太陽能半導體制冷的實驗研究與數值分析

卞 之 王紅晨

(海南師范大學物理與電子工程學院 海口 571158)

太陽能半導體制冷的實驗研究與數值分析

卞 之 王紅晨

(海南師范大學物理與電子工程學院 海口 571158)

建立了以水為熱交換媒介的太陽能光伏半導體制冷模塊實驗系統。制冷裝置模塊化，用以適應制冷功率變化較大的不同空間布局，通過太陽能光電半導體制冷實驗獲得了不同工作狀態下電流、制冷量、制冷系數等重要參數，該參數可為確定系統最佳工作區域提供可靠依據。給出了太陽能熱電制冷系統組合方案，介紹了一種新型組合式半導體制冷器和半導體熱電發電裝置，其數值計算的結構參數、最大制冷系數和制冷率等重要參數以及熱電器件最佳工作區域和結構參數的最優范圍，可為系統優化設計的配置提供理論上的指導。

太陽能制冷 半導體制冷 熱電制冷 半導體熱電裝置

1 引言

半導體材料具有良好的熱電能量轉換特性，其熱電效應由塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應和傅立葉效應等5種效應組成，其中前3種表征電能和熱能相互轉換是直接可逆的，后兩種效應是熱的不可逆效應。利用半導體熱電能量轉換互逆特性，半導體既可以用做熱電制冷器件，也可以用做電力驅動，既可通過光—電—冷途徑，也可通過熱—電—冷的途徑，進行熱能傳遞實現制冷。

熱電制冷器在不同的需求傾向和應用場合下，其最佳工作參數是不同的。研究確定一定條件下熱電制冷器的最佳工作參數、工作區域和參數之間的關系，以及相應的影響因素既有理論意義又有實際應用價值。

2 太陽能光電半導體制冷的實驗研究

太陽能光電半導體制冷采取模塊化實驗研究。實際應用可根據不同空間布局、不同冷量需求串并聯制冷模塊形成制冷矩陣［1］。實驗用制冷模塊由3片串聯再兩組并聯的6片制冷片構成。制冷片型號為TEC1-12706，外部結構尺寸40 mm×40 mm×3.8 mm，最大溫差電流6.0 A，最大溫差電壓14.7 V，每片最大制冷功率51.4 W，制冷模塊的最大制冷功率308 W。制冷模塊冷端用內徑為2 mm的紫銅盤管盤旋成一個平面，并焊接在厚度為3 mm的紫銅薄板上，盤管里通以一定流量的冷凍介質;制冷模塊熱端散熱采取橫排單管豎排多列方管道結構，冷卻水從橫管分流到多列豎管，再匯集到橫管從出口流出。

實驗給出了半導體制冷模塊的制冷量Q，輸入功率W，制冷系數ε隨電流I變化的曲線圖(圖1)。其制冷效率與輸入電流密切相關。電流太小，制冷輸出功率不足，電流太大，焦耳熱增加，加重制冷負荷。實際最大制冷量Qmax約180 W，為其理論上最大制冷功率的60%，但此時的制冷系數卻很小;而在較大制冷系數εmax狀態下的電流Io很小，制冷量Q也很小，在曲線Q與W的交點E，IE=2.9 A，ε=1，QE=170 W，制冷量為最大制冷量的55%，此即等功率狀態［2］。制冷量Q從QE增大到Qm，以很小的斜率變化，增長量很小，但功耗W則以很大的斜率從WE增長至Wm，其增長率很大，從E點到M點，制冷系數ε則迅速下降。在電流處于I0至Im的區間內，必定存在一個特殊的工作點S，它既具有較大的制冷量，同時又具有較小的功耗，此即綜合效益最佳工作點 S［2］。εmax、Qmax、E、S 4 個狀態點及其所對應的電流值 I0、Im、IE、Is匯集于表 1。

圖1 Q，W，ε隨電流I的變化曲線Fig.1 Q，W，ε dependence of current I

表1 4個狀態點制冷性能對比表(TC=287.2 K，TH=307.0 K，ΔT=19.8 K)Table 1 Four kinds of conditions performance comparison(TC=287.2 K，TH=307.0 K，ΔT=19.8 K)

3 太陽能熱電半導體制冷的數值分析

3.1 熱電制冷組合器件

太陽能熱電半導體制冷，即通過太陽的輻照，在熱電器件兩端產生溫差，繼而產生電力，以熱—電—冷的途徑進行熱能傳遞，由此驅動半導體制冷器實現制冷。溫差發電和半導體制冷組合器件如圖2［3］所示。熱電發生器由m對P型和N型半導體元件組成，工作在溫度為Th的熱端和溫度為T0的熱沉之間，制冷器由n對P型和N型半導體制冷元件組成，工作在溫度為Tc的制冷空間和溫度為T0的熱沉之間，組合系統總的半導體元件對數為M=m+n，熱電發生器的元件與制冷器電串聯、熱并聯，Qh和Qc分別是溫度為Th的儲熱器傳給熱電發生器的熱量和溫度為Tc被制冷空間傳給制冷器的熱量。Q01和Q02分別是從熱電發生器和制冷器廢棄給溫度為T0的熱沉的熱量。

