太陽能供電半導體制冷技術在低溫儲糧中的實驗研究

楊威風，毛 哲，萬海林

（武漢輕工大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430024）

糧食是我們賴以生存的基礎，在古代便有民以食為天的說法，隨著改革開放的深入，科學技術的進步，從1980年至今，我國的糧食產量逐年提高，2012年糧食產量更是達到了5.8億噸，是1980年的6倍之多，可是經調查研究發現，全國的糧食，在集并、倉儲、運輸、加工、銷售和消費過程中，損耗率約為18%，其中相當一部分是損失在倉儲的環節上。于是，怎么樣減少糧食在倉儲過程中的損失這一問題便顯得日益重要。

結合近十年來提出的生態文明概念，科學工作者們也在探索如何用更綠色的方式來實現糧食儲藏，現如今，低溫儲藏已經被廣泛應用，在我國北方地區，因為北方冬季普遍較冷，氣溫較低，低溫儲藏可以通過自然低溫和采用各種隔熱措施來實現，所以近年來推廣較快，備受糧庫的歡迎。在我國南方地區，冬短夏長且夏天平均氣溫較高，導致了自然低溫儲藏在南方地區已基本無應用空間[1]，于是，國內不少單位進行了機械制冷低溫儲藏的研究和試驗。盡管機械制冷技術有延緩糧食品質劣變、保持良好品質等諸多優點，但目前在我國的國家糧食儲備庫中采用該方法的比例較小其原因是機械制冷設備價格較高，使用中耗電較大，產生噪音且對倉房隔熱性有一定的要求等[2]，對廉價的糧食來說，大量采用此方法，不僅是在我國，在廣大的發展中國家中都有一定的難度。眾所周知，太陽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，半導體制冷器技術發展亦相對成熟，因此，使用太陽能供電驅動半導體制冷來實現糧食的低溫儲藏[3]是值得探索和研究的方向之一。

1 半導體制冷原理

半導體制冷原理的基礎之一即為帕爾帖效應。當直流電通過由兩種不同半導體(或導體)組成的回路時，如圖1所示，在兩種半導體的接觸點會產生吸熱或放熱的現象。實驗表明這種吸熱或放熱的強度與所通電流大小有關。

圖1 帕爾帖效應示意圖Fig.1 Schematic diagram of Peltire effect

圖2是半導體制冷的基本原理示意圖，當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料在金屬平板間形成通路，接上直流電源后，在接頭處會產生能量轉移，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]。在實際應用中只需把其冷端放到要致冷的對象中，即可實現吸熱制冷。

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

2 實驗模型整體框圖

實驗主要目的是在小型封閉模擬糧倉下實現太陽能半導體制冷器件的實時降溫，實驗模型主要分為太陽能電池陣列、數控匹配器、蓄電池、半導體制冷裝置、數字溫度計、過充過放保護電路和封閉泡沫箱等，實驗模型整體框圖如圖3所示。

圖3 實驗模型整體框圖Fig.3 Overall block diagram of the experimental model

在本系統中，引入匹配器是因為其對于提高系統的靈敏度，增大作用距離，提供更多信息，起到十分重要的作用。在光伏系統中，負載必須與電源的內阻匹配才能使電源輸出功率最大。本實驗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，但由于電解液長時間“沸騰”，除了活性物質表面的細小顆粒易于脫落外，還會使柵架過分氧化，造成活性物質與柵架松散剝離。如果過量放電，當放電電流較大時，會明顯發熱，甚至出現熱變形，此時硫酸鉛的濃度特別大，將會結晶形成較大顆粒，即形成不可逆硫酸鹽化。這些結晶導電性差，體積大，會堵塞極板的微孔，導致充電的恢復能力很差，蓄電池受到嚴重損害，甚至無法恢復[5]。因此，為了最大限度地利用蓄電池的性能和使用壽命，必須對其充放電條件加以規定和控制。要求實現太陽能電池對蓄電池的自動充電控制，有效防止過充，反充，同時對蓄電池放電進行自動控制，防止深度放電，過強負載。并且實現過充電壓和過放電壓可調。

