太陽能半導體空調技術應用分析及前景展望

南昌大學機電學院熱能與動力工程研究所 戴源德 雷強萍 古宗敏

一 引言

近年來隨著經濟的快速發展，我國用電缺口逐漸增大，很多城市在夏季用電高峰時期，電力供應不足，甚至出現拉閘限電的情況，這給人民生活和經濟建設帶來了嚴重的影響。據有關資料顯示:中國的電力需求每年增長14%～15%[1]，建筑使用能耗已占國家總能耗30%左右，而制冷空調工程占建筑使用能耗80%以上[2]。可見空調用電在建筑能耗用電中占很大的比重，因此，做好空調系統的節能工作對緩解我國目前的供電緊張有著重要的意義。

太陽能是一種儲量豐富、清潔安全的可再生能源，將太陽能應用于空調是未來綠色制冷技術的發展趨勢之一。目前太陽能空調技術有兩類:一類是利用太陽輻射的熱能來實現空調；一類是利用太陽光轉換為電能，經逆變后驅動傳統壓縮式空調。然而前者存在熱源不穩定、需要輔助能源等問題，后者不僅制冷系數較低，還由于使用傳統制冷劑和壓縮機噪聲對環境產生危害，難以推廣應用。而將太陽能與半導體制冷技術結合的這一新型空調系統無需輔助能源，相比于光伏壓縮式空調系統，此系統無需能量轉換的中間環節，提高了系統運行的穩定性和可靠性，并且無需制冷劑，不存在運動部件，避免了傳統空調產生的環境污染和噪聲問題。基于此，國內外已有不少學者在開展太陽能半導體空調技術的研究，進一步推動了該技術的實用化進程。

二 太陽能半導體空調系統

1 基本組成

太陽能半導體空調系統主要由太陽能供電裝置和半導體空調裝置兩部分組成。其中供電部分包括太陽能光電轉換設備、控制器、蓄電池、整流器；半導體空調裝置部分包括半導體熱電堆、散熱設備、空調送風機等，如圖1所示。

2 太陽能半導體空調系統的工作原理

半導體空調系統是基于半導體制冷原理建立起來的空調系統。半導體制冷也稱熱電制冷，是利用特種半導體材料組成P-N結，形成熱電偶對，產生珀爾帖效應，即當直流電通過半導體熱電堆時能產生一端變冷、另一端變熱的現象。太陽能半導體空調系統就是首先將由太陽能光電轉換裝置提供的直流電供給半導體熱電堆，利用熱電堆發生的冷熱現象達到空調制冷或制熱的目的。

系統運行時，白天光照下，太陽能光電轉換器輸出直流電，一部分直接供給半導體空調系統，另一部分進入儲能設備儲存，以供夜間或非正常日照條件下使用，使空調系統可以全天候正常運行。此外，為了避免個別極端天氣(例如連續多天的陰雨天)影響裝置的正常運行，還可將公共電網用電經系統中的整流器整流后作為輔助供電。其中控制器使整個空調系統的能量傳輸始終處于最佳匹配狀態，從而提高系統的效率、降低系統的成本。

半導體空調裝置由多塊熱電偶組成半導體熱電堆，并外接電源線，通過電流方向的改變來實現冷熱端的置換，從而完成夏季制冷和冬季供熱。圖2為半導體空調系統的結構示意圖，半導體熱電堆的一端置于空調區域內，夏季為冷端，對空調區域提供冷量，此時置于空調環境外的一側為熱端，向外界散熱。

三 太陽能半導體空調系統的關鍵技術問題

太陽能半導體空調系統具有結構簡單、無污染、壽命長、可靠性強、負荷可調性強、制冷制熱速度快等優點，因而受到人們的廣泛關注。但目前因系統的運行效率較低、成本高而嚴重影響了太陽能半導體空調系統在國防、工業、日常生活等各領域的應用和推廣。為改善系統的制冷制熱效率、降低系統成本，國內外一些學者對太陽能半導體空調系統展開了一系列的課題研究工作。從相關的研究內容可知，影響太陽能半導體空調系統運行性能的關鍵技術問題主要有以下幾點:

