引言随着生活水平的提高，越来越多的人热衷投身于户外活动。传统冰箱因体积与用电限制而无法应用于户外，有必要设计便携且不受用电限制的小冰箱。半导体制冷技术具有体积小、质量轻、稳定性强、响应速度快等优点，适合应用于小型冰箱制冷。太阳能具有可再生、无污染等优势，是户外活动时的最佳能量来源。光伏电池能够将太阳辐射转换为电能，直接作用于半导体制冷片[1]。结合太阳能供电技术的半导体制冷小冰箱可以解决传统冰箱在户外不适用的问题，具有较广阔的市场前景。按需设计一款太阳能半导体制冷小冰箱，方便户外运动者使用。1制冷量及续航计算1.1制冷量计算系统设计需要与半导体制冷片相匹配，首先计算制冷量从而确定制冷片参数，制冷量需要大于系统热负荷。热负荷包括箱体漏热量Q1、开门漏热量Q2、负载热量Q3和其他热量Q4[2]。箱体漏热量是内部与外部直接传递的热量，受箱体材质影响，计算公式为：Q1=KS(T1-T2) (1)式中：K——传热系数；S——箱体外表面积，m2；T1、T2——箱体内、外随时间变化的温度，℃。K=11α1+dλ+1α2 (2)式中：α1——箱外空气与箱体外壁间的接触热阻，W/(m²·K)；α2——箱内空气与箱体内壁间的接触热阻，W/(m²·K)；d——箱体厚度，m；λ——箱体材料的导热系数，W/(m·K)。箱体外尺寸为33 cm×26 cm×28 cm，总表面积为0.502 m²，箱内外温差取20 ℃，箱体选择泡沫材质，导热系数取0.04 W/(m·K)，厚度为0.05 m，箱外风速比箱内快，α1取7.55 W/(m²·K)，α2取0.9 W/(m²·K)。则Q1为4.03 W。每次开冰箱门均导致箱内空气与箱外空气发生完全热量交换，开门漏热量的计算公式为：Q2=VBnΔh1.35va (3)式中：VB——电冰箱的内容积，最大容积取6.5 L；n——开门次数，按日常使用习惯取20；Δh——进入箱内空气达到规定温度时的比焓差，取0.102 J/kg；va——空气的比体积，取0.78 m³/kg。经计算Q2为12.59 W。负载热量按照电冰箱国家标准[3]计算。Q3=mct1-mcbt22×1.35 (4)式中：m——水的质量，针对户外两人活动一天的饮用水需求量设计，箱内放入6罐330 mL的饮料，取2 kg；c——水初始温度时的比热容，取4.178 kJ/(kg·K)；cb——水最低温时的比热容，取4.197 kJ/(kg·K)；t1、t2——水的初始温度和最低温度，分别取35 ℃和15 ℃。经计算Q3为61.68 W。其他热量是冰箱内部器件在运行时产生的热量，文中设计冰箱的内部只有导冷风扇在运行时会产生热，热量按照导冷风扇额定功率的30%计算。Q4=0.3P (5)式中：P——导冷风扇额定功率，为5.76 W。经计算Q4为1.73 W。总热负荷Q=Q1+Q2+Q3+Q4=80.03 W。考虑其他因素影响，需预留约10%的余量，制冷量应大于88 W。根据半导体制冷片的特性参数，单个电堆制冷量的计算公式为：Qc=(αP+αN)ITc-12I2R-Kc(Th-Tc) (6)式中：αP、αN——冷端、热端的塞贝克系数，取0.011 34 V/K和0.017 00 V/K；I——工作电流，A；Th、Tc——制冷片热、冷端温度，取328 K和288 K；R——电阻，取0.21 Ω；Kc——导热系数，取0.765 4 W/K。综合考虑价格与易获得程度等因素，选择电堆数为127的型号，最大电流为6 A的制冷片的稳定工作电流约4 A，推算单个电堆制冷量为0.352 W，1个制冷片的制冷量为44.7 W，两个制冷片的制冷量为89.4 W，可以满足设计要求。因此，选用两片最大电流为6 A的制冷片TEC12706。1.2蓄电池容量计算为满足户外一日运行需求，根据平均日负载消耗电能计算蓄电池总容量[4]。C=Qe×λ×tU×h (7)式中：C——蓄电池总容量，Ah；Qe——负载日耗电量，Wh；λ——放电修正系数；t——温度系数；U——工作电压，V；h——放电深度。系统主要耗电器件为制冷片，TEC12706的工作电压为12 V，日平均工作3 h，负载日耗电量为288 Wh。放电修正系数取1.05，温度系数取1，放电深度取0.8，经计算得到蓄电池容量为31.5 Ah。冰箱的工作电流较大，两个制冷片同时工作需要两个电池供电，考虑充、放电循环和经济等因素，将31.5 Ah电量分为两组，每组使用两块7.5 Ah的蓄电池。1.3太阳能电池功率计算为了满足蓄电池的充、放电循环需求，太阳能板输出功率需要根据蓄电池和半导体制冷片参数选择，单块蓄电池的充电时间应小于放电时间，计算太阳能板的输出电流：Iin=QeU×Hm×η (8)式中：Hm——峰值日照时数，h；η——系统效率，%。通过查询峰值日照时数表可知，全国6~9月的平均峰值日照时数为5 h，系统效率取0.9，则太阳能板的输出电流为5.33 A。