【正文】 ，德克薩斯、依利諾、印地安那、內(nèi)布拉斯加等州陸續(xù)進(jìn)行了高水分玉米和 高粱 的冷卻低溫儲糧試驗(yàn)。 Hunter 等人在澳大利亞積極推廣使用機(jī)械制冷設(shè)備低溫儲藏小麥以減少或避免化學(xué)藥劑熏蒸。此外，東南亞的泰 國等也進(jìn)行了機(jī)械制冷低溫儲糧技術(shù)的應(yīng)用研究。在日本，上世紀(jì) 70 年代低溫倉容已達(dá) 萬噸，準(zhǔn)低溫倉容約 萬噸。至 1990 年，機(jī)械制冷低溫儲糧技術(shù)已在世界上 50 多個(gè)國家和地區(qū)使用，每年采用此技術(shù)儲藏的糧食約 2020～ 2500 萬噸。 國內(nèi)的發(fā)展概況 國內(nèi)，在國家“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“機(jī)械制冷低溫儲糧技術(shù) 資助下，國家糧食局科學(xué)研究院在學(xué)習(xí)和借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上 ， 于 1998 年研制成功了國內(nèi)首臺谷物冷卻機(jī)。自 1998 年以來，國務(wù)院大力開展糧食倉儲基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，分三批建設(shè)了 500 億公斤倉 容的國家貯備糧庫，在這些新建成的國家儲備糧庫里配置了國產(chǎn)的谷物冷卻機(jī)裝備。 太陽能制冷的研究 隨著對太陽能的大力開發(fā)和應(yīng)用，太陽能制冷技術(shù)也有了相應(yīng)的進(jìn)展。實(shí)現(xiàn)太陽能制冷有兩條途徑： (1)進(jìn)行太陽能光電轉(zhuǎn)化，以電能制冷。 (2)進(jìn)行太陽能光熱轉(zhuǎn)換，以熱能制冷。 太陽能熱電制冷主要包括太陽能吸收式制冷及太陽能吸附制冷。國內(nèi)外關(guān)于光熱制冷的研究很多，但是由于太陽能光熱制冷技術(shù)要求高，造價(jià)成本高，因此在糧倉制冷應(yīng)用中普及率很低。 近幾年，太陽能光伏轉(zhuǎn)化效率有了很大的提高，而成本在逐漸降低，因此，太 3 陽能光 電制冷的應(yīng)用前景會(huì)相當(dāng)廣闊。 隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識的加深 ， 開發(fā)新能源和可再生能源已經(jīng)成為許多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家 21世紀(jì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的基本選擇。太陽能就是一種可再生清潔能源 ， 長期以來一直受到科學(xué)家的研究和重視。在太陽能的利用中 ， 太陽能制冷空調(diào) 是一個(gè)極具發(fā)展前景的領(lǐng)域 ， 也是當(dāng)前制冷技術(shù)研究中的熱點(diǎn)。 太陽能制冷具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先是節(jié)能 ， 據(jù)統(tǒng)計(jì) ， 國際上用于民用空調(diào)所耗電能約占民用總電耗的 50%。 而太陽能是取之不盡 ， 用之不竭的。太陽能制冷用于空調(diào) ， 將大大的減少電力消耗 ， 節(jié)約能 源 ； 其次是環(huán)保 ， 根據(jù)《蒙特利爾議定書》 ,目前壓縮式制冷機(jī)主要使用的 CFC 類工質(zhì)因?yàn)閷Υ髿獬粞鯇佑衅茐淖饔脩?yīng)停止使用(美、歐等已停止生產(chǎn)和使用 )， 現(xiàn)在各國都在研究 CFC 類工質(zhì)的替代物質(zhì)及替代制冷技術(shù) 。 太陽能制冷一般采用非氟氯烴類物質(zhì)作為制冷劑 ， 臭氧層破壞系數(shù) (ODP) 和溫室效應(yīng)系數(shù) (GWP) 均為零 ， 適合當(dāng)前環(huán)保要求 ， 同時(shí)可以減少燃燒化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境污染。 利用太陽能致冷與一般電力致冷的基本原理相同 ， 只是在使用能源方面不一樣。 