基于太阳能供电的半导体制冷系统设计

摘要：设计一种以太阳能光伏电池提供驱动能源、以半导体制冷片作为制冷源的制冷系统。系统在ATMEGA16单片机控制下，能将太阳能光伏电池转换的直流电进行有效存储并给半导体制冷片供电；设计硬件电路以及软件来实现温度的控制，以满足制冷的需求。该设计提供了一种新型、节能、环保的制冷方式。
关键词：太阳能；半导体制冷；ATMEGA16；温度控制

目前，绝大部分的制冷设备都是以电能驱动的。传统的制冷设备不仅消耗大量的电能，同时也因为使用氟里昂等制冷工质而对环境造成污染，因此制冷中的节能和环保问题成为人们关注的焦点，并寻求以清洁能源供电且不使用氟里昂等传统制冷工质的制冷方式。文中研究的制冷系统以太阳能光伏电池提供驱动能源、以半导体制冷片为冷源，是一种节能环保的新型制冷方式。
半导体制冷片也叫电子制冷片，依据珀尔帖效应原理来进行制冷。半导体制冷片不需要制冷剂，没有污染源，工作时没有震动、噪音、寿命长；作为一种电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制。半导体制冷已经在航空航天、医疗技术、生物工程等领域得到广泛的应用。

1 制冷系统设计
1．1 制冷功率计算
系统各部分的参数匹配取决于系统所需要的制冷量，因此制冷量的计算是设计的前提。在本文中，制冷环境为一密闭圆筒粮仓。由于粮仓顶层在外界气温较高时易积热，为维持粮食在低温或准低温环境下储藏的目的，需要对粮仓内粮堆线以上的空气层进行制冷。根据传热学基本原理，可计算出粮仓的冷负荷。
粮仓内空气的制冷量需求：
Q1=ρVC(T0-T1) (1)
顶部空气层与粮仓侧面、仓顶以及粮仓内的粮食存在热量的传递，在τ时刻后，向外扩散的冷量：
Q2=KS(T2-T3) (2)
粮仓的总制冷负荷：
Q=Q1+Q2 (3)
式中，ρ为粮仓内空气的密度；V为空气体积；C为空气的比热；T0为粮仓内空气的初始温度；T1为制冷目标温度；K为等效传热系数，单位为W／K；S为有效传热面积；T2和T3分别为粮仓内外随时间变化的温度，单位为K。
根据半导体制冷片的热电制冷原理，可以根据测得的温度、电压和电流计算半导体制冷原件的特性参数：