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太阳能供电与半导体制冷箱的设计

信息来源:nooeoo.com  时间:2006-07-14  浏览次数:597

  太阳能的优点就是环保节能。半导体制冷器,不依靠任何制冷剂,不产生噪音,优势显著,其应用也有着十分广阔的前景。作者将太阳能与半导体制冷结合起来,并对太阳能——半导体制冷器的设计思路和相关实验作了详尽的介绍。
  太阳辐射能作为一种能源,与煤炭、石油和核能等比较,有着独具的特点。它的优点可概括如下四点:普遍、无害、长久、巨大。按照目前太阳质量消耗速率计,太阳内部的热核反应足以维持600亿年,相对于人类发展历史的有限年代而言,完全可以说是取之不竭,用之不尽的能源。我国属太阳能资源丰富的国家之一,辐射总量在3.3×103~8.4×106kj/m2·年之间,全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h。太阳能将成为几十年后我国乃至全世界主要的能源之一。现在利用太阳能进行制冷的方法有许多成熟技术。但无论是太阳能吸收式,或蒸汽喷射式等等,都需要用到氟、溴化锂和氨等制冷剂。相比之下,半导体制冷的优势就比较明显,现在利用半导体制冷的产品也有一些,例如海尔车用冰箱等,受到了有车族的喜爱。
  太阳能和半导体制冷各有优点,能不能把它们结合起来呢?我们设计制作了一个便携式太阳能供电半导体制冷药箱,由太阳能作为它的直接能源,给它供电。其功能是为少量的药品进行低温保存。
  太阳能——半导体制冷箱的设计思路
  制冷药箱应用了半导体制冷技术作为制冷系统,结合太阳能供电,可以做到无噪声、无污染、便于携带、启动快和方便在制冷制热间进行转换,在没有外接电源时,仍然可以工作,并可以对箱内的温度进行实时监控。其体积小、重量轻和方便在各种特殊条件下工作,在小功率致冷时效率高。
  制冷药箱的构成1.2.1
  制冷箱下图为制冷箱实物图,a图为箱内结构,左侧为控制电路部分,右侧为制冷仓;b图下侧为太阳能可抽拉电池板,箱盖上镶嵌有温度显示器。
  在制冷器的选择中应考虑以下几点:
  1)被冷却物体所欲达到的温度;
  2)制冷元件的最大电流数值;
  3)热负载,被冷却物的发热量和从外部渗入的热量;
  4)选取何种散热方式以及热端与周围介质的热交换系数;
  5)冷端同被冷却物体间取何种热交换方式以及热交换系数;
  6)冷却速度与达到温度的时间。半导体制冷箱的热负荷可按下式计算:
  实验条件:箱体的传热可视为单层平壁的传热过程,按标准条件,箱外温度t1=32℃,相对湿度为75±5%,箱内温度设为20℃。制冷箱按每小时开门2次计算,再假定每次开门箱内空气全部被置换成箱外空气,储存药品0.2kg。其他发热量取0.2w。为保险起见,将热负荷增加10%的安全系数定为qt'。经过计算可得qt'=1.1qt=4其中,储物热量qp占总热负荷的50%以上,由于有温度控制电路,当箱内温度稳定后,制冷系统的工况也进入稳定工况,所以制冷箱应该是间歇工作的。
  制冷箱采用空气自然对流散热的换热系统,即选择一定形式的散热片作为热交换器。由于制冷箱冷端与被冷却物采用紧密接触的热交换方式,所以制冷对象所要移走的热量,将直接被制冷器的冷端吸收,再经热电制冷效应把热量移至热端,再经各层的导热把热量传给热端散热器。散热器利用空气的自然对流把热量散到环境中,达到制冷目的。
  为了使散热器有效地工作,必须选择合适的热端温度,如果它接近于环境温度,则因散热片与环境的温差太小而换热很差,如果选取热点温度比环境高得多,则会使热电制冷器的制冷系数明显下降,一般选取热端温度比环境温度高7~10℃。制冷箱选用普通氧化铝陶瓷散热器,经估算,其换热系数为5w/m2·k左右,其散热功率也可达到50w左右。基本可以满足散热要求。经反复考虑,并综合各种因素,选用tec1-12705型半导体制冷器,此为陶瓷结构式温差电制冷组件,制冷级数为1,电偶对数为127对,最大温差电流为5a,最大温差67℃,电压14.5v,尺寸为40×40×4。
  太阳电池单体是用于光电转换的最小单元,它的面积一般为4~100cm2。太阳电池单体工作电压为0.45~0.50v,工作电流为20~25ma/cm2,将太阳电池单体进行串联,并联并封装后,就成为太阳电池组件,其功率一般为几瓦至几十瓦,更高的能达到几百瓦。太阳电池组件包含一定数量的太阳电池,这些太阳电池通过导线连接,一个组件上,太阳电池的标准数量是36个或40个,产生16v的电压,与一个额定电压为12v的蓄电池进行有效的充电。并能使选择的半导体制冷器能够正常工作。制冷箱所选的晶体硅太阳电池由一个晶体硅片组成,在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线,下表面是金属层。硅片本身是p型硅,表面扩散层是n区,在这两个层的连接处就是所谓的pn结,太阳电池的顶部被一层减反射膜所覆盖,以便减少太阳能的反射损失。被密封后具有一定的防腐、防风、防雹和防雨等能力。
  本实验装置一个单元约能产生0.5v电压,经过串并组合,在足够的光源照射下,能达到约4.5v电压,2w左右的输出。并能为蓄电池有效的充电。
