太陽能戶外儲物箱實驗研究

趙志龍 權 祥 陳嘉祥 羅天杰 焦富強 鄧 敏

(徐州工業職業技術學院 材料工程學院，江蘇 徐州 221000)

0 引言

隨著人類對環境的保護意識增強，包括太陽能、風能等綠色能源在整個能源的占有比例越來越大。其中太陽能由于不受地點、季節的影響越來越多的應用在生活中。包括太陽能路燈、太陽能電站、家庭太陽能發電系統等。將太陽能發電技術與戶外儲物箱結合可以解決戶外儲物箱工作時所需能源問題。可以為戶外工作人員更好的保存食物，提高戶外工作人員的幸福感。國外的Thomachan等[1-2]對太陽能電池發電的冰箱系統的鉛酸蓄電池的兼容性、太陽能電池板對鉛酸蓄電池的充放電特性進行了研究。研究表明鉛酸蓄電池能夠較好的兼容太陽能電池板充電，同時也能夠對冰箱進行較好的供電。黃潔等[3-4]通過直流電對傳統冰箱供電進行研究，同時分析了直流電對冰箱的性能影響，結果顯示系統的COP值從早上到下午逐漸減小。國內徐巧年等[5-8]將半導體制冷芯片應用到太陽能冰箱上，并進行了性能研究。實驗結果顯示半導體芯片冰箱的充放電性能與光強有很大關系，并測出使COP和制冷量達到最大值的最佳光強。目前將鋰電池作為蓄電裝置應用到太陽能半導體儲物箱上，不但可以減少戶外儲物箱的重量，而且提高儲物箱的保存食物的時間。 本研究以12 V太陽能半導體儲物箱為研究對象，鋰電池為蓄電裝置。通過實驗分析冰箱系統在運行過程中各部件的電流、電壓以及冰箱內部溫度的變化情況，探討系統的性能效果。

1 實驗裝置及運行原理

本次研究的太陽能儲存箱主要包括太陽能光伏電池、鋰電池、光伏控制器以及半導體制冷芯片等部件如圖1。儲物箱體積2 L,本儲物箱的半導體制冷芯片型號為TEC2-19006，工作電壓12 V，最大工作電流6 A。鋰電池型號12 V，30 AH。發電板由四塊12 V，1.5 A的電池板組成，分別安裝在儲物箱的前部、上部和兩側。

圖1 太陽能儲存箱連接圖Fig. 1 Connection diagram of solar energy storage box

儲物箱的工作原理：正常光照條件下，首先太陽能電池板輻射到表面的太陽光直接轉換成直流電。控制器將直流電壓電轉換成12 V同時對儲物箱制冷芯片和鋰電池進行供電。在陰雨天氣情況下，可以由光伏電池板和鋰電池同時為儲物箱供電。儲物箱前部安裝液晶顯示測溫裝置，測溫探頭安裝在儲物箱內部，可實時監控儲物箱內部溫度變化。儲物箱內部空間頂部安裝紫外殺菌燈，可進一步保障儲物箱食物安全。

2 實驗結果與分析

實驗測試條件溫度25 ℃，模擬光功率1 200 W/m2下進行的，儲物箱置于室外。

圖2為同一天不同環境溫度條件下儲物箱在戶外空載狀態下的降溫情況。從圖中可以看出三次測試結果都顯示儲物箱制冷系統在12分鐘時間內，儲物箱的降溫幅度大于28 ℃。在外部溫度29.4 ℃的條件下，儲物箱最低溫度達到零下1.5 ℃。

圖2 空載條件下的降溫曲線Fig. 2 Cooling curve under no load condition

圖3為儲物箱內部存放1 kg溫度為5 ℃水進行保溫實驗，模擬在晴天和陰天兩種條件下的儲物箱溫度曲線。

圖3 負載條件下的溫度曲線Fig. 3 Temperature curve under load condition

其中模擬晴天太陽能光功率設置為1 200 W/m2，模擬陰天的太陽光功率設置為700 W/m2，從圖中可以看出，在晴天條件下儲物箱可以在戶外將儲物箱內部1 kg水在6 ℃以下保存5小時。在陰天條件下儲物箱也可以保存3個小時，滿足戶外工作人員對午餐的保存時長要求。

圖4、圖5分別為晴天和陰天條件下，儲物箱制冷系統正常工作條件下的功率曲線。制冷芯片的工作周期為0.5 h，開始工作時先提高功率達到最高值時穩定輸出一段時間再下降到0。半導體制冷系統的功率與蓄電池輸出電壓和電流有關，晴天狀態條件下，太陽能電池板可以持續為蓄電池供電，儲物箱5小時的保存時間內，功率峰值波動性較小。而陰天條件下，由于太陽能電池板不能提供給蓄電池足夠的電能，導致蓄電池電壓降低輸出電流減少，所以半導體制冷系統的輸出功率在3小時后急劇減少，這也是導致儲物箱在陰天條件下3小時后溫度上升的主要原因。

圖4 晴天條件下的功率曲線Fig. 4 Power curve under sunny conditions

圖5 陰天條件下的功率曲線Fig. 5 Power curve under cloudy conditions

3 結論

本研究通過設計制作12 V太陽能戶外儲物箱。并對儲物箱空載和負載條件下進行實驗研究，并測得在晴天和陰天條件下的儲物箱內部溫度和半導體制冷系統的功率曲線。具體結論如下：

(1) 太陽能戶外儲物箱在空載和負載條件下均能正常工作。空載狀態下，在戶外30 ℃條件下工作12 min可降溫25 ℃以上。

(2) 在中午12點1 328 W/m2光強條件下，對1 kg 水，初始溫度為5 ℃的保溫實驗，結果顯示：太陽能戶外儲物箱可保溫6 ℃長達5小時，陰天條件下，也可以保溫3小時滿足戶外工作人員午餐保溫要求。

(3) 儲物箱中的半導體芯片制冷系統在晴天狀態下功率可穩定輸出5小時，比陰天條件下多輸出2小時，說明太陽能電池板對儲物箱系統充電效果明顯。