光伏半导体制冷系统设计及实验研究

第３６卷第３期　２０１４年９月　南昌大学学报（工科版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．３　

Ｓｅｐｔ．２０１４　

文章编号：１００６—０４５６（２０１４）０３—０２６１—０４　

光伏半导体制冷系统设计及实验研究　戴源德，刘涛，曹娟华　（南昌大学机电工程学院，江西南昌３３００３１）　

摘要：阐述了光伏半导体制冷系统的工作原理，为测试光伏半导体制冷系统的性能，研制了１台光伏半导体冷　箱样机，并详细介绍了系统的设计思路；通过搭建实验台，在不同环境温度下测试了该样机的实际运行性能，得到　了该样机箱体内所能达到的最低温度，依据实验结果得到了系统的性能系数。实验结果表明，光伏半导体制冷系　统适合作为食品、饮料的冷藏箱使用；在炎热的夏季，该样机箱内温度可控制在６—１２℃，制冷系统ＣＯＰ达到０．２８　

～０．３２。　关键词：光伏；半导体制冷；冷藏；制冷性能　中图分类号：ＴＢ６５７．３　文献标志码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　

ＤＡＩ　Ｙｕａｎｄｅ，ＬＩＵ　Ｔａｏ，ＣＡ０　Ｊｕａｎｈｕａ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００３　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａ　ｐｒｏｔｏ—　ｔｙｐｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ｉｔｓ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａ　ｗａｓ　ｄｅｔａｉｌｅｄ．Ａ　ｔｅｓｔ　ｂｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏ—　ｔｏｔｙｐｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍａｉｔａｉｎｅｄ　ｗｉｔｈｉｎ　６—１　２℃，ｗｈｉｃｈ　ｍｅｅｔｓ　ｃｏｌｄ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｏｄｓ　ａｎｄ　ｂｅｖｅｒａｇｅｓ，ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ　ｔｈｅ　ＣＯＰ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ　０．２８—０．３２　ｄｕｒｉｎｇ　ｈｏｔ　ｓｕｍｍｅｒ　ｄａｙｓ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ；ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ；ｃｏｌｄ　ｓｔｏｒａｇｅ；ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　

制冷技术可以实现食品的低温储存，冷藏箱已　经成为一种常用的食品储存保鲜装置…；传统的冷　藏箱利用蒸气压缩式制冷系统使箱内食品始终处于　５—１０℃的低温环境中，从而达到较好的冷藏保鲜　目的。但由于其使用了压缩机，必然会带来噪声污　染和使用寿命缩短的问题，再者，系统所采用的制冷　剂也存在安全隐患和破坏环境的问题。为解决传统　冷藏箱的上述缺陷，研制了１台光伏半导体冷箱样　机，通过采用半导体制冷系统对食品降温储存；该冷　藏箱具有太阳能光伏供电、不使用制冷剂、无运动部　件和使用寿命长等优点，为一种节能环保的食品冷　藏装置。　长期以来，光伏发电效率低制约着光伏产业的　发展，近年来，随着国内外研究学者对半导体材料及　相关技术的研发，尤其是对光伏电池制造工艺的研　究取得了不少成果　Ｊ，光伏电池的成本已经大大　降低。与此同时，半导体制冷关键技术的研究也取　得了很大进展　Ｊ，市场上出现的半导体制冷产品　也在逐渐增多。这些都将加快光伏半导体冷箱产品　的市场化进程。　

１　系统的工作原理　光伏半导体制冷系统主要由光伏供电装置和半　导体制冷装置２部分组成，其中光伏供电装置包括　光伏电池板、蓄电池、控制器和整流器等；半导体制　冷装置则包括半导体制冷系统、散热部件、隔热箱体　

收稿日期：２０１４—０３—０６。　基金项目：国家科技型中小企业技术创新基金资助项目（０９Ｃ２６２１３６０１６０４）。　作者简介：戴源德（１９７０一），男，副教授，博士，￣ｄｐｃｕ＠１６３．ｃｏｍ。　引文格式：戴源德，刘涛，曹娟华．光伏半导体制冷系统设计及实验研究［Ｊ］．南昌大学学报：工科版，２０１４，３６（３）：２６１—　２６４．　南昌大学学报（工科版）　２０１４正　及控制电路等。在阳光充足的白天，光伏电池板将　太阳能转换成电能，其中一部分电能直接供给半导　体制冷装置，另一部分电能则储存在蓄电池中，以备　在夜间或阴雨天气以及阳光不足的情况下使用。半　导体热电堆的冷端风扇处安装有温控器的感温探　头，制冷系统运行后，当冷箱内的温度高于设定温度　上限时，温控器的接触点将闭合，来自光伏电池板或　蓄电池的电能驱动半导体制冷系统，由于半导体热　电堆的珀尔帖效应，置于箱体内部的半导体冷端温　度下降，吸收箱体内部热量，利用冷端风扇加强空气　流动，使温度均匀分布；置于箱体外部的半导体热端　温度升高并向外界释放热量，热端风扇的作用则是　加强散热，使半导体制冷装置实现高效制冷。随着　系统运行时间的延续，当样机箱内温度达到设定温　度的下限时，温控器触点断开使半导体制冷系统断　电而停止运行。随后，若箱内温度回升至设定温度　的上限，则光伏半导体制冷系统进入下一个制冷循　环。同时，由于整流器的引入，使日常交流电的使用　成为可能。控制器使太阳能光电转换器输出阻抗与　等效负载阻抗匹配，使整个系统的能量传输达到最　优匹配，同时对蓄电池的过充、过放进行控制。该光　伏半导体冷箱样机结构如图１所示。　１．光伏电池板；２．控制器；３．整流器；４．蓄电池；５．半导体冷箱。　图１　光伏半导体冷箱样机结构图　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｃｏｌｄ　ｂｏｘ　２　实验研究　２．１光伏半导体冷箱样机的设计　该样机设计包括样机箱体内热负荷计算（本实　验按空载运行测试）、半导体制冷系统的设计、光伏　电池板容量的确定与选配、蓄电池以及太阳能控制　器的设计等。　半导体制冷系统的功率依据所需设计的样机热　负荷量确定，该样机热负荷按式（１）计算确定。　Ｑ＝Ｑ。＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４　（１）　式中：Ｑ为系统总热负荷，ｗ；Ｑ。为储物热量，ｗ；Ｑ　为开门损失热量，ｗ；Ｑ，为箱体漏热量，ｗ；Ｑ　为其　他热量，ｗ。　光伏电池板的选用，应满足半导体制冷装置输　入功率和输入电压的需要，通常在输出功率一定的　条件下，可通过将电池板串联或并联的方式满足输　出电压的要求。光伏电池板的输出功率可按式（２）　计算得到。　Ｐ。妇＝跗叼　（２）　式中：Ｓ为太阳辐照度，Ｗ／ｍ。；Ａ为光伏电池板的面　积，ＩＴ１　；’７　为光伏电池板的光电转换效率。　蓄电池输出电压应与所选用的半导体制冷装置　相匹配，蓄电池容量应能够满足在夜晚或阴雨天情　况下半导体制冷装置运行一定时间内的用电需求，　蓄电池容量计算如下　：　