  硅二极管又称防反充二极管或阻塞二极管,考虑安装它的主要作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨天和夜晚不放电时或出现短路故障时,蓄电池组通过太阳电池方阵放电。防反充二极管串联在太阳电池方阵电路中,起单向导通的作用。它能承受足够大的电流,而且正向压降,反向饱和电流很小。
  实际上,在一定条件下,一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件,将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热,这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量,都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏,最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管,以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。
  蓄电池组蓄电池组的作用是贮存太阳电池方阵受光照时所转换的电能,并随时向负载供电。太阳电池发电系统对所用蓄电池最基本要求是:自放电率低,使用寿命长,深放电能力强,充电效率高,可以少维护或免维护,工作温度范围宽,价格低廉。
  制冷箱选的蓄电池组由3组6节2.4v可充电电池组成,其充电方式采用“半浮充电方式”进行。即太阳电池方阵全部时间都同蓄电池组并联浮充供电,白天浮充供电运行,晚上只放电不充电。白天,当太阳电池方阵的电势高于蓄电池的电势时,负载由太阳电池方阵供电,多余的电能充入蓄电池,蓄电池处于浮充电状态,当太阳电池方阵不发电或电动势小于蓄电池电势时,全部输出功率都由蓄电池组供电,由于阻塞二极管的作用,蓄电池不会通过太阳电池方阵放电。
  开关闭合时,将蓄电池接入电路,太阳电池开始为其供电,开关闭合时半导体制冷器开始工作。同时发光二极管闪动,表示一切工作正常。r1为负温度系数5k热敏电阻,即当温度上升时其电阻减小,它直接贴在半导体制冷器冷端上,当制冷器开始工作时,冷端温度下降,r1电阻上升,r4两端电压下降,2端电压上升,当升到2/3ucc时输出端为低电平,冷却停止,此时,温度略有回升,r1电阻开始下降,r4两端电压上升,2端电压下降,当降到1/3ucc时,输出为高电平,继续冷却,如此循环往复,达到温度控制的目的,这样,半导体制冷器也将间歇工作,可以节省部分电能。10kω电位器r2的作用为微调器调节电阻的大小,改变电流来达到需要的温度。电路中各晶体管均为放大电流作用。双向开关k3通过改变电流流入制冷器的方向来控制制冷制热。
  太阳能——半导体制冷箱样机实验报告
  实验仪器:制冷药箱、三用表、全数字式光照计、可调光强式台灯和温度显示器等。
  实验时间:2004年4月18日、5月14日
  实验温度:最低18℃、最高28℃
  下表为本实验箱太阳电池工作的状态图3为4月18日实验数据记录
  说明:开路电压voc在开关k1、k2均打开时,有光照时太阳电池两端的电压,通过图3可以看出太阳电池的开路电压,有自己的定值,当光照达到一定的强度时,不再随光强的增大而增大。短路电流isc在开关k1、k2均打开时,从太阳电池正极直接流到负极的电流,从图3可以看出,短路电流随光照强度的增加而增大,基本上是线性的。负载电压vf是k2闭合时,半导体制冷器两端的电压。负载电流if是k2闭合时,流过半导体制冷器的电流。工作电压k2是闭合时,温控电路的电压。
  将k1、k2均闭合,测得工作电压2.4v,工作电流500ma、负载电压1.75v。图4为制冷箱正常工作时温度随时间变化的曲线。从a图可以看出,大约在50s左右,制冷箱就可以达到所设定的制冷温度20℃。从b图可以看出,可以长时间保持高精度的制冷温度控制。通过调节温控电路中电位器r2可以设定制冷温度。
  制冷箱全天工作状态监测
  由图5可知,由于将制冷箱的上限温度设定在20℃,所以当环境温度低于20℃时,半导体制冷器不工作,制冷箱内温度基本与环境温度相同,当外界温度高于20℃,制冷器正常工作,基本恒温在20℃,上下波动不大。另外在设计时,电池的功率满足要求。所以无论是否有充足的阳光,制冷器在24小时内均能正常工作。
  由于条件所限,本实验装置没能完全达到理想的设计状态。
  1)由于未购置到设计所要求的足够功率的太阳电池板,使得给蓄电池充电的能力不够。
  2)散热器未采用风冷,所以加了热仓,但由于隔热系统不完善,影响了冷仓的工作。
  3)因为是实验装置,温度控制电路不够紧凑,占了较大的空间。在产品设计中,还可以改进。
  4)制冷设定温度是手动调整的,在产品设计中改成数字化调节也是可行的。参考文献1
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  郭孝礼.冷库制冷设计手册.
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  吴业正.小型制冷装置设计指导.机械工业出版社,1998.8作者:张曦

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