目前太陽能致冷的方法有許多種主要是壓縮式致冷 ， 蒸汽噴射式致冷和吸收式致冷 。 壓縮式致冷要求集熱溫度高 ， 工作介質(zhì)對環(huán)境有影響 ， 且造價(jià)高 ； 蒸汽噴射式致冷不僅要求集熱溫度高 ， 且致冷效率低 ， 經(jīng)濟(jì)上不合算 。 現(xiàn)著重研究的是吸收式致冷開發(fā) ， 因?yàn)榇朔N致冷系統(tǒng)所需集熱溫度較低 ， 一般要求 65 90 度即可 ， 這對太陽能來說容易滿足 ， 從設(shè)備制造而言 ， 吸收式致冷也較簡單 ， 投資小 ， 易于家庭接受 ， 而且熱利用率也較高 ， 可達(dá) 。 太陽能吸收式致冷可采用平極式集熱器或真空管集熱器為熱源 ， 它的致冷基本原理是利用兩種不同沸點(diǎn)的物質(zhì)組成工質(zhì)對 ， 其中沸點(diǎn)低的物質(zhì)為致冷劑 ， 沸點(diǎn)高的物質(zhì)為吸收劑 。 溴化鋰 吸 收式致冷機(jī)是目前比較常用的太陽能致冷機(jī) ， 它就是利用水在低壓真空環(huán)境下的蒸發(fā)進(jìn)行致冷的 ， 應(yīng)用吸收劑溴化鋰溶液極易吸收致冷的特性 ， 通過溴化鋰溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化 (發(fā)生與吸收過程 ) 使致冷劑在一 個(gè) 封閉的系統(tǒng)中不斷地循環(huán) ， 達(dá)到致冷空調(diào)的目的 。 電子制冷是由 半導(dǎo)體制冷片（ TE） ， （大量的 PN 結(jié)（碲化鉍））制冷的 。 當(dāng)一塊N 型半導(dǎo)體材料和一塊 P 型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時(shí) ， 在這個(gè)電路中接通直流電 4 流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由 N 型元件流向 P 型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由 P 型元件流向 N 型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。 本文 中 用到的太陽能制冷方法是 電 子 制冷， 采用的是半導(dǎo)體制冷片，制冷效果符合設(shè)計(jì)要求，且成本低。 本 文 設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成 ,硬件部分主要完成 主電路、數(shù)據(jù)采集電路、 驅(qū)動(dòng)電路、溫度顯示電路等的設(shè)計(jì)。軟件程序編寫主要用來實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)電路控制、溫度的檢測、溫度顯示等數(shù)據(jù)處理功能 。 太 陽 能 電 池 組 驅(qū) 動(dòng) 電 路 半 導(dǎo) 體 制 冷 片S T C 1 2 C 5 A 0 8 S 2 溫 度 顯 示采 樣 電 路溫 度 圖 總設(shè)計(jì)框圖 5 2 硬件設(shè)計(jì)中主要器件選型 單片機(jī)就是在一塊 硅片上集成了微處理器、存儲器和各種輸入輸出接口電路的微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。單片機(jī)以其較高的性能價(jià)格比受到了人們的重視和關(guān)注。它的優(yōu)點(diǎn)就是體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易。單片機(jī)根據(jù)其基本操作處理的位數(shù)可分為 1 32 位單片機(jī)，應(yīng)用最為廣泛的是八位單片機(jī)。 STC12C5A08S2 具有 1 個(gè)時(shí)鐘 /機(jī)器周期，高速、高可靠， 2 路 PWM， 8路 10 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換， 25 萬次 /秒 1T 8051 帶總線 ， 無法解密 ， 管腳直接兼容傳統(tǒng) 89C52， 有全球唯一 ID號可 省復(fù)位電路 ， 3644個(gè) I/O 內(nèi)部 R/C 時(shí)鐘的宏晶芯片加密性強(qiáng) ， 解密難度高。 