3 實驗系統結構

該實驗系統以AVR系列單片機ATMEGA16為控制中心，其具有成本低廉、較高的可靠性、抗干擾能力強等諸多優點。電源模塊采用自制+5 V和+3.3 V電源電路，DS18B20檢測的溫度、DS12887的時鐘信號都通過單片機和LCD1602液晶顯示器進行溫度時鐘的顯示。與此同時，無線收發芯片采用nRF905，單片機與nRF905進行通信，將數據發送到指定地址的nRF905接收端。單片機接受到溫度信號再判斷是否需要啟動半導體制冷片工作，當溫度升高到系統設定值時，單片機發送一個高電平通過無線傳輸給溫箱內部單片機控制端，此時控制端控制半導體制冷片工作，當溫度降到指定溫度，單片機發送一個低電平到半導體制冷片電源端控制，控制電路接受到信號停止供電，半導體制冷片停止工作[6]。如此循環以確保溫箱內部溫度穩定。整體結構圖如圖4所示。

圖4 實驗系統結構圖Fig.4 Structure diagram of experimental system

4 實驗數據分析

數據采集和分析的具體做法是：將太陽能電池板、蓄電池以及設計好的蓄電池保護電路置于戶外充電；將半導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，制熱端和散熱風扇置于外側；將數字溫度計放在箱內底部，并實時測量并發送其溫度值。待充電結束后將蓄電池給系統供電，進行降溫實驗，并實時記錄當前溫度值。

研究表明，不同的開始制冷溫度不會影響系統的穩定性和精確度。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確的數據，定于在一天的上午8點，下午2點以及晚上8點進行三次數據采集，每隔三天再次采集，持續6次（在武漢輕工大學電氣與電子工程學院四樓進行，2013年6月2號開始，武漢6月份平均氣溫為26.3℃）。首先把目標溫度設為22℃采集到的數據如表1所示。

目標溫度設為18℃采集到的數據如表2所示。

把目標溫度設為14℃采集到的數據如表3所示。

根據以上數據可以計算得出：當目標溫度為22℃時，采集到的數據期望為22.2℃，數據變化幅度的標準差為0.1℃；當目標溫度為18℃時，采集到的數據期望為18.5℃，數據的變化幅度為0.25℃；當目標溫度為14℃時，采集到的數據期望為15.0℃，數據的變化幅度為0.25℃。這與實驗前設想的期望的誤差范圍在1℃，變化幅度的準確度也在0.5℃的范圍之內相符合，因此該系統作用效果初步達到預期，基本能夠較好的完成制冷效果。

表1 目標溫度為22℃時數據采集結果Tab.1 Data collection results when the target temperature was 22℃

表2 目標溫度為18℃時數據采集結果Tab.2 Data collection results when the target temperature was 18℃

表3 目標溫度為14℃時數據采集結果Tab.3 Data collection results when the target temperature was 14℃

5 結論

1)該實驗電路結構簡單，便于維護，基本上實現了制冷效果。系統又采用了以單片機為控制器[8]的技術，所以在成本、節能環保等方面也有不小的優勢。但本實驗只是在小型封閉空間模擬太陽能供電半導體制冷效果，距離實際應用仍需付出較大的努力。

2)太陽能半導體制冷技術相對于傳統的機械通風制冷的方法有很大的優點，比如，能耗較低，綠色環保，成本低廉等。這些都是傳統制冷技術無法比擬的，但其制冷效率目前較差，以后應著重研究提高其效率的方法。

3)作為一種新型的儲糧技術，太陽能半導體制冷技術尚在實際應用的初級階段，當然會在成熟度以及普適性方面尚有許多不足，需要進行探索和完善，如本系統可能對當地的氣候條件尤其是日照條件依賴性會很高，由于南方夏天氣溫較高，會導致降溫效果下降，如何能減少外界天氣條件對系統的影響也是所需解決的一大難題。

[1]王若蘭．糧油儲藏學[M]．北京：中國輕工業出版社，2008.

[2]付劍波．太陽能制冷低溫稻谷儲藏實驗研究[D]．上海：上海交通大學，2007.

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

[4]徐昌貴，賈艷婷，閆獻國，等.半導體制冷技術及其應用[J].機械工程與自動化，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]潘鐵輝.過放電對蓄電池的危害及解決方案[J].通信電源技術，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]萬海林，太陽能半導體制冷器件在低溫糧食儲藏中的應用研究[D].武漢：武漢輕工大學，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]李鵬，來新泉.基于雙機熱備的航天發動機控制器設計[J].火箭推進，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.