一　：　，　一０　・（１一　）・　・叼ＢＡ　、　

式中：Ｅ为半导体制冷装置运行１　ｄ的耗电量，Ａｈ／　ｄ；Ⅳ为负载无日照情况下连续运行的天数，ｄ；０　为　蓄电池的最大放电深度，一般取０．８；　为线路损失　系数，一般取０．０５；　为温度系数，一般取０．９；Ｊ，７ＢＡ　为蓄电池的安时效率，蓄电池的标称容量一般是按　照１０　ｈ放电率给定的，本系统中蓄电池的放电电流　

一般为８．５—１０　Ａ，蓄电池的实际容量可比标称容　量大２０％，故叼　取１．２。　基于上述思路，设计了１台光伏半导体冷箱样　机，其主要配置为：１５０　ｗ多晶硅光伏电池板、ｌ２　Ｖ　１Ｏ　Ａ太阳能控制器、２００　Ａｈ的蓄电池和容量为４５　Ｌ　的冷箱箱体等。　２．２性能测试　实验地点：江西省南昌市。　实验环境条件：选择在不同的日期和环境温度　下进行，具体Ｅｌ期依次为０９—０７、０９—２６、１０—０９、　１Ｏ一１０，分别对应的环境温度为３０、２８．３、２５．１、　２５．２℃。　实验仪器与设备：光伏半导体冷箱样机、三用　表、数显式温度计和计时器。　实验方法：实验从下午１５时ｌ８分开始，首先将　光伏电池板置于太阳光照下，其余部件置于室内，通　过电源线分别将光伏电池板、控制器、蓄电池和半导　体制冷系统连接，采用数显式温度计记录室内环境　第３期　戴源德，等：光伏半导体制冷系统设计及实验研究　温度，同时开启样机的电源开关，箱门上的显示屏动　态显示样机箱内温度，样机开启时的温度应与室内　环境温度相同。然后，在样机空载运行过程中通过　计时器提示，每隔一定时间同步记录室内环境温度　和样机箱内温度。样机每次空载运行测试时间要求　不少于６　ｈ。　２．３实验结果分析　该样机的性能测试结果如表１所示。　表１光伏半导体冷箱性能指标测试结果　Ｔａｂ．１　Ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎｄｅｘ　日期　／　制　／　Ｏ９—０７　３０．４　１０　２０．４　８１．９　２４．４　Ｏ．３１　０９—２６　２８．１　９．２　１８．９　８４．９　２３．９　Ｏ．２８　１０—０９　２５．１　６．４　ｌ８，７　８１．２　２２．８　Ｏ．２８　１Ｏ一】０　２５．２　６】　】９．】　８４．Ｏ　２３．１　０　２８　图２描述了不同环境温度下光伏半导体冷箱样　机运行后箱内温度随时间的变化情况。很明显，当　样机启动后，箱内温度随运行时问的增加而逐渐降　低，运行到一定时间后，箱内的温度变化曲线趋于稳　定，不再降低，此时箱内温度达到最低温度；然而，不　同环境温度下，箱内温度所能达到的最低值不同：当　环境温度约为３０℃时，箱内能达到的最低温度为　ｌＯ℃左右；环境温度约为２５℃时，箱内能达到的最　低温度为６℃左右。其差异主要是由于环境温度高　导致热端热量难以及时散发出去，使得热端温度有　所上升，从而导致冷端吸热制冷能力有所降低。　ｔ／ｍｌｎ　Ｂ、ｃ分别表示１Ｏ一１Ｏ和１Ｏ一０９箱内温度变化曲线；　Ｄ、Ｅ分别表示ｏ９—２６和０９—０７箱内温度变化曲线。　图２不同环境温度下箱内的温度变化　Ｆｉｇ．２　ｈＩｔｅｒｎａｌ　ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｌｄ－ｂｏｘ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　样机在不同月份条件下空载运行时箱内外温度　对比结果如图３所示。在图３中，２组曲线分别为　样机在０９—０７和１０—１Ｏ运行时进行性能测试所得　到的温度变化，可以看出，两种情况下的箱外环境温　度基本保持不变，且随着样机运行时间的推延，箱内　温度在逐渐降低至某个值后不再变化。此时，箱内　和箱外的最大温差约为ｌ９℃左右。