基于太阳能光伏制冷技术的新型生鲜自提柜开发

钱剑峰，荆 莹

(哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028)



基于太阳能光伏制冷技术的新型生鲜自提柜开发

钱剑峰，荆 莹

(哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028)

在介绍智能自提柜国内外应用现状的基础上，指出我国自提柜存在的问题，结合太阳能光伏制冷技术的国内外研究现状，提出了新型的太阳能智能生鲜自提柜.进而分析了新型自提柜的组成、原理及设计计算，为生鲜自提柜的技术发展提供参考.

冷链物流；终端配送；生鲜自提柜；太阳能光伏制冷

近年来，生鲜电子商务发展迅猛，生鲜产品交易量不断攀升，生鲜电商给冷链物流提供了新的发展机遇[1].然而，冷链物流的终端配送主要通过在生鲜产品包装中加冰袋进行制冷，在客户不能按时收货、配送员不能及时送达时，生鲜产品的品质会大打折扣，而且增加二次投递成本[2].智能自提柜在一定程度上解决了冷链物流的终端配送难题.然而，我国自提柜的发展还处于起步阶段，其技术方面的研究还很欠缺，而且现有的生鲜自提柜使用国家电网供电，不仅增加使用成本，而且不符合低碳经济的理念，不利于自提柜的推广.

随着光伏电池转换效率的提高，价格的下降，太阳能光伏制冷技术凭借其可靠性高、节能环保等优势越来越受到重视[3-5].本文提出在生鲜自提柜中应用太阳能光伏制冷技术，利用太阳能为自提柜的制冷系统提供动力，这对降低自提柜的使用成本和促进能源、环境的和谐发展有一定的研究意义.

1 新型自提柜的开发背景

1.1 自提柜的应用分析

1.1.1 国内外自提柜的应用现状

在我国，智能自提柜处于刚起步阶段，主要生产运营企业包括速递易、收件宝、收货宝、上海宝盒、南京云柜、递兴泊和福建友宝等.速递易是最早进入市场的自提柜公司，2013年该公司在成都、重庆、深圳等6个城市投入6 000万元资金，进驻近千个社区[6].由顺丰主推的丰巢智能快递柜也在北京、上海、广州等城市广泛应用，安装于社区、大型商城和办公楼内[7].澳柯玛公司2015年推出“生鲜自提柜”，能够实现智能定位、温湿度监控、故障报警等功能.

在国外，智能自提柜非常流行，日本、德国、法国等二十多个国家都在使用自提柜.德国DHL公司的自助取件服务已覆盖德国总人口的90%，成为一些新建社区的配套设备.Amazon的储物柜主要在美国应用，放置在大型商场、便利店等地方[8].Walmart公司的温控储物柜具有制冷功能，该储物柜被划分为3个区域：顶部冷藏区，中间常温区和底部冷冻区[9].

1.1.2 我国自提柜存在的问题

目前我国自提柜技术方面的研究还很欠缺.自提柜的研发是为了解决物流的终端配送问题，但市场上基本都是常温自提柜，投入使用的具备制冷功能的生鲜自提柜少之又少.面对增长迅速的生鲜电商，大多数自提柜都无法满足生鲜产品对储存温度的要求.因此，生鲜产品的储存受到很大限制.

此外，自提柜的设备研发、安装成本在4～5万元/台，生鲜自提柜成本更高，而现有的生鲜自提柜采用市电供电的方式进行制冷，使用时需支出巨额电费，增加使用成本.不仅如此，给生鲜自提柜供电将消耗大量一次能源，加剧环境污染，不符合低碳经济的要求.

1.2 太阳能光伏制冷技术的国内外研究进展

刘忠宝[10]等人提出太阳能光伏直流蓄冷冰箱系统，实验显示，其冰温室最低温度为-14 ℃，冷藏室温度可达 0～5 ℃，果蔬保鲜盒的温度在5～10 ℃，满足冰箱的功能要求，其系统模型如图1所示.李玉恒[11]等人主要研究了交流光伏冰箱的动态性能特性，分析得到可利用天气数据预测交流光伏冰箱动态性能的模型.胡韩莹[12]等人开发了一种利用太阳能电池供电的直流制冷装置，其采用自主研发的太阳能控制器和供电转换控制器.实验结果表明，太阳能供电方式和市电供电方式切换良好，太阳能制冷系统各部件匹配良好.