STC12C5A08S2 單片機(jī)中包含中央處理器 (CPU)、程序存儲器 (Flash)、數(shù)據(jù)存儲器 (SRAM)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI接口、 PCA、看門狗及片內(nèi) R/C 振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。 STC12C5A08S2系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)。 STC12C5A08S2 單片機(jī)的封裝圖如圖 。 圖 STC12C5A08S2 引腳封裝圖 6 電子制冷片 電子制冷片簡介 電子制冷片 是制冷系統(tǒng)的核心，其能力和特征決定了制冷系統(tǒng)的能力和特征。 電子制冷片 具有體積小、重量輕、高功率、低能耗、工作安靜無振動(dòng)、可變頻和易于精確控制等特點(diǎn)，是極為理想的移動(dòng)或者便攜的小型熱管理系統(tǒng)的首選。 電子制冷片 可廣泛用于空氣調(diào)節(jié)裝置、水冷裝置、商業(yè)冷藏裝置的制冷單元 ， 目前 ， 其主要應(yīng)用范圍包括便攜式制冷系統(tǒng)、食品冷卻系統(tǒng)、微型冷藏系統(tǒng)、溫控裝運(yùn)容器、電子制冷系統(tǒng)、醫(yī)療成像系統(tǒng)、迷你冷卻水系統(tǒng)等。 半導(dǎo)體制冷片（ TE）也叫熱電制冷片，是 一種熱泵，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場合。 半導(dǎo)體制冷片的工作運(yùn)轉(zhuǎn)是用直流電流，它既可制冷又可加熱，通過改變直流電流的極性來決定在同一制冷片上實(shí)現(xiàn)制冷或加熱，這個(gè)效果的產(chǎn)生就是通過熱電的原理，半導(dǎo)體制冷片作為特種冷源，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)： （ 1）不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動(dòng)部件是一種固體片件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長，安裝容易。 （ 2）半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效 率 一般不高，但制熱效率很高，永遠(yuǎn)大于 1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng) 。 （ 3） 半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制 ， 可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。 （ 4） 半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差。 （ 5） 半導(dǎo)體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導(dǎo)體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。 （ 6） 半導(dǎo)體制冷片的單個(gè)制冷元件對的功率很小 ， 但組合 成電堆 ， 用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。 7 （ 7） 半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍，從正溫 90℃到負(fù)溫度 130℃都可以實(shí)現(xiàn)。 如圖 所示為半導(dǎo)體制冷片的實(shí)物圖。 