一种太阳能电子冰袋的设计

牛芳芳，商庆垄，崔华峰，陈 洁

(德州学院，山东 德州 253000)



一种太阳能电子冰袋的设计

牛芳芳，商庆垄，崔华峰，陈 洁

(德州学院，山东 德州 253000)

本文是基于太阳能发电技术的电子冰袋设计。认真分析了电子冰袋的原理及组件构成，形成设计方案，完成系统自动充电、制冷制热功能设计，同时根据材料特性和产品功能进行实验测试，对电子冰袋的制冷制热效率、制冷制热温度控制达到了使用标准，并对各种环境下的功能性进行分析。

太阳能；电子冰袋；制冷；制热

1 太阳能电子冰袋的研究背景

当今社会的快速发展，人们快节奏的生活习惯，使越来越多的人进入了亚健康状态，尤其是在大城市中更为明显。人们忙于工作，缺乏运动，疏于锻炼，身体变得极差。大多数人甚至半年都不会健身一次，即使办了健身俱乐部的会员卡，也基本上不会去参加锻炼。在这种形势下，人们在户外时特别容易出现扭脚，摔倒等受伤的现象。热爱运动的人们平时在参加打球，跳舞，爬山等娱乐活动时，也不免会发生受伤现象。女性由于工作原因穿高跟鞋，一不留心就会崴到脚的现象更是频繁发生。在这些受伤情况下，都需要及时的救治，但是很多人往往因为没有时间条件等而选择忽略，最后情形加重不得不去医院治疗，这样一来反倒更耽误时间和金钱。及时救治冷敷所需的冰块，热敷所需要的鸡蛋、毛巾等等都受到时间地点的限制，无法随身携带，给生活带来了极大的不便。

2 太阳能电子冰袋的原理及其构成组件研究

太阳能电子冰袋主要由热电制冷器和太阳能电池结构两个部件组成。热电制冷器主要由半导体热电制冷系统，温差发电系统和自动控制系统三部分构成。

2.1 半导体热电制冷系统设计

半导体热电制冷系统由制冷模块，温度检测模块，绝热模块，热交换模块四大模块组成。制冷模块的基本单元是帕尔贴效应比普通金属电偶强的多并且热电效率比较高的由P型半导体和N型半导体组成的半导体电偶[1]。

1.冷端；2.热端；3.半导体电臂P；4.半导体电臂N；5.直流电源

如图1所示，将P半导体电臂和N半导体电臂通过金属片连接起来，接受直流电形成回路[1]。当通以直流电后，载流子流过具有两种不同结构的半导体材料时，会发生在接收端吸收能量或放出能量的现象，从而将电能转化为热能[2]。

2.2 温差发电系统设计

温差发电系统主要由两种不同材料的半导体材料，分别放置在半导体热电制冷器的两侧，并将导线连接到锂电池正负极上。半导体热电制冷器接通电流后就可以进行温差发电。当电流方向为正向时，温度下降，吸收热量；若电流反向，则温度上升，放出热量，形成一头为冷端，一头为热端，这就是热电单元的简单模型。在器件两端的温差保持不变时，就会形成温差电动势，从而将热能转化成电能，并将产生的电能储存到锂电池中[2]。

2.3 自动控制系统设计

自动控制系统通过半导体热电制冷器控制输入电流来达到高精度的温度控制要求[3]。温度检测模块通过数字温度传感器测得准确的温度。绝热模块由绝热材料构成，进行绝热。热交换模块，因为电子冰袋更多用于受伤冷热敷，所以可以采用蒸发潜热散热方式，同时可以视情况加以小型风扇来加快温度扩散速度。

2.4 太阳能充电系统设计

太阳能充电系统是由太阳能电池板、锂电池和防逆流模块组成，在光照情况下实现对电子冰袋的自动充电系统。该系统应用了两块功率为10 W产生电压为12 V的太阳能电池板产生电能。系统采用防逆流模块实现锂电池充满电时能够自动切断线路的功能，防止电流的倒流和线路的短路对装置造成损坏，从而延长太阳能电池板的寿命，实现对12 V锂电池的自动充电。

3 太阳能电子冰袋功能分析

太阳能电子冰袋主要有太阳能自动充电、冷敷和热敷的功能。

3.1 太阳能自动充电功能

太阳能电子冰袋采用太阳能电池组件，当电池没有电或者无法及时充电时，可以采用随时随地的太阳能进行充电，方便，快捷。

3.2 电子冰袋冷敷功能

当人们出现意外受伤的情况时，电子冰袋可以发挥极大的作用。人们在户外运动中，不免会发生磕碰，擦伤等受伤现象，刚受伤时容易有出血和水肿的现象，这时可以先进行冷敷来使血管收缩。将电子冰袋绑到受伤的部位打开冷敷开关电子冰袋制冷，制冷量可以通过电流大小进行调节，当通以直流电后，载流子流过具有两种不同能带结构的半导体材料时，会在接收端吸收能量，达到制冷效果。

3.3 电子冰袋热敷功能

将电子冰袋绑到受伤部位通以直流电后，载流子流过具有两种不同能带结构的半导体材料时，会在接收端放出能量，把电能转化为热能。在受伤初期，热敷可加快炎症的吸收和消散的速度，促进其消退；在后期可以限制炎症的发展，有助于消除坏死组织和修复组织。

图2 程序流程图

4 太阳能电子冰袋的市场前景及应用价值

太阳能电子冰袋结构简单，仅由热电制冷器和太阳能电池板结构两个部件组成。半导体制冷的应用不像其他制冷热备要添加制冷剂，无污染，保护环境。整个热电制冷器，无机械运动部件，因此没有摩擦，产生噪音极小，使用寿命长，并且发生故障后维修简单；热电制冷器的占用空间小，启动速度快，只要有电流通过便会马上发生制冷现象，而且可以通过调节工作电流来控制制冷温度和冷却速度；热电制冷器操作是可逆的，只要改变电流方向就可以从制冷效果变为制热效果[4]。太阳能电池板利用天然的清洁能源太阳能，完善了随时随地充电的功能，保证了电子冰袋的方便。电子冰袋可以满足人们生活的需要，随时携带，轻巧方便，保证出行安全。当今社会正在竭力发展新能源，减少生活污染，我们需要金山银山，但更要绿水青山。整个太阳能电子冰袋的设计符合可持续发展战略的要求，无污染，保护环境，顺应社会发展趋势，具有高的应用价值和良好的发展前景。

[1] 吴业正.制冷原理与设备[M].第3版.西安：西安交通大学出版社，2010.

[2] 刘向阳.热电制冷器件最新进展[J].中山大学研究生学刊(自然科学、医学版)，2005，26(1):21-29.

[3] 陈昌盛，魏旭来，唐韬.基于嵌入式的小型恒温冷藏箱设计与实现[J].电子设计工程,2012(18):164-166.

[4] 田茹.食品行业培养箱的设计研究[J].科技资讯，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， 浙江桐乡人，大学本科，研究方向：能源与动力工程。

1674-4578(2016)05-0013-01

TM615

A