1 太陽電池的光電轉換效率

太陽能半導體空調系統是利用太陽能經光電轉換得到的電能驅動半導體空調裝置實現能量傳遞的一種特殊空調系統。系統中光電轉換器太陽電池轉換效率的提高可改善整個系統的運行效率和降低設備的成本。從目前太陽電池的研究現狀看，主要從開發太陽電池新材料、新的太陽電池結構和工藝技術方面來改善太陽電池的轉換效率；然而，當前晶體硅材料仍是制造太陽電池的主要材料，尚無大突破。在太陽電池結構和工藝技術方面，國內外一些公司通過自主研發取得了重大進展，如無錫尚德“冥王星”(Pluto)技術可將單晶硅太陽電池轉換效率由17%提高到18.8%，多晶硅太陽電池轉換效率由16%提高到17.2%；美國Innovalight公司開發出基于硅漿技術的高效晶體硅太陽電池，效率超過20%；日本三洋的超薄HIT電池，其轉換效率達到23%；比利時的IMEC公司采用淺發射結技術和鍍銅刪線技術，開發出高效、低成本的太陽電池。上述新技術的開發，使太陽電池效率不斷提高，一定程度上推動了太陽能半導體空調技術的發展，為系統的進一步實用化奠定了基礎。

2 熱電材料優值系數

熱電材料的優值系數是衡量半導體空調器性能的一個關鍵技術指標，優值系數愈高，系統的運行性能愈好，效率也愈高，因此改善材料的優值系數是提高系統性能的關鍵方向。近年來主要從提高材料的優值系數Z和尋找大Z值的材料兩個方向來獲得性能優良的熱電材料。有關數據顯示，國內熱電元件的優值系數在相當一段時間內維持在(2.5～3.0)×10?3K?1(見表1)，熱電效率低，使得相同工況下，半導體制冷與壓縮式制冷有一定差距。有研究顯示，要使半導體制冷與壓縮式制冷在經濟上達到相當的水平，優值系數需達到13×10?3K?1[4]，即無量綱優值Z Tm要從現在的0.9提升到3。近年來隨著世界各國半導體制冷學者對熱電材料展開的一系列研究，Z Tm值取得了重大進展。Venkatasubramian等人報道[5]，室溫條件下，P型Bi2Te3/Sb2Te3超晶格材料Z Tm=2.4；N型超晶格材料Z Tm=1.2。Harmon等人報道[6]，室溫條件下，N型PbSeTe/PbTe量子點超晶格材料Z Tm≥2。半導體材料優值系數的提高，熱電性能的改善，將加快太陽能半導體空調技術實用化的進程。

表1 熱電器件用半導體材料的特性參數[3]

3 設計工況

按半導體制冷傳統理論進行設計，半導體制冷器有兩種工況，即最大制冷系數工況和最大制冷量工況。然而，制冷器實際運行時這兩種工況并不能統一，設計時兼顧兩者選擇合適的設計工況，可得到較高的制冷效率。研究表明:按最大制冷量Qmax設計時，制冷系數較低，熱端散熱多，但所用元件少，體積小，制造成本低，能夠適應較多特殊場合；反之，按最大制冷系數εmax設計，半導體制冷器制冷系數較高，運行經濟性較好，但所需元件多，體積大，制造成本高；按最佳工作工況設計，制冷器產品成本與功耗總和最低；按等功率工況設計，此狀態系統運行時是相對于Qmax，εmax較合理的狀態。不管采用哪種設計方法，應根據實際用途來選擇合理的設計工況，從而使半導體空調達到最優設計。

4 散熱方式

半導體制冷效率的提高，除了其本身制造材料和制造工藝的因素外，主要取決于其散熱、傳冷方式及良好的結構設計，優化散熱方式有助于改善整個系統的制冷效率。由于半導體空調熱端散熱量是冷端吸熱量的2～5倍[7]，所以重點解決好其散熱問題將對制冷效率的提高起到至關重要的作用。曾經有制冷學者對半導體制冷熱端散熱方式對系統制冷性能影響進行了理論分析和實驗研究[8]，相同情況下，不同的散熱方式半導體空調性能見表2。