圖 半導(dǎo)體制冷片 制冷片的選擇 在制冷器的選擇中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： （ 1)被冷卻物體所欲達(dá)到的溫度； （ 2)制冷元件的最大電流數(shù)值； （ 3)熱負(fù)載，被冷卻物的發(fā)熱量和從外部滲入的熱量； （ 4)選取何種散熱方式 (自然對流散熱、強(qiáng)迫對流散熱或液冷等 )以及熱端與周圍 介質(zhì)的熱交換系數(shù)； （ 5)冷端同被冷卻物體間取何種熱交換方式 (緊密接觸或液體循環(huán)等 )以及熱交換系數(shù)； （ 6)冷卻速度與達(dá)到溫度的時(shí)間。 半導(dǎo)體制冷糧倉的負(fù)荷可按下式計(jì)算： T B A P MQ Q Q Q Q? ? ? ? () 式中 BQ — 糧倉的泄漏能量； AQ — 開門泄漏能量； PQ — 糧食散發(fā)； MQ — 其他熱量。 這本文中將條件設(shè)定為密閉糧倉，在濕度一定的情況下，計(jì)算制冷量，來選擇 8 半導(dǎo)體制冷片。糧倉熱量主要來自外部，選擇糧倉為面積為 70平米，制冷高度為 1米，可估算所需制冷量為 1 匹。 根據(jù)設(shè)計(jì)中的要求可選用的制冷片的型號為 THC112706， 所選制冷片對應(yīng)的型號主要參數(shù)有工作電流為 6A， 工作電壓為 12V， 溫度范圍為 正溫 80℃到負(fù)溫度 55℃。根據(jù)糧倉大小 ， 共選擇了 10 片制冷片。 制冷片的散熱 散熱管是焊接的矩形截面空心鋁管或銅管，空氣在散熱管中流動(dòng)，其外表面與半導(dǎo)體 制冷片接觸 ， 半導(dǎo)體制冷片的另一面與散熱片接觸 ， 散熱片之間通過散熱片螺栓組件聯(lián)接 ， 保溫隔板在散熱片之間，保溫套管套裝在散熱管兩邊的管上，用于散熱管保溫。制冷器風(fēng)扇通過制冷器風(fēng)扇螺栓組件固定在 U型板上，制冷器風(fēng)扇的風(fēng)吹到散熱片上，將散熱片的熱量吹到大氣中，防止半導(dǎo)體制冷片過熱， U 型板通過散熱片螺栓組件聯(lián)接散熱片， U 型板上的一組孔用于對外聯(lián)接，固定半導(dǎo)體制冷器。 太陽能光伏電池 太陽能電池通常由半導(dǎo)體硅材料制成。其作用是把太陽能直接轉(zhuǎn)換為直流形式的電能，是光伏陣列中光電轉(zhuǎn)換的最小單元。由于單個(gè)太陽電池的功 率極小 ， 因此一般不單獨(dú)作為電源使用。實(shí)際應(yīng)用中是將許多單個(gè)太陽電池經(jīng)過串、并聯(lián)組合并進(jìn)行封裝后構(gòu)成太陽電池組件使用。光伏陣列就是由許多太陽電池組件經(jīng)過相應(yīng)的串、并聯(lián)后構(gòu)成。 圖 硅太陽電池結(jié)構(gòu) 如圖 所示的硅電池 ， 它的基體材料為 P 型單晶硅 ， 厚度在 以下。上表面層為 N 型層，是受光層，它和基體在交界面處形成一個(gè) PN 結(jié)。在上表面上加 9 有柵狀金屬電極，可提高轉(zhuǎn)換效率；另外，在受光面上，覆蓋著一層減反射膜，它是一層 很薄的天藍(lán)色氧化硅薄膜，用以減少入射太陽光的反射，使太陽電池對入射光的吸收率達(dá)到 90%以上。 在實(shí)際的太陽能電池中，一般串聯(lián)電阻都比較小，大都在 ～ 3歐之間。另外，由于制造工藝的因素，光伏電池的邊緣和金屬電極在制作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生微小的裂痕、劃痕，從而會(huì)形成漏電而導(dǎo)致本來要流過負(fù)載的光生電流短路掉，因此引入一個(gè)并聯(lián)電阻 來等效。相對于串聯(lián)電阻來說，并聯(lián)電阻比較大，一般在 1K 歐以上。太陽能電池的等效電路如圖 所示。 圖 太陽能電池等效電 路 在針對低溫儲藏中的糧倉時(shí)，選擇太陽能電池主要考慮到制冷量和半導(dǎo)體制冷片的實(shí)際效率。制冷量的計(jì)算將在硬件電路設(shè)計(jì)中討論并進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)際綜合情況，就可以進(jìn)行太陽能電池的選擇了。 本設(shè)計(jì)中采用的光伏電池主要參數(shù)如表 所示 。 表 太陽能光伏電池主要參數(shù) 最大功率電流 Imp 最大功率電壓 Vmp 開路電壓 開路溫度系數(shù) 最大功率溫度系數(shù) %/℃ %/℃ 溫度傳感器 DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－ Wire，即單總線器件，