基于太陽能供電的半導體制冷系統設計

摘要：設計一種以太陽能光伏電池提供驅動能源、以半導體制冷片作為制冷源的制冷系統。系統在ATMEGA16單片機控制下，能將太陽能光伏電池轉換的直流電進行有效存儲并給半導體制冷片供電；設計硬件電路以及軟件來實現溫度的控制，以滿足制冷的需求。該設計提供了一種新型、節能、環保的制冷方式。
關鍵詞：太陽能；半導體制冷；ATMEGA16；溫度控制

目前，絕大部分的制冷設備都是以電能驅動的。傳統的制冷設備不僅消耗大量的電能，同時也因為使用氟里昂等制冷工質而對環境造成污染，因此制冷中的節能和環保問題成為人們關注的焦點，并尋求以清潔能源供電且不使用氟里昂等傳統制冷工質的制冷方式。文中研究的制冷系統以太陽能光伏電池提供驅動能源、以半導體制冷片為冷源，是一種節能環保的新型制冷方式。
半導體制冷片也叫電子制冷片，依據珀爾帖效應原理來進行制冷。半導體制冷片不需要制冷劑，沒有污染源，工作時沒有震動、噪音、壽命長；作為一種電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制。半導體制冷已經在航空航天、醫療技術、生物工程等領域得到廣泛的應用。

1 制冷系統設計
1．1 制冷功率計算
系統各部分的參數匹配取決于系統所需要的制冷量，因此制冷量的計算是設計的前提。在本文中，制冷環境為一密閉圓筒糧倉。由于糧倉頂層在外界氣溫較高時易積熱，為維持糧食在低溫或準低溫環境下儲藏的目的，需要對糧倉內糧堆線以上的空氣層進行制冷。根據傳熱學基本原理，可計算出糧倉的冷負荷。
糧倉內空氣的制冷量需求：
Q1=ρVC(T0-T1) (1)
頂部空氣層與糧倉側面、倉頂以及糧倉內的糧食存在熱量的傳遞，在τ時刻后，向外擴散的冷量：
Q2=KS(T2-T3) (2)
糧倉的總制冷負荷：
Q=Q1+Q2 (3)
式中，ρ為糧倉內空氣的密度；V為空氣體積；C為空氣的比熱；T0為糧倉內空氣的初始溫度；T1為制冷目標溫度；K為等效傳熱系數，單位為W／K；S為有效傳熱面積；T2和T3分別為糧倉內外隨時間變化的溫度，單位為K。
根據半導體制冷片的熱電制冷原理，可以根據測得的溫度、電壓和電流計算半導體制冷原件的特性參數：