图1 太阳能光伏直流蓄冷冰箱示意图

Kaplanis和Papanastasioul[13]设计了一台太阳能直流冰箱并进行了实验测试，其系统如图2所示.他们将一台传统冰箱改造为光伏冰箱，在光伏冰箱的内壁和门的内侧分别增加了一层绝热材料，并使用直流压缩机代替交流压缩机.在对新系统各部件的性能测试中发现，光伏冰箱一天的耗电量明显下降.Torres-Toledo[14]等人对使用光伏冰箱冷藏牛奶进行了研究分析.结果表明环境温度为20 ℃和40 ℃时，光伏冰箱系统COP大约下降30%.Mehmet Bilgili[15]对太阳能光伏冰箱系统进行了性能模拟和实验研究，结果发现该系统所需的光伏组件面积随冰箱蒸发器温度的下降而增大.以上研究对太阳能光伏制冷技术的进一步发展提供了参考，也为该技术的推广应用奠定了基础.

图2 光伏直流变速冰箱系统图

2 太阳能智能生鲜自提柜的开发

太阳能智能生鲜自提柜主要由自提柜箱体、智能控制系统、太阳能发电系统、市电供电系统及制冷系统组成.其中，太阳能发电系统包括太阳能电池、控制器和蓄电池.制冷系统主要包括压缩机、冷凝器、冷冻箱格蒸发器、冷藏箱格蒸发器、节流元件及蓄冷板.智能控制系统包括PC服务端电子触摸屏、条码自动识别子系统、短信发送子系统、高清摄像头监控子系统等.

太阳能智能生鲜自提柜可以安装于室外，也可以安装于室内.当自提柜安装在室外时，太阳能电池可安装于社区中心广场的建筑物顶上，如图3所示；太阳能电池还可以安装于自提柜的左、右、后侧壁及顶部，如图4所示.当自提柜安装于室内时，太阳能电池可以安装于楼顶或放置在室外合适的地方，如图5所示.

图3 新型生鲜自提柜室外结构图A

图4 新型生鲜自提柜室外结构图B

图5 新型生鲜自提柜室内结构图

为满足果蔬、肉类、禽蛋、乳制品、糕点、速食等生鲜产品的温度要求和不同尺寸快件的存放要求，将太阳能智能生鲜自提柜箱格分为不同温区和不同规格.自提柜上部为常温箱格，中部为小规格冷藏箱格、大规格冷藏箱格，下部为小规格冷冻箱格、大规格冷冻箱格.

太阳能智能生鲜自提柜的原理如图6所示.当太阳能充足时，由太阳能电池输出的直流电驱动直流变频压缩机运行，使制冷系统开始制冷.同时，太阳能电池输出的多余电能储存到蓄电池中，控制器能够实现蓄电池的过充电、过放电保护，保证制冷系统的可靠运行.此时，安装于冷藏箱格和冷冻箱格中的蓄冷板储存冷量.在太阳能电池供电不足时，蓄冷板开始释放冷量，维持自提柜内的温度.当蓄冷板中的冷量释放完毕，而太阳能电池依然无法满足直流变频压缩机的运行要求时，蓄电池开始供电，带动制冷系统工作；当太阳能电池、蓄电池和蓄冷板都无法满足制冷系统要求时，市电供电系统启动，驱动压缩机运行，保证自提柜不间断制冷[16-17].

图6 新型生鲜自提柜原理图

3 太阳能智能生鲜自提柜的设计计算

3.1 自提柜的热负荷计算

新型自提柜总热负荷Q是保证负载达到一定储藏温度所需的制冷量，包括箱体漏热量Ql、开门损失热量Qk、储物热量Qc和其他热量Qm，用下式表示：

Q=Ql+Qk+Qc+Qm

(1)

箱体漏热量Ql包括冷冻箱格绝热层的漏热量Q0、冷藏箱格绝热层的漏热量Q1、箱门及封条漏热量Q2、箱体结构件漏热量Q3，可由下式计算：

Ql=Q0+Q1+Q2+Q3

(2)

开门损失热量Qk在设计计算时暂不考虑，故取Qk=0.

生鲜自提柜的箱格内布置有蓄冷材料，但蓄冷材料只起蓄冷作用，不作为自提柜的负载，因此储物热量Qc=0.

生鲜自提柜内部无其他发热元件，故其他热量Qm=0.

