太阳能供电半导体制冷技术在低温储粮中的实验研究

杨威风，毛 哲，万海林

（武汉轻工大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430024）

粮食是我们赖以生存的基础，在古代便有民以食为天的说法，随着改革开放的深入，科学技术的进步，从1980年至今，我国的粮食产量逐年提高，2012年粮食产量更是达到了5.8亿吨，是1980年的6倍之多，可是经调查研究发现，全国的粮食，在集并、仓储、运输、加工、销售和消费过程中，损耗率约为18%，其中相当一部分是损失在仓储的环节上。于是，怎么样减少粮食在仓储过程中的损失这一问题便显得日益重要。

结合近十年来提出的生态文明概念，科学工作者们也在探索如何用更绿色的方式来实现粮食储藏，现如今，低温储藏已经被广泛应用，在我国北方地区，因为北方冬季普遍较冷，气温较低，低温储藏可以通过自然低温和采用各种隔热措施来实现，所以近年来推广较快，备受粮库的欢迎。在我国南方地区，冬短夏长且夏天平均气温较高，导致了自然低温储藏在南方地区已基本无应用空间[1]，于是，国内不少单位进行了机械制冷低温储藏的研究和试验。尽管机械制冷技术有延缓粮食品质劣变、保持良好品质等诸多优点，但目前在我国的国家粮食储备库中采用该方法的比例较小其原因是机械制冷设备价格较高，使用中耗电较大，产生噪音且对仓房隔热性有一定的要求等[2]，对廉价的粮食来说，大量采用此方法，不仅是在我国，在广大的发展中国家中都有一定的难度。众所周知，太阳能是一种可再生的绿色能源，具有取之不尽用之不竭的特点，半导体制冷器技术发展亦相对成熟，因此，使用太阳能供电驱动半导体制冷来实现粮食的低温储藏[3]是值得探索和研究的方向之一。

1 半导体制冷原理

半导体制冷原理的基础之一即为帕尔帖效应。当直流电通过由两种不同半导体(或导体)组成的回路时，如图1所示，在两种半导体的接触点会产生吸热或放热的现象。实验表明这种吸热或放热的强度与所通电流大小有关。

图1 帕尔帖效应示意图Fig.1 Schematic diagram of Peltire effect

图2是半导体制冷的基本原理示意图，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料在金属平板间形成通路，接上直流电源后，在接头处会产生能量转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端，由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端[4]。在实际应用中只需把其冷端放到要致冷的对象中，即可实现吸热制冷。

图2 半导体的制冷原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the principle of semiconductor refrigeration

2 实验模型整体框图

实验主要目的是在小型封闭模拟粮仓下实现太阳能半导体制冷器件的实时降温，实验模型主要分为太阳能电池阵列、数控匹配器、蓄电池、半导体制冷装置、数字温度计、过充过放保护电路和封闭泡沫箱等，实验模型整体框图如图3所示。

图3 实验模型整体框图Fig.3 Overall block diagram of the experimental model

在本系统中，引入匹配器是因为其对于提高系统的灵敏度，增大作用距离，提供更多信息，起到十分重要的作用。在光伏系统中，负载必须与电源的内阻匹配才能使电源输出功率最大。本实验中使用的蓄电池是常见的铅硫酸蓄电池，在这里加入过充和过放保护电路的原因是：蓄电池如果过量充电，即使充电电流不大，但由于电解液长时间“沸腾”，除了活性物质表面的细小颗粒易于脱落外，还会使栅架过分氧化，造成活性物质与栅架松散剥离。如果过量放电，当放电电流较大时，会明显发热，甚至出现热变形，此时硫酸铅的浓度特别大，将会结晶形成较大颗粒，即形成不可逆硫酸盐化。这些结晶导电性差，体积大，会堵塞极板的微孔，导致充电的恢复能力很差，蓄电池受到严重损害，甚至无法恢复[5]。因此，为了最大限度地利用蓄电池的性能和使用寿命，必须对其充放电条件加以规定和控制。要求实现太阳能电池对蓄电池的自动充电控制，有效防止过充，反充，同时对蓄电池放电进行自动控制，防止深度放电，过强负载。并且实现过充电压和过放电压可调。

