基于太阳能供电的半导体制冷系统设计

摘要：设计一种以太阳能光伏电池提供驱动能源、以半导体制冷片作为制冷源的制冷系统。系统在ATMEGA16单片机控制下，能将太阳能光伏电池转换的直流电进行有效存储并给半导体制冷片供电；设计硬件电路以及软件来实现温度的控制，以满足制冷的需求。该设计提供了一种新型、节能、环保的制冷方式。
关键词：太阳能；半导体制冷；ATMEGA16；温度控制

    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。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。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。

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。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：
    Q1=ρVC(T0-T1)         (1)
    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：
    Q2=KS(T2-T3)          (2)
    粮仓的总制冷负荷：
    Q=Q1+Q2               (3)
    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：
   

    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。
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。

    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。

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 ATMEGA16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。4700μF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。

    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93．75ms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。

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。

    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。