3.2 熱力學基本理論及參數的優化設計

根據非平衡熱力學理論［4］有下式:

圖2 半導體熱電器件組合示意圖Fig.2 Schematic diagram of combined system of semicon ductor thermoelectric devices

式中:a、R和K分別是半導體熱電偶元件的塞貝克系數、電阻和傳熱系數。根據能量守恒定律，由上4式可以推算組合系統內部結構參數x。

式中:τ1=T0/Th，τ2=Tc/T0，τ = τ1τ2=Tc/Th，τ1、τ2、τ分別是熱沉溫度與儲熱器溫度的比值、制冷空間溫度與熱沉溫度的比值、制冷空間溫度與儲熱器溫度的比值，j=aI/K是單位面積電流，Z=a2/KR是半導體熱電偶元件的優值系數。

根據上述熱力學基本關系式可以推導出組合系統的制冷系數和半導體熱電元件的制冷率:

根據式(6)和(7)，可以給出如圖3所示的組合系統特性曲線。ZT0=1，τ1=0.7和τ2=0.9是特選值，εm是制冷率最大值rmax對應的制冷系數，rm是制冷系數最大值εmax對應的無量綱制冷率。從圖3還可以看出，在組合系統工作的區域，當ε隨r變化的曲線上有一基本恒定的斜率時，制冷率將隨著制冷系數減小而減小，但不是系統最佳工作區。而在系統工作在最佳區域時，ε隨r變化的曲線上每一點斜率都在變化，系統工作在這個區域時，制冷率將隨制冷系數的減小而增加。因此，制冷系數和制冷率最佳區域應是:

圖3 組合系統的r隨ε變化曲線Fig.3 Versus curve of combined system at ZT0=1，τ1=0.7，τ2=0.9

根據式(6)、(7)及其極值條件，可以由下式計算最大制冷系數εmax對應的單位面積電流jm(εmax)和最大制冷率rmax對應的單位面積電流jm(rmax)。

把式(10)和(11)的解代入式(5)，可以得到相應的器件內結構參數

xm(εmax)是制冷系數最大值對應的內部結構參數，xm(rmax)是制冷率最大值對應的內部結構參數。為了保證制冷系數和制冷率最佳值在最佳區域內，器件內結構參數不能任意選擇，根據式(8)、(9)確定的器件內結構參數的最佳區域

對于不同的τ1和τ2值，組合系統器件內結構參數對應值也不同。給一定值τ2，參數xm(εmax)和xm(rmax)將隨τ1增大而增大;當給一定值τ1時，參數xm(εmax)和xm(rmax)將隨τ2增大而減小。

4 結論

太陽能光電半導體制冷模塊通過實驗可獲得最大制冷量、最大制冷系數、等功率、最佳綜合效益等不同工作狀態下電流值等重要參數，該參數為傾向性選擇最佳工作區域提供可靠有價值的參考依據。

太陽能熱電器件組合系統在給定熱沉溫度與儲熱器溫度的比值、制冷空間溫度與熱沉溫度的比值和半導體熱電偶元件的優值系數與熱沉溫度乘積值的情況下，通過數值計算可獲得如下重要參數:最大制冷系數及其對應的單位面積電流和最大制冷率對應的單位面積電流，制冷率最大值對應的制冷系數，制冷系數最大值對應的無量綱制冷率，制冷系數最大值對應的內部結構參數，制冷率最大值對應的內部結構參數。這些參數對于確定制冷系統的最佳工作區域極其實用非常重要。

1 卞 之，潘宇婧，齊臣杰.太陽能半導體空調制冷裝置模塊化實驗研究［J］.半導體技術，2009，34(11):791-794.

2 齊臣杰，卞 之，劉 杰.半導體制冷器優化設計工作狀態的實驗研究［J］.低溫工程，2007(1):43-46.

3 Chen Xiaohang，Lin Bihong，Chen Jincan.The parametric optimum design of a new combinedApplied system of semiconductor thermoelectric devices［J］.Energy，2006，83:681-686.

4 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.

Experiment and numerical analysis of semiconductor refrigeration by using solar

Bian ZhiWang Hongchen

(Institute of Physics and Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou 571158，China)

In order to make the modularization of refrigeration plant，an experimental system of solar thermoelectric semiconductor refrigeration module was established by using of water as the heat exchange medium.The important parameters such as current，refrigerating capacity and refrigerating coefficient etc.in different working conditions were obtained in this experiment.The parameters obtained could provide reliable the basis of determining the best working area in experimental system.Meanwhile，the combination semiconductor refrigerator with thermoelectric power generator solutions of solar thermoelectric refrigeration system was put forward.The numerical value by calculation such as structural parameters，the maximum refrigerating coefficient and refrigerating rate，the best working area of thermoelectric devices could provide theoretical guidance for design and configuration of system optimization.

solar energy refrigerate;semiconductor refrigeration;thermoelectric cooling;semiconductor thermoelectric devices

TB663

A

1000-6516(2012)01-0065-04

2011-11-10;

2012-01-18

海南省重點科技計劃項目(ZDXM20100069)資助。

卞 之，女，49歲，副教授。