基于太陽能的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)設(shè)計

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

盛夏烈日下，露天停車場，汽車內(nèi)溫度高達60 ℃以上，汽車的性能和生命周期都受到影響，如果汽車在停車狀態(tài)，長期開動發(fā)動機來帶動空調(diào)，不僅會影響發(fā)動機壽命，同時造成環(huán)境污染[1]。目前半導(dǎo)體制冷技術(shù)在很多方面都取得了成功的應(yīng)用，例如戶外制冷裝置，集成電路溫控裝置等。本系統(tǒng)綜合了半導(dǎo)體制冷技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)，將太陽能電池板產(chǎn)生的電能驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片，電流經(jīng)半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)生帕爾貼效應(yīng)下，達到制冷作用[2]。太陽能板安裝于汽車頂部，在陽光照射下產(chǎn)生電能驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片，起到降低車內(nèi)溫度作用，同時為車內(nèi)蓄電池充電。這種將露天狀態(tài)下的太陽能通過太陽能板轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)由半導(dǎo)體制冷片，起到對汽車降溫作用，創(chuàng)造車內(nèi)舒適環(huán)境，延長汽車內(nèi)飾壽命[3]。

1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷原理圖如圖1所示。半導(dǎo)體制冷片基本單元，是一種半導(dǎo)體熱電偶對，由一片P型半導(dǎo)體和一片N型半導(dǎo)體連接構(gòu)成。當(dāng)給這種半導(dǎo)體制冷片基本單元通直流電時，依據(jù)帕爾帖效應(yīng)，在半導(dǎo)體熱電偶對兩種材料(P型和N型)接點處產(chǎn)生溫度差。溫度升高位置稱為熱端，其電流由P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體；反之，溫度下降位置稱為冷端，電流由N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體[4-5]。半導(dǎo)體制冷片構(gòu)成的制冷裝置，主要涉及輸入功率、制冷量和制冷系數(shù)等參數(shù)。其制冷性能的提高，除了其本身材料和制作工藝的因素外，還與驅(qū)動電壓和制冷片散熱方式有關(guān)。

圖1 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)原理圖

2 制冷裝置設(shè)計

2.1 制冷裝置系統(tǒng)方案

圖2為太陽能半導(dǎo)體制冷裝置框圖，系統(tǒng)可分為制冷模塊和電源模塊兩大部分。電源模塊主要由太陽能光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、控制器、整流器、蓄電池構(gòu)成，其利用光伏效應(yīng)，用太陽能板將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動負載(制冷模塊)；制冷模塊主要由半導(dǎo)體熱制冷片、散熱設(shè)備、溫度檢測模塊等組成。裝置工作流程為：光伏電池板在太陽光照射下產(chǎn)生電流，經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片，制冷片的冷端對箱體降溫(同時為蓄電池充電)，達到制冷作用。

圖2 太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)

2.2 半導(dǎo)體制冷元件的選擇

目前，半導(dǎo)體制冷片供選擇型號較多，TEC1系列制冷片就是一種性價比較高的半導(dǎo)體制冷片，其中的TEC1-12704、TEC1-12708為單級半導(dǎo)體制冷片(可級聯(lián)提高制冷溫差)，該制冷片冷熱兩端可直接和散熱裝置相連，使用極為方便。TEC1-12708制冷片型號含義：“TE”指器件為溫差電制冷器件，“C”指器件為陶瓷板結(jié)構(gòu)，“1”指器件級數(shù)為1，“127”指制冷片電偶對數(shù)，“08”指器件最大溫差電流為8A。表1是對TEC1-12704和TEC1-12708制冷片參數(shù)做比較。本系統(tǒng)選擇TEC1-12708制冷片進行實驗測試。

表1 半導(dǎo)體制冷片的參數(shù)

理想情況下，半導(dǎo)體制冷片制冷量Qc：

式中：Qc為制冷量，W；Tc為半導(dǎo)體冷端溫度,℃;I為回路中電流，A；R為制冷片電臂電阻，Ω;αn、αp為塞貝克系數(shù)，其中αn為N型半導(dǎo)體材料對應(yīng)系數(shù)，αp為P型半導(dǎo)體材料對應(yīng)系數(shù)；K為電偶傳熱系數(shù)；ΔT為冷熱端溫差，℃[7]。

由半導(dǎo)體制冷量知，欲使制冷片的制冷功率達到最大值，制冷片冷熱端溫差ΔT=0 ℃，但在實際測試過程中，由于制冷片冷熱端的散熱強度有限，冷熱兩端溫差ΔT實際不可能為0，所以制冷片的最大制冷功率只是理論上的值，實際制冷功率達不到理論值得。有研究表明，半導(dǎo)體冷熱端不同溫差影響到制冷系數(shù)，制冷系數(shù)直接決定實際制冷功率：

當(dāng)ΔT=30 ℃時，Qc=0.6Qcmax

當(dāng)ΔT=40 ℃時，Qc=0.46Qcmax

由半導(dǎo)體參數(shù)和Qc=0.46Qcmax可知其實際制冷功率Qc=34.04W。設(shè)計時系統(tǒng)制冷空間的冷負荷應(yīng)該小于半導(dǎo)體實際制冷量，通常制冷空間負荷為理論負荷值的1.5倍，依此計算出制冷負荷為102 W，為達到預(yù)期制冷效果，制冷裝置采用4片TEC1-12708制冷片進行測試。