综合考虑便携性、市场、经济等因素，选择18块6 V、5 W的太阳能板，组成“三串六并”折叠式光伏阵列，总电流为4.98 A。2太阳能半导体小冰箱的硬件结构设计系统硬件由太阳能供电系统、单片机控制系统和制冷系统构成。PWM型控制器可以实时根据蓄电池电量状态控制充电电流，保证蓄电池充电特性符合标准。选用锂离子类型蓄电池，具有能效比高、体积质量小等优点。单片机控制系统包括以数字温度传感器DS18B20为主的温度采集电路、菜单按键电路、LCD1602显示电路、制冷驱动电路等部件。制冷部分组成包括半导体制冷片、保温箱体、导冷风扇、散热片、散热风扇。采用厚泡沫作为箱体主材料，具有重量轻、导热系数小等优点。制冷片热端采用风冷的方式散热，配合S形散热片，具有良好的散热效果。太阳能半导体小冰箱的硬件结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.005.F001图1太阳能半导体小冰箱的硬件结构3太阳能半导体小冰箱的软件程序设计太阳能半导体小冰箱的软件程序分为太阳能部分和控制部分。太阳能程序的功能主要包括充、放电的电压与电流控制。将光伏阵列电压转换为稳定且适合给电池充电的值，利用PWM控制充电电流。电量较低时，通过放大电流使电池处于强充状态；电量升至一定值时，通过减小占空比减小电流，使电池处于均匀充电状态；电量快充满时，减小占空比使电池处于浮充状态。放电时如果蓄电池电量低于一定值，断开回路，阻止蓄电池放电。控制部分程序功能主要包括温度的读取、判断、显示，从而控制制冷系统的运行。温度传感器读取环境温度数据，经A/D转换后传递至单片机，单片机输出温度数据并对环境温度与预设温度进行比较判断。环境温度大于预设温度时，运行制冷驱动电路使温度降低；环境温度小于预设温度时，不运行制冷驱动电路，继续检测环境温度的变化。太阳能半导体小冰箱的软件程序框架如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.005.F002图2太阳能半导体小冰箱的软件程序框架4太阳能半导体小冰箱的测试分析4.1太阳能充电测试组装冰箱分系统后运行。在不同天气状况下对太阳能板的输出电压、电流进行测试。结果表明，冰箱在全晴天时的输出功率约为全阴天时输出功率的10.6倍，输出功率的最大值出现在10：30~15：30。全晴天时冰箱电池的充电特性如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.005.F003图3全晴天时冰箱电池的充电特性蓄电池电量耗完时电压值为9.6 V，满电时电压值为12.8 V。全晴天时充电功率较稳定，输入电流平稳，约2.4 A，电池电压平稳上升。充电至81 min时电池充满电，充电时间在预期目标90 min内。4.2蓄电池制冷测试在冰箱内放入6罐330 mL的水进行负载测试，环境温度为34 ℃。冰箱制冷过程的温度变化曲线如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.005.F004图4冰箱制冷过程的温度变化曲线运行2 h，水温降至18 ℃，此后的温度变化速率明显减慢；运行4 h，水温为15 ℃，温差达到19 ℃，此后的水温基本不变。无太阳能输入的条件下，两组蓄电池全功率可以制冷运行2.5 h，接近设计要求的3 h。4.3系统整体工作测试太阳能半导体冰箱置于户外晴朗环境运行，箱内放入6罐330 mL的水并监测水的温度、蓄电池总电量和太阳辐照度。测试开始时，4块蓄电池均为满电状态，第一轮运行时放电组电量持续下降，充电组电量维持满电状态。放电组电量快用完时切换两组电池，进行第二轮运行，循环运行。冰箱工作测试的监测数据如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.005.T001表1冰箱工作测试的监测数据时间/h水温/℃电池总电量/Ah太阳辐射强度/(W/m2)034.230.0376123.417.8663219.214.3718316.316.1826415.317.2731515.216.8613615.214.3486715.19.0263815.1046每天9：30开始测试，每隔1 h记录数据，正午时太阳辐射强度最大，12：30后辐射强度不断减小。实际测试的8 h内，系统能够保持续航。箱内的水温从34.2 ℃降至16.3 ℃，耗时3 h；4 h后降至15.3 ℃，此后基本不再下降。5结语户外便携式太阳能半导体制冷小冰箱在天气好时满足一日户外使用需求，拥有强劲的制冷效果，具有绿色、稳定、便携、智能、无噪音、易于维护等特点，实用性较强。太阳能半导体小冰箱目前的制冷量和保温效果仍然不如传统冰箱，全阴天时的续航效果仅能够维持3~4 h，热端的散热速度不够快。后续改善可以考虑加强密封手段，更换接触热阻更大、导热率更小的材质；加大蓄电池电量；加大制冷片数量以加大制冷功率；更换更好的散热方式，如真空潜热散热等。