基于ATMEGA16的太陽能供電制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 制冷功率計(jì)算

系統(tǒng)各部分的參數(shù)匹配取決于系統(tǒng)所需要的制冷量，因此制冷量的計(jì)算是設(shè)計(jì)的前提。在本文中，制冷環(huán)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(zhǔn)低溫環(huán)境下儲藏的目的，需要對糧倉內(nèi)糧堆線以上的空氣層進(jìn)行制冷。根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，可計(jì)算出糧倉的冷負(fù)荷。

糧倉內(nèi)空氣的制冷量需求：
Q1=ρVC(T0-T1) (1)
頂部空氣層與糧倉側(cè)面、倉頂以及糧倉內(nèi)的糧食存在熱量的傳遞，在τ時刻后，向外擴(kuò)散的冷量：
Q2=KS(T2-T3) (2)
糧倉的總制冷負(fù)荷：
Q=Q1+Q2 (3)
式中，ρ為糧倉內(nèi)空氣的密度；V為空氣體積；C為空氣的比熱；T0為糧倉內(nèi)空氣的初始溫度；T1為制冷目標(biāo)溫度；K為等效傳熱系數(shù)，單位為W／K；S為有效傳熱面積；T2和T3分別為糧倉內(nèi)外隨時間變化的溫度，單位為K。

根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的熱電制冷原理，可以根據(jù)測得的溫度、電壓和電流計(jì)算半導(dǎo)體制冷原件的特性參數(shù)：

式中，α為制冷元件的塞貝克系數(shù)，單位為V／K；I為半導(dǎo)體制冷片的工作電流，單位為A；Th和Tc分別為制冷片熱端和冷端的溫度，單位為K；R為制冷片的電阻，單位為Ω；Kt為制冷片的總導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W／K。
通過公式(1)、(2)和(3)，可以估算系統(tǒng)的冷負(fù)荷，即系統(tǒng)所需的制冷量，結(jié)合公式(4)、(5)、(6)和(7)對系統(tǒng)的制冷量和輸入功率進(jìn)行優(yōu)化分析，從而確定供電電源的功率，使系統(tǒng)制冷效率達(dá)到最高，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)關(guān)鍵器件參數(shù)(光伏電池的功率、蓄電池的容量、制冷片的制冷功率和輸入功率)的合理匹配。

1．2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

在此次設(shè)計(jì)中，太陽能半導(dǎo)體制冷是通過光伏電池板的光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生電能驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片的方式來制冷，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是相對易于控制，成本較低。太陽能的強(qiáng)度受多種因素的影響而不能維持常量，為了實(shí)現(xiàn)電源和負(fù)載之間穩(wěn)定、高效工作，提高供電質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)一種可靠的、高效的太陽能電源控制器。

太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)由太陽能電池組、蓄電池、控制器、半導(dǎo)體制冷片、傳感器、驅(qū)動電路、采樣電路和顯示電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制器的硬件電路主要由微處理器及其外圍的制冷驅(qū)動電路，溫度檢測和電流采樣電路所組成。

2．1 ATMEGA16微處理器

選擇AVR系列ATMEGA16微處理器為核心控制處理單元。ATMEGA16單片機(jī)是AVR系列中高性能低功耗的8位處理器，內(nèi)部具有豐富的資源，其內(nèi)部集成8路十位具有可選可編程增益的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)及其獨(dú)特的脈寬調(diào)制輸出PWM功能。ATMEGA16具有高可靠性、實(shí)時性好、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2．2 半導(dǎo)體制冷驅(qū)動電路

選擇的制冷片的型號為TEC1-12706，其最大工作電流為6 A，工作電壓為12 V。半導(dǎo)體制冷片需用直流電流實(shí)現(xiàn)工作運(yùn)轉(zhuǎn)，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，溫度范圍為正溫80℃到負(fù)溫度55℃。

半導(dǎo)體制冷片工作時采用ATMEGA16芯片PWM功能對其進(jìn)行控制，通過光耦控制達(dá)林頓管BD243的通斷，以達(dá)到對制冷片輸入電壓的控制，進(jìn)而控制其冷端的工作溫度。半導(dǎo)體制冷片的工作驅(qū)動電路如圖2所示，其中RL即半導(dǎo)體制冷片。在實(shí)際的制冷過程中，為保證制冷效率，要求制冷片工作電流的數(shù)量級為安培。而電路中的BD243能提供最大6 A的集電極電流，滿足了制冷片的工作需求。4700μF的電容對制冷片的輸入電壓進(jìn)行平滑，使得紋波系數(shù)小于10％，以保證制冷工況。