3 实验系统结构

该实验系统以AVR系列单片机ATMEGA16为控制中心，其具有成本低廉、较高的可靠性、抗干扰能力强等诸多优点。电源模块采用自制+5 V和+3.3 V电源电路，DS18B20检测的温度、DS12887的时钟信号都通过单片机和LCD1602液晶显示器进行温度时钟的显示。与此同时，无线收发芯片采用nRF905，单片机与nRF905进行通信，将数据发送到指定地址的nRF905接收端。单片机接受到温度信号再判断是否需要启动半导体制冷片工作，当温度升高到系统设定值时，单片机发送一个高电平通过无线传输给温箱内部单片机控制端，此时控制端控制半导体制冷片工作，当温度降到指定温度，单片机发送一个低电平到半导体制冷片电源端控制，控制电路接受到信号停止供电，半导体制冷片停止工作[6]。如此循环以确保温箱内部温度稳定。整体结构图如图4所示。

图4 实验系统结构图Fig.4 Structure diagram of experimental system

4 实验数据分析

数据采集和分析的具体做法是：将太阳能电池板、蓄电池以及设计好的蓄电池保护电路置于户外充电；将半导体制冷片及其散热装置安装在保温箱的顶部[7]，制冷片制冷端置于箱内，制热端和散热风扇置于外侧；将数字温度计放在箱内底部，并实时测量并发送其温度值。待充电结束后将蓄电池给系统供电，进行降温实验，并实时记录当前温度值。

研究表明，不同的开始制冷温度不会影响系统的稳定性和精确度。因此便不考虑不同的起始温度带来的影响。但是，为了尽可能的获得更为准确的数据，定于在一天的上午8点，下午2点以及晚上8点进行三次数据采集，每隔三天再次采集，持续6次（在武汉轻工大学电气与电子工程学院四楼进行，2013年6月2号开始，武汉6月份平均气温为26.3℃）。首先把目标温度设为22℃采集到的数据如表1所示。

目标温度设为18℃采集到的数据如表2所示。

把目标温度设为14℃采集到的数据如表3所示。

根据以上数据可以计算得出：当目标温度为22℃时，采集到的数据期望为22.2℃，数据变化幅度的标准差为0.1℃；当目标温度为18℃时，采集到的数据期望为18.5℃，数据的变化幅度为0.25℃；当目标温度为14℃时，采集到的数据期望为15.0℃，数据的变化幅度为0.25℃。这与实验前设想的期望的误差范围在1℃，变化幅度的准确度也在0.5℃的范围之内相符合，因此该系统作用效果初步达到预期，基本能够较好的完成制冷效果。

表1 目标温度为22℃时数据采集结果Tab.1 Data collection results when the target temperature was 22℃

表2 目标温度为18℃时数据采集结果Tab.2 Data collection results when the target temperature was 18℃

表3 目标温度为14℃时数据采集结果Tab.3 Data collection results when the target temperature was 14℃

5 结论

1)该实验电路结构简单，便于维护，基本上实现了制冷效果。系统又采用了以单片机为控制器[8]的技术，所以在成本、节能环保等方面也有不小的优势。但本实验只是在小型封闭空间模拟太阳能供电半导体制冷效果，距离实际应用仍需付出较大的努力。

2)太阳能半导体制冷技术相对于传统的机械通风制冷的方法有很大的优点，比如，能耗较低，绿色环保，成本低廉等。这些都是传统制冷技术无法比拟的，但其制冷效率目前较差，以后应着重研究提高其效率的方法。

3)作为一种新型的储粮技术，太阳能半导体制冷技术尚在实际应用的初级阶段，当然会在成熟度以及普适性方面尚有许多不足，需要进行探索和完善，如本系统可能对当地的气候条件尤其是日照条件依赖性会很高，由于南方夏天气温较高，会导致降温效果下降，如何能减少外界天气条件对系统的影响也是所需解决的一大难题。

[1]王若兰．粮油储藏学[M]．北京：中国轻工业出版社，2008.

[2]付剑波．太阳能制冷低温稻谷储藏实验研究[D]．上海：上海交通大学，2007.

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

[4]徐昌贵，贾艳婷，闫献国，等.半导体制冷技术及其应用[J].机械工程与自动化，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]潘铁辉.过放电对蓄电池的危害及解决方案[J].通信电源技术，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]万海林，太阳能半导体制冷器件在低温粮食储藏中的应用研究[D].武汉：武汉轻工大学，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]李鹏，来新泉.基于双机热备的航天发动机控制器设计[J].火箭推进，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.