太陽(yáng)能供電半導(dǎo)體制冷技術(shù)在低溫儲(chǔ)糧中的實(shí)驗(yàn)研究

楊威風(fēng)，毛 哲，萬(wàn)海林

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430024）

糧食是我們賴以生存的基礎(chǔ)，在古代便有民以食為天的說法，隨著改革開放的深入，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，從1980年至今，我國(guó)的糧食產(chǎn)量逐年提高，2012年糧食產(chǎn)量更是達(dá)到了5.8億噸，是1980年的6倍之多，可是經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，全國(guó)的糧食，在集并、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸、加工、銷售和消費(fèi)過程中，損耗率約為18%，其中相當(dāng)一部分是損失在倉(cāng)儲(chǔ)的環(huán)節(jié)上。于是，怎么樣減少糧食在倉(cāng)儲(chǔ)過程中的損失這一問題便顯得日益重要。

結(jié)合近十年來提出的生態(tài)文明概念，科學(xué)工作者們也在探索如何用更綠色的方式來實(shí)現(xiàn)糧食儲(chǔ)藏，現(xiàn)如今，低溫儲(chǔ)藏已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，在我國(guó)北方地區(qū)，因?yàn)楸狈蕉酒毡檩^冷，氣溫較低，低溫儲(chǔ)藏可以通過自然低溫和采用各種隔熱措施來實(shí)現(xiàn)，所以近年來推廣較快，備受糧庫(kù)的歡迎。在我國(guó)南方地區(qū)，冬短夏長(zhǎng)且夏天平均氣溫較高，導(dǎo)致了自然低溫儲(chǔ)藏在南方地區(qū)已基本無應(yīng)用空間[1]，于是，國(guó)內(nèi)不少單位進(jìn)行了機(jī)械制冷低溫儲(chǔ)藏的研究和試驗(yàn)。盡管機(jī)械制冷技術(shù)有延緩糧食品質(zhì)劣變、保持良好品質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但目前在我國(guó)的國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)中采用該方法的比例較小其原因是機(jī)械制冷設(shè)備價(jià)格較高，使用中耗電較大，產(chǎn)生噪音且對(duì)倉(cāng)房隔熱性有一定的要求等[2]，對(duì)廉價(jià)的糧食來說，大量采用此方法，不僅是在我國(guó)，在廣大的發(fā)展中國(guó)家中都有一定的難度。眾所周知，太陽(yáng)能是一種可再生的綠色能源，具有取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，半導(dǎo)體制冷器技術(shù)發(fā)展亦相對(duì)成熟，因此，使用太陽(yáng)能供電驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷來實(shí)現(xiàn)糧食的低溫儲(chǔ)藏[3]是值得探索和研究的方向之一。

1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷原理的基礎(chǔ)之一即為帕爾帖效應(yīng)。當(dāng)直流電通過由兩種不同半導(dǎo)體(或?qū)w)組成的回路時(shí)，如圖1所示，在兩種半導(dǎo)體的接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明這種吸熱或放熱的強(qiáng)度與所通電流大小有關(guān)。

圖1 帕爾帖效應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Peltire effect

圖2是半導(dǎo)體制冷的基本原理示意圖，當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料在金屬平板間形成通路，接上直流電源后，在接頭處會(huì)產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端，由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端[4]。在實(shí)際應(yīng)用中只需把其冷端放到要致冷的對(duì)象中，即可實(shí)現(xiàn)吸熱制冷。

圖2 半導(dǎo)體的制冷原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of semiconductor refrigeration

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w框圖

實(shí)驗(yàn)主要目的是在小型封閉模擬糧倉(cāng)下實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷器件的實(shí)時(shí)降溫，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕譃樘?yáng)能電池陣列、數(shù)控匹配器、蓄電池、半導(dǎo)體制冷裝置、數(shù)字溫度計(jì)、過充過放保護(hù)電路和封閉泡沫箱等，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w框圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w框圖Fig.3 Overall block diagram of the experimental model

