所需的制冷量，结合公式（4）、 （5）、（6）和（7）对系统的制冷量和输入功率进行优化分析，从而确定供电电源的功率，使系统制冷效率达到最高，从而实现对系统关键器件参数（光伏电池的功率、蓄电池的容量、制冷片的制冷功率和输入功率）的合理匹配[5]。

1.2 系统的总体结构

在此次设计中，太阳能半导体制冷是通过光伏电池板的光电转换，产生电能驱动半导体制冷片的方式来制冷，这种方式的优点是相对易于控制，成本较低。太阳能的强度受多种因素的影响而不能维持常量，为了实现电源和负载之间稳定、高效工作，提高供电质量，需要设计一种可靠的、高效的太阳能电源控制器[6]。

太阳能半导体制冷系统由太阳能电池组、蓄电池、控制器、半导体制冷片、传感器、驱动电路、采样电路和显示电路构成，其结构如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Overall structure diagram of the system

2 系统硬件设计

控制器的硬件电路主要由微处理器及其外围的制冷驱动电路，温度检测和电流采样电路所组成。

2.1 ATM EGA16微处理器

选择AVR系列ATMEGA16微处理器为核心控制处理单元。ATMEGA16单片机是AVR系列中高性能低功耗的8位处理器，内部具有丰富的资源，其内部集成8路十位具有可选可编程增益的模数转换器 （ADC）及其独特的脉宽调制输出PWM功能。ATMEGA16具有高可靠性、实时性好、抗干扰能力强、成本低等优点。

2.2 半导体制冷驱动电路

选择的制冷片的型号为TEC1-12706，其最大工作电流为6 A，工作电压为12 V。半导体制冷片需用直流电流实现工作运转，既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，温度范围为正温80℃到负温度55℃。

半导体制冷片工作时采用ATMEGA16芯片PWM功能对其进行控制，通过光耦控制达林顿管BD243的通断，以达到对制冷片输入电压的控制，进而控制其冷端的工作温度。半导体制冷片的工作驱动电路如图2所示，其中RL即半导体制冷片。在实际的制冷过程中，为保证制冷效率，要求制冷片工作电流的数量级为安培。而电路中的BD243能提供最大6 A的集电极电流，满足了制冷片的工作需求。4 700 μF的电容对制冷片的输入电压进行平滑，使得纹波系数小于10%，以保证制冷工况。

图2 半导体制冷片的驱动电路Fig.2 Drive circuit of the thermoelectric

半导体制冷的热端散热，通过降低热端的温度，可以减少热端向冷端的传热，因此热端散热很重要，减少冷热端温差成为提高热电制冷性能的一个重要因素。在本次设计中，采用散热片加上空气强制对流散热的方式对半导体制冷进行散热，经过重复实验证明，该方式散热效果良好。

2.3 电流采样电路

为防止负载电流过高，需要检测经过负载的电流。采用康铜丝电阻对电流信号采样，通过康铜丝电阻采样的电压信号经过LM258放大，输入到ATMEGA16的模数转换器端口进行A/D转换。如图3所示。

2.4 温度检测电路

温度传感器使用的是DS18B20，与传统的热敏电阻相比，DS18B20能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根接口线（单总线接口）读写，单总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电。其温度检测电路如图4所示。

图3 负载电流采样电路Fig.3 Current detect circuit for load

图4 温度检测电路Fig.4 Temperature sense circuit

3 系统软件设计

系统软件设计流程如图5所示，系统初始化后接着启动内部 A/D转换器，采样蓄电池电压VBAT，若蓄电池电压小于正常电压VC，进入充电程序；若蓄电池电压正常，采样制冷目标物的温度Ta，若温度高于预设温度Th，启动制冷程序。

图5 软件设计流程图Fig.5 Flow chart of the software design

系统进入充电程序后，检测太阳能电池光照强度并进行判断，若光照强度低，系统休眠；若光照强度高于一定值，给蓄电池分段式充电并判断蓄电池电压状态，当蓄电池电压上升至正常电压，充电结束。

启动制冷程序后，判断当前温度Ta与Th的偏差、偏差变化率信号，经PID控制调节制冷驱动电路的PWM脉宽信号，对半导体制冷进行控制，当温度不高于预设温度Th，制冷结束并返回。

4 结束语

实验表明，该制冷系统结构简单，性能稳定，制冷效果良好。在工业储藏和日常的冷藏保鲜中可以得到广泛的推广应用。系统采用单片机控制技术，实现了基于太阳能供电的半导体制冷，在低能耗和环保方面显示出一定的优势。

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