摘 要：本设计通过太阳能电池板发电对半导体组件进行供电，不仅可以提供空调电量而且不产生任何有害气体，充分体现了节能减排的特点。空调制冷系统主要采用半导体组件，不仅可以很快的实现温度变化，而且在制冷过程中不会产生噪音，当车厢内的温度达到温度控制器设置的温度时，温度控制器将自动断开半导体组件，考虑到用户使用的方便，设计了无线控制系统，以实现远程控制空调；另一方面，太阳能电池板转化的能量一部分用于半导体制冷，剩余的部分储存在蓄电池中作为替补能源，既可以在太阳光强不足时供给半导体组件，又可供给其他用电器。
关键词：太阳能电池板；半导体组件；半导体制冷；温度调控；节能环保
1 研制背景及意义
随着商品经济的发展，不同地区之间的货物流通已经不是难题。为了运输冷冻或保鲜货物，各式各样的冷藏车应运而生，目前我国冷藏保温汽车按制冷装置的制冷方式有机械冷藏汽车、液氮冷藏汽车、冷板冷藏汽车、干冰冷藏汽车、水（盐）冰冷藏汽车等，大部分是装有制冷机组的制冷装置和聚氨酯隔热厢的冷藏专用运输汽车。针对半导体制冷，我们拟制作一种新型太阳能智能空调辅助系统，利用太阳能电池将太阳能转为化学能储存在蓄电池中为半导体制冷组件供电[1]，既减少了发电机发电量，又无有害气体排放。
1.1 传统冷藏车空调的缺点
（1）首先机械制冷是一种较为可靠有效的制冷方式，但冷藏汽车工作时要消耗燃油或电力，并增加尾气排放。机械制冷装置结构复杂，使得冷藏运输成本较高，运价贵，从而严重阻碍了冷藏汽车的发展。
（2）空调系统制冷剂污染环境。目前，汽车空调制冷剂多用R12，该制冷剂对臭氧层破坏严重，我国已于2010年全面完成了CFC类工质的替代。R134a作为R12的替代产物，虽然不破坏臭氧层但其全球变暖潜值为1300。到2017年，欧盟将禁止新生产的汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂。因此，研究开发利用汽车余热和可再生能源驱动的汽车空调系统，是汽车空调技术发展与进步的必然要求[2]。
1.2 太阳能冷藏车空调的设计目的
针对目前冷藏车空调的一些不足，我们设计了太阳能智能空调，基本解决了现在冷藏车空调所带来的问题。首先利用半导体组件制冷，而半导体制冷所需的能量又由太阳能电池板通过光电效应转化而来，整个设计清洁无污染，这样既节省能源，又克服了传统空调工作时会产生有害气体的缺点，起到环保效果。另外，太阳能电池板吸收的太阳能一部分供空调系统使用，剩余的部分储存到蓄电池以备阳光不足时再供空调使用，大大增加了能源利用率[3]。我们的太阳能冷藏车智能空调还便于安装使用，无论是新车还是旧车都可以方便的安装上汽车太阳能智能空调，我们只需将薄膜状的太阳能电池板贴在车的顶棚，然后将导线接入空调即可。
2 设计方案及原理简介
2.1 电器控制部分
考虑到太阳能电池板的电压波动问题（约5V）以及它小于空调系统的电压（12V）问题，我们通过升压模块（图1所示）给太阳能电池板的电压升至12V，稳压模块的电路图（图2）所示如下：其中Vin表示太阳能电池板的电压，Vout表示升压之后的电压，最后储存到蓄电池供空调系统及温度控制器使用。
2.2 机械部分
太阳能电池板是和汽车面连在一起的，当太阳照射汽车时，太阳能电池板就会自动把光能转化为电能，然后供各用电组件使用。 图3为工作流程图：
3 理论设计计算
3.1 所采用的太阳能电池板属性
试验中冷藏车模型所用的电池板，其参数分别是5V 0.04A、 5V 0.02A、5V 0.3A，把它们并联起来是1.56A，考虑到空调系统：其中大风扇12V 0.18A、小风扇12V 0.1A、制冷片12V 2A，我们用升压模块给以上太阳能板的电压升至12V，便可供空调系统使用 ，下面表1是各个器件的功率：
表1 各元件功率表
3.2 模拟太阳能空调车厢的制冷效果
我们选用体积为28*16*14cm的长方体纸箱来模拟车内空间，使用上述太阳能电池板对其供电，4*4cm制冷片以及相关的散热组件。我们选取一天中的不同时刻在太阳直射的情况下进行测量，并记录各个阶段太阳能制冷空调的制冷效果。
表2 测试时间为上午，天气为微风，室外温度为25℃
表3 测试时间为中午，天气晴朗，室外温度为34℃
表4 测试时间为下午，天气为微风，室外温度为27℃
3.3 数据分析