在本系統(tǒng)中，引入匹配器是因?yàn)槠鋵?duì)于提高系統(tǒng)的靈敏度，增大作用距離，提供更多信息，起到十分重要的作用。在光伏系統(tǒng)中，負(fù)載必須與電源的內(nèi)阻匹配才能使電源輸出功率最大。本實(shí)驗(yàn)中使用的蓄電池是常見的鉛硫酸蓄電池，在這里加入過充和過放保護(hù)電路的原因是：蓄電池如果過量充電，即使充電電流不大，但由于電解液長(zhǎng)時(shí)間“沸騰”，除了活性物質(zhì)表面的細(xì)小顆粒易于脫落外，還會(huì)使柵架過分氧化，造成活性物質(zhì)與柵架松散剝離。如果過量放電，當(dāng)放電電流較大時(shí)，會(huì)明顯發(fā)熱，甚至出現(xiàn)熱變形，此時(shí)硫酸鉛的濃度特別大，將會(huì)結(jié)晶形成較大顆粒，即形成不可逆硫酸鹽化。這些結(jié)晶導(dǎo)電性差，體積大，會(huì)堵塞極板的微孔，導(dǎo)致充電的恢復(fù)能力很差，蓄電池受到嚴(yán)重?fù)p害，甚至無法恢復(fù)[5]。因此，為了最大限度地利用蓄電池的性能和使用壽命，必須對(duì)其充放電條件加以規(guī)定和控制。要求實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池的自動(dòng)充電控制，有效防止過充，反充，同時(shí)對(duì)蓄電池放電進(jìn)行自動(dòng)控制，防止深度放電，過強(qiáng)負(fù)載。并且實(shí)現(xiàn)過充電壓和過放電壓可調(diào)。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以AVR系列單片機(jī)ATMEGA16為控制中心，其具有成本低廉、較高的可靠性、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。電源模塊采用自制+5 V和+3.3 V電源電路，DS18B20檢測(cè)的溫度、DS12887的時(shí)鐘信號(hào)都通過單片機(jī)和LCD1602液晶顯示器進(jìn)行溫度時(shí)鐘的顯示。與此同時(shí)，無線收發(fā)芯片采用nRF905，單片機(jī)與nRF905進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定地址的nRF905接收端。單片機(jī)接受到溫度信號(hào)再判斷是否需要啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷片工作，當(dāng)溫度升高到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)送一個(gè)高電平通過無線傳輸給溫箱內(nèi)部單片機(jī)控制端，此時(shí)控制端控制半導(dǎo)體制冷片工作，當(dāng)溫度降到指定溫度，單片機(jī)發(fā)送一個(gè)低電平到半導(dǎo)體制冷片電源端控制，控制電路接受到信號(hào)停止供電，半導(dǎo)體制冷片停止工作[6]。如此循環(huán)以確保溫箱內(nèi)部溫度穩(wěn)定。整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of experimental system

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集和分析的具體做法是：將太陽(yáng)能電池板、蓄電池以及設(shè)計(jì)好的蓄電池保護(hù)電路置于戶外充電；將半導(dǎo)體制冷片及其散熱裝置安裝在保溫箱的頂部[7]，制冷片制冷端置于箱內(nèi)，制熱端和散熱風(fēng)扇置于外側(cè)；將數(shù)字溫度計(jì)放在箱內(nèi)底部，并實(shí)時(shí)測(cè)量并發(fā)送其溫度值。待充電結(jié)束后將蓄電池給系統(tǒng)供電，進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)，并實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前溫度值。

研究表明，不同的開始制冷溫度不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。因此便不考慮不同的起始溫度帶來的影響。但是，為了盡可能的獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，定于在一天的上午8點(diǎn)，下午2點(diǎn)以及晚上8點(diǎn)進(jìn)行三次數(shù)據(jù)采集，每隔三天再次采集，持續(xù)6次（在武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院四樓進(jìn)行，2013年6月2號(hào)開始，武漢6月份平均氣溫為26.3℃）。首先把目標(biāo)溫度設(shè)為22℃采集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

目標(biāo)溫度設(shè)為18℃采集到的數(shù)據(jù)如表2所示。

把目標(biāo)溫度設(shè)為14℃采集到的數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出：當(dāng)目標(biāo)溫度為22℃時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)期望為22.2℃，數(shù)據(jù)變化幅度的標(biāo)準(zhǔn)差為0.1℃；當(dāng)目標(biāo)溫度為18℃時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)期望為18.5℃，數(shù)據(jù)的變化幅度為0.25℃；當(dāng)目標(biāo)溫度為14℃時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)期望為15.0℃，數(shù)據(jù)的變化幅度為0.25℃。這與實(shí)驗(yàn)前設(shè)想的期望的誤差范圍在1℃，變化幅度的準(zhǔn)確度也在0.5℃的范圍之內(nèi)相符合，因此該系統(tǒng)作用效果初步達(dá)到預(yù)期，基本能夠較好的完成制冷效果。

表1 目標(biāo)溫度為22℃時(shí)數(shù)據(jù)采集結(jié)果Tab.1 Data collection results when the target temperature was 22℃

表2 目標(biāo)溫度為18℃時(shí)數(shù)據(jù)采集結(jié)果Tab.2 Data collection results when the target temperature was 18℃

表3 目標(biāo)溫度為14℃時(shí)數(shù)據(jù)采集結(jié)果Tab.3 Data collection results when the target temperature was 14℃

5 結(jié)論

1)該實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，基本上實(shí)現(xiàn)了制冷效果。系統(tǒng)又采用了以單片機(jī)為控制器[8]的技術(shù)，所以在成本、節(jié)能環(huán)保等方面也有不小的優(yōu)勢(shì)。但本實(shí)驗(yàn)只是在小型封閉空間模擬太陽(yáng)能供電半導(dǎo)體制冷效果，距離實(shí)際應(yīng)用仍需付出較大的努力。

2)太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)制冷的方法有很大的優(yōu)點(diǎn)，比如，能耗較低，綠色環(huán)保，成本低廉等。這些都是傳統(tǒng)制冷技術(shù)無法比擬的，但其制冷效率目前較差，以后應(yīng)著重研究提高其效率的方法。

3)作為一種新型的儲(chǔ)糧技術(shù)，太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷技術(shù)尚在實(shí)際應(yīng)用的初級(jí)階段，當(dāng)然會(huì)在成熟度以及普適性方面尚有許多不足，需要進(jìn)行探索和完善，如本系統(tǒng)可能對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件尤其是日照條件依賴性會(huì)很高，由于南方夏天氣溫較高，會(huì)導(dǎo)致降溫效果下降，如何能減少外界天氣條件對(duì)系統(tǒng)的影響也是所需解決的一大難題。

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