表2 相同工況下熱端散熱方式性能比較

從表2中可以看出風冷散熱形式半導體空調的能效比較低；而采用熱管冷卻優于強制對流空氣冷卻，但卻無法超過水冷方式；采用水冷較理想，但水冷表面一旦積垢，傳熱性能會有所下降。由此可知，三種散熱方式都存在不足之處，設計時應根據實際情況選擇合理的散熱方式。

5 工作電流

當熱電單元冷熱端溫度TC、TH一定時，還存在一個與最佳制冷系數C O Pmax對應的最佳電流I0。半導體空調工作并非在某一固定不變的工況下，隨著工況的改變和負荷的變化，需要通過調節工作電流來調節冷熱端溫度TC、TH，以滿足空調環境負荷的需求。當冷熱端換熱系數一定時，空調工作電流的選取存在另一個最佳值I0。

四 太陽能半導體空調系統的技術現狀及應用前景

半導體制冷技術是20世紀50年代才發展起來的新技術，與實用的晶體硅太陽電池研制成功的時間差不多。現在，太陽電池的效率已由20世紀50年代初的6%提高到目前的17%(單晶硅太陽電池)、16%(多晶硅太陽電池)、9%～11%(非晶硅太陽電池)。與此同時，隨著半導體生產技術的提高，半導體制冷技術取得了長足的進步，半導體制冷器的制冷系數也有了很大的提高。20世紀50年代初為0.9，目前已大于2.0[4]，接近于現在的常規壓縮式空調，其制冷系數為2.5～2.8。目前，研究部門正在加大力度研究半導體制冷材料及其生產技術，其制冷系數即將大幅度提高，可與常規空調的制冷系數相比擬。

在太陽電池研究方面，納米晶體化學太陽電池(簡稱NPC電池)轉換效率的穩定性已達11%以上，其廉價的成本和簡單的制作工藝以及穩定的性能令人鼓舞，其制作成本僅為5～7元/Wp，是硅太陽電池的1/5～1/10，其壽命在20年以上，估計今后幾年該電池將逐步走上市場[9]。這樣，太陽能半導體空調系統的電源——太陽電池陣列的成本將會大幅度下降，為太陽能半導體空調技術的實用化奠定了基礎。屆時，高效率低成本的太陽能半導體空調系統也將投放市場，安全、節能、清潔、無噪音的太陽能半導體空調系統將為千家萬戶帶來舒適的生活環境，同時還減少空調的使用成本。

五 結語

太陽能半導體空調技術是一種新型的制冷技術，因其具有節能、環保、結構簡單等特點而受到世界各國的重視，然而關鍵技術存在的問題和成本較高一直是制約太陽能半導體空調系統應用的兩大瓶頸。隨著世界各國制冷學者加大對太陽能半導體空調系統的研究，尤其是對半導體制冷關鍵技術的研發、新材料及相關技術的發展、熱電效率的改善、系統成本的降低，將會大大推動太陽能半導體空調系統在國防、工業、農業及日常生活中的應用。相信在不久的將來，這項環保節能的新技術產品，將會給國家和人民帶來巨大的經濟效益和社會效益。

[1]郭裕亮. 能源挑戰促進技術創新[J]. 電子技術, 2005, 32(11):80.

[2]黎洪. 制冷空調工程節能技術的發展前景[J]. 能源與環境, 2007,(6): 32－33.

[3]徐德勝. 半導體制冷與應用技術[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 1999.

[4]杜海龍, 齊朝暉, 匡驍. 太陽能熱電空調理論研究與性能分析[J]. 制冷空調與電力機械, 2007, 28(3): 22－25.

[5]VenkatasubramanianR, Siivola E, Colpitts T, et al. Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit[J]. Nature, 2001, 413(6856): 597－602.

[6]徐亞東, 徐桂英, 葛昌純. 新型熱電材料的研究動態[J]. 材料導報, 2007, 21(11): 1－3.

[7]陳桔. 散熱方式影響半導體制冷效率的實驗研究[J]. 實驗科學與技術,2005, 3(4): 27,4.

[8]許志浩, 陳桔. 半導體制冷在空調中應用的研究[J]. 四川制冷,1996, (3): 25－27.

[9]劉向陽, 孫國鋒, 尚仲偉. 染料敏化太陽電池的研究現狀及發展趨勢[J]. 洛陽師范學院學報, 2006, 25(2): 51－55.