2.3 太陽能電池板的選擇

目前，太陽光伏板類型有多晶硅、單晶硅和薄膜型三種，考慮到性價比，系統(tǒng)采用多晶硅板。另外系統(tǒng)負荷應(yīng)小于太陽光伏板的輸出功率，前面推出制冷空間冷負荷Q=102 W，依據(jù)經(jīng)驗制冷片的制冷系數(shù)取0.3，依此算出制冷片的功率P1為

系統(tǒng)散熱采用風(fēng)冷方式，實驗時需在制冷片熱端安裝2個額定功率為5 W風(fēng)扇，冷端安裝2個額定功率為2 W的風(fēng)扇，另外加上系統(tǒng)自身的能耗，實驗選擇3塊250 W多晶硅電池板[8]。在輻照度1 000 W/m2，環(huán)境溫度25 ℃，標(biāo)準(zhǔn)光譜為1.5時，其電池板參數(shù)：短路電流8.7 A，最大功率工作電壓30.6 V，最大功率工作電流8.2 A，最大輸出功率250 W。

2.4 測溫模塊設(shè)計

在實驗過程中，需要對制冷片冷端、熱端、制冷箱體和環(huán)境的溫度進行測量，以觀測裝置制冷效果。設(shè)計測溫裝置如圖3所示，其采用四路數(shù)字溫度傳感器DS18b20與單片機STC89C52構(gòu)成四點溫度測溫系統(tǒng)，LCD12864液晶顯示四路溫度傳感器的測量溫度值[9]。設(shè)計的測溫模塊結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境下現(xiàn)場溫度的測量。

圖3 測溫測量系統(tǒng)

3 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)實驗平臺搭建完成后，為了測試方便，太陽能板用5A直流可調(diào)電源代替，制冷片熱端時采用風(fēng)冷散熱。通電后10 min后，測得半導(dǎo)體冷端，熱端，制冷空間及環(huán)境四點溫度。隨后通過改變制冷片兩端電壓。完成了制冷片驅(qū)動電壓與制冷片冷熱端溫度關(guān)系測試；制冷量與實際輸入功率關(guān)系測試；制冷系數(shù)與實際輸入功率關(guān)系測試。

3.1 驅(qū)動電壓與冷熱端溫度關(guān)系測試

表2 不同驅(qū)動電壓制冷片冷熱端溫度

3.2 制冷量與實際輸入功率關(guān)系測試

測試時，改變制冷片輸入電壓，發(fā)現(xiàn)實際輸入功率和制冷量均增加，且實際輸入功率增加量高于制冷量增加量。測試結(jié)果如圖4所示，其標(biāo)出了實際輸入功率、制冷量隨電壓的變化坐標(biāo)圖。由圖4可知：當(dāng)制冷片驅(qū)動電壓：2V→14 V，實際輸入功率：6.86 W→74.36 W，幅度為67.5 W，并且增速穩(wěn)定；制冷量：5.44 W→22.28 W，幅度為16.84 W，驅(qū)動電壓達到6 V后，增速明顯減緩。

圖4 制冷量與實際輸入功率隨電壓的變化

3.3 制冷系數(shù)與實際輸入功率關(guān)系測試

制冷量與輸入功率的比值是制冷系數(shù)，在系統(tǒng)運行時，由于系統(tǒng)自身及輔助裝置的額外功耗，片面追高制冷系數(shù)無實際意義。通常實際制冷系數(shù)是體現(xiàn)制冷裝置性能重要參數(shù)，通過制冷量與實際輸入功率的比值得到[10]。圖5為制冷系數(shù)、實際制冷系數(shù)隨電壓的變化坐標(biāo)圖。由圖5可知：制冷片的驅(qū)動電壓的增大，制冷系數(shù)一直呈逐漸減小趨勢；但實際制冷系數(shù)先增大，電壓達到4V后，實際制冷系數(shù)也逐漸減小。綜合圖4圖5分析，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)驅(qū)動電壓：2V→4 V，制冷量：5.43→W13.87 W，增幅為155%，實際輸入功率：6.87 W→12.39 W，增幅為80.5%，而實際制冷系數(shù)卻升高；當(dāng)驅(qū)動電壓4 V→14 V，制冷量：12.37 W→22.27 W，增幅為80%，實際輸入功率：12.37 W→74.35 W，增幅為500.6%，系統(tǒng)實際制冷系數(shù)不升反降。

圖5 制冷系數(shù)與實際制冷系數(shù)隨電壓的變化

通過以上測試可得出：當(dāng)半導(dǎo)體TEC1-12708制冷片驅(qū)動電壓為2～6 V時可獲得較大實際制冷系數(shù)，而驅(qū)動電壓為10～14 V時可獲得較大制冷量。

4 結(jié) 論

本文闡述了太陽能半導(dǎo)體制冷的基本原理，對實驗

系統(tǒng)冷負荷進行了估算。在此基礎(chǔ)上，完成了太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)實驗平臺的元件選擇和該系統(tǒng)的設(shè)計與搭建及其性能實驗。測試時，通過調(diào)節(jié)制冷片驅(qū)動電壓，制冷片制冷量隨電壓的增加而增加，但增幅趨緩；制冷片的實際制冷系數(shù)隨電壓先增大至臨界點，隨后呈指數(shù)減小[11]?？傻贸鼋Y(jié)論：當(dāng)制冷片驅(qū)動電壓為4 V左右，可獲得最佳實際冷系數(shù)；當(dāng)制冷片驅(qū)動電壓為12 V左右，可獲得最大制冷量。該結(jié)果為半導(dǎo)體制冷裝置的安裝調(diào)試提供一定的參考依據(jù)。隨著清潔無噪音半導(dǎo)體制冷技術(shù)日益成熟，其應(yīng)用也會越來越普及。