根据以上三个记录可以看出采用半导体的效果十分明显，可以达到每分钟下降2℃左右，随着车厢内温度的逐步降低，单位时间内下降的温度逐渐降低，但是在10分钟内仍然可以达到10℃左右的温差。
主要的原因有：
（1）我们模拟的车厢为无机玻璃箱，边缘缝隙的密封性比较差，与外界热量交换较多；
（2）随着制冷片工作时间的延长，散热组件的散热效果逐渐下降，制冷片两面温差逐渐减小，导致每下降1℃所用时间增长。
解决办法：
（1）在实际的车厢中，密封性能和隔热性能好，半导体制冷的效果将会更加显著；
（2）由于模拟空间有限，采用一个半导体制冷片工作，而在实际的使用中，完全可以采用4个制冷片交替或同时工作，达到更好的制冷制热效果。
4 工作原理及性能分析
4.1 太阳能板的工作原理简介
太阳能板是利用硅型太阳能电池吸收太阳光，太阳辐射能量的光谱，主要以可见光为中心，光照射在半导体中存在内电场E的太阳能转化为电能，在电场的作用下，半导体两侧产生电势差，将太阳能转化为电能，其转化的能量与太阳光的强度成正比。即太阳光越强，它转换的能量也越多。
4.2 半导体制冷工作原理简介
将太阳能板接到半导体制冷片上，然后将导冷端和散热片安装好再接风扇，导冷端风扇的螺丝可以先装上，然后就可以直接插在导冷模块上，再把太阳能板及制冷系统安装在汽车的适当位置，通过温度控制器来显示当前温度，当车内温度达到我们设置所需温度时，系统停止工作。
4.3 数字式温度控制器的智能控制
图4和图5分别为温度控制器的内部构造图和外观图，系统进入制冷模式时，有3个手动温度控制点可供选择，26℃，28℃，30℃默认温度是26℃。当室温低于所选择的温度时，系统不工作，当室温高于或等于所选择的温度时空调制冷。
4.4 太阳能远程无线控制系统
为了更方便的控制太阳能空调的开关与半导体组件的制冷和制热，我们采用四键遥控器和超再生固定码接收模块，可以组成四路无线发射接收电路，遥控器的四位数据码对应模块的四路输出，可以方便的组成无线遥控发射接收电路，实现了用户远程控制太阳能空调。
5 创新点、优点及应用
5.1 太阳能空调主要有以下创新点及优点
（1）使用半导体制冷，且充分利用太阳能提供能量，节省了传统空调需要的耗油，太阳能冷藏空调是利用太阳能电池转化的直流电来驱动半导体组件，不会产生有害气体，而传统的空调是利用燃烧汽油而获得电能来驱动的。
（2）可以实现温度的智能调控。我们采用智能温度控制器，不仅可以兼容控制制冷制热，还具有延时保护、回差设置以及超温低温报警功能。利用其回差设置功能，我们可以设定某个温度区间，当车厢内温度超出此区间时，半导体组件可以自动启动进行制热或制冷。
（3）充分体现人性化设计，既可以实现空调开关、制冷制热的无线控制，也可以根据车主需求，控制其提前工作。
（4）普及性强，便于推广使用。无论是新车还是旧车都可以方便安装上汽车太阳能智能空调，我们只需将太阳能电池板贴在车的顶棚或者侧面，然后将导线接入空调即可。
（5）在技术应用上不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件，是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、寿命长[5]。
5.2 应用前景展望
目前冷藏车已成为现实生活中不可缺少的运输工具，所有冷藏车空调都有待在节能方面实施改进，而这样一款智能太阳能空调正能解决目前石油短缺、能源危机、环境污染的问题，又积极响应国家“节能减排”的号召，因此我们设计的这一款汽车太阳能智能空调应用前景很广。
参考文献
[1]冀兆良.我国汽车空调技术的应用及发展现状[J].制冷空调与电力机械，2011（5）：1-5.
[2]郑永明，方方，徐建一，等.半导体致冷原理及其应用系统设计研究[J].中国测试技术，2006（3）：49-51.
[3]张亚君，黄小华，李金新，等.分布式可控制医疗制冷头盔[J].杭州电子科技大学学报，2011（4）：17-20.
[4]陈昌盛，魏旭来，唐韬.基于嵌入式的小型恒温冷藏箱设计与实现[J].电子设计工程，2012（9）：164-166.
[5]刘清.采暖制冷技术中的热电效应[J].武汉工程职业技术学院学报，2008（6）：17-21.
作者简介：*王志森（1997，10-），男，现就读于北镇中学高中二年级21班。