自提柜的总热负荷可计算得出，但考虑到误差等因素，将自提柜总热负荷增加10%的安全系数，即：

Q*=1.1Q

(3)

3.2 太阳能电池的计算

新型自提柜采用晶硅电池，太阳能电池组件的电压通过单片太阳能电池的电压和其串联的个数共同确定.在单片太阳能电池的电压确定时，组件电压取决于串联电池的数量，太阳能电池串联数量可由下式确定：

Nc=UPV/Umax

(4)

其中：Nc为太阳能电池串联的数量；UPV为太阳能电池组件的工作电压，可取负载电压的 1.4倍；Umax为单片太阳能电池在标准测试条件下最大功率点电压.

为满足负载及蓄电池的用电需求，太阳能电池须有充足的工作电流.将不同数量的太阳能电池并联就能够得到不同的工作电流.其并联数目Nb可由下式计算：

(5)

其中：E为自提柜每天的功耗；fθ为电池列阵倾角修正系数，取 0.8；m为标准测试条件的光照下每天平均日照小时数；Im为单片太阳能电池在标准测试条件下的最大功率点电流；ηB为蓄电池充电效率，取 0.9；fc为电池组件的损失补偿系数，SP一般取 0.9；为灰尘阻挡因子，取0.96.

标准测试条件的光强下每天平均日照小时数m可由下式确定：

m=H/1000

(6)

其中:H为哈尔滨地区各月日平均辐射总量，由气象统计资料可得[18]，其数据如表1所示.

表1 哈尔滨地区各月日平均辐射总量(W·h·m-2)

JanFebMarAprMayJunJulAugSepOctNovDec辐射量415053876498664566966863589359085239482337523211

3.3 蓄电池容量计算

蓄电池容量需满足负载一定天数的工作要求.蓄电池容量计算如下式：

(7)

其中:N为无日照连续运行天数；θmax为蓄电池的最大放电深度，取0.8；ζ为线路损失系数，一般取 0.1；ηBA为蓄电池效率，一般取1.2；γ为温度系数，取 0.9.

3.4 控制器的选型

控制器对蓄电池有过电压、欠电压保护作用，当蓄电池充满电时，控制太阳能电池自动放电.在进行控制器选型时，应根据系统的工作电压和工作电流选择适宜额定电压及电流的型号.

3.5 蓄冷材料的选择

物质在温度改变和物态转变时，会释放显热或相变潜热.相变蓄冷技术，即通过放置蓄冷材料的装置，将冷量储存起来，待需要时再通过一定方式将冷量释放出来[19].相变潜热远大于显热，且蓄冷温区应用范围广.在生鲜自提柜中采用蓄冷板，内置相变蓄冷材料，可以延缓自提柜温度回升时间、减少柜内温度的波动，减少直流压缩机的启停次数，节约能源[20].

表2 部分适用的蓄冷材料

蓄冷材料冷藏用氧化铝(0．1%)+水纳米流体铜+水纳米流体四丁基溴化铵(25%～45%)冷冻用氯化铵+乙二醇丙三醇+乙酸钠+水丙三醇+乙醇+水

在蓄冷材料的选取方面，可以借鉴冰箱冷柜的研究结果，目前已针对冰箱冷藏室和冷冻室的不同特性，筛选出了一些适用的相变材料如表2所示.这些相变蓄冷材料也同样适用于生鲜自提柜.

4 结 语

基于太阳能光伏制冷技术的太阳能智能生鲜自提柜，不仅解决了冷链物流终端配送存在的问题，而且由于是利用太阳能电池发出的直流电直接驱动直流变频压缩机运行制冷，克服了自提柜运行成本高，不够节能环保的缺点.此外，将相变蓄冷技术应用于太阳能智能生鲜自提柜，能够更大程度地延长自提柜的使用寿命、提高能源利用效率.随着人们对智能自提柜及太阳能制冷技术的不断深入研究，太阳能智能生鲜自提柜将会有广阔的市场前景，并将朝产业化方向发展.

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Development of novel fresh container with solar photovoltaic refrigeration technology

QIAN Jian-feng, JING Ying

(School of Energy & Construction Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

On the basis of introducing current situation of intelligent container, the problems in China were analyzed. Based on the current situation of solar photovoltaic refrigeration technology, a novel solar intelligent fresh container was put forward. The container’s composition, principle and design calculation were introduced, which provided some references for the development of fresh container.

cold chain logistics; terminal distribution; fresh container; solar photovoltaic refrigeration

2016-09-22.

黑龙江省高校青年人才培养计划(UNPYSCT-2015072)；黑龙江省大学生创新创业训练项目(国家级，201610240028)

钱剑峰(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：制冷与热泵节能技术.

TM925

A

1672-0946(2017)03-0328-04