基于太陽能半導(dǎo)體制冷空氣取水裝置性能研究

歷德義， 鄧博文， 盧宏宇， 王 瑩， 陳東生

(上海電力學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

利用太陽能發(fā)電[1]、半導(dǎo)體表面制冷和結(jié)露法相結(jié)合進(jìn)行取水，這不僅不會產(chǎn)生環(huán)境污染，而且還能減輕二氧化碳、二氧化硫以及粉塵的排放。半導(dǎo)體制冷空氣取水法不使用化學(xué)物質(zhì)，凝結(jié)水的水質(zhì)優(yōu)良，非常適合在沙漠地區(qū)凝水或者進(jìn)行海水淡化。沙漠地區(qū)白天一般日照充足，有利于太陽能發(fā)電，夜間溫度較低且濕度較大，這種特殊的環(huán)境十分有利于半導(dǎo)體制冷空氣取水。海上空氣濕度較大，日照也相對充足，利用半導(dǎo)體制冷空氣取水的可行性也較高。

1 系統(tǒng)原理

1.1 光伏發(fā)電的基本原理

太陽能電池是一種將太陽光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體光伏器件，它是基于半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)[2]。當(dāng)光線照射到半導(dǎo)體的表面時，半導(dǎo)體吸收的光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度時，原子中的價電子會受到激發(fā)，從價帶躍過到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生大量的電子-空穴對。它們在內(nèi)建電場的作用下分離，電子和空穴分別在N區(qū)和P區(qū)積聚，從而產(chǎn)生光生電壓。當(dāng)電池正、負(fù)極接入負(fù)載時，負(fù)載上便有光生電流流過，即光生載流子反向越過勢壘形成光生電流[5-6]，從而實(shí)現(xiàn)了光能轉(zhuǎn)換成電能[9]。

1.2 半導(dǎo)體制冷的基本原理

半導(dǎo)體制冷利用的是熱電制冷效應(yīng)[7]。熱電偶對[8]是制冷材料的基本單元，它是將若干個N型半導(dǎo)體元件和一只P型半導(dǎo)體元件連接而成，如圖1所示。

圖1 熱電制冷器件示意圖

半導(dǎo)體兩端接上直流電源時，P型半導(dǎo)體的電流方向是從N到P，電子在外電場力作用下做功，為了獲得更多的動能，從周圍環(huán)境吸熱，P型半導(dǎo)體形成冷端；相反，對于N型半導(dǎo)體來講，電流方向從P到N，電子克服外電場力作用下做功，動能減少，向周圍環(huán)境放熱，溫度上升，N型半導(dǎo)體形成熱端[9-11]。兩端分別吸收熱量和放出熱量，將多對熱電偶連接便構(gòu)成常用的熱電堆，就可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的[12]。

2 系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建

2.1 太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)計

實(shí)驗(yàn)采用太陽能光伏系統(tǒng)的簡易模型，由太陽能電池、控制器、蓄電池等部件組成。控制器可以將直流電供于直流負(fù)載[13-14]，也可調(diào)節(jié)電力存儲與使用。連接逆變器后也可給交流負(fù)載供電，系統(tǒng)裝置圖如圖2所示。

圖2 太陽能光伏系統(tǒng)實(shí)物圖[15]

2.2 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的設(shè)計

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)由半導(dǎo)體制冷片、導(dǎo)冷塊、散熱片、隔熱墊、散熱風(fēng)扇，電源控制器，溫度計等部件組成，如圖3所示。

此外，增加強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，在自然空氣對流散熱的基礎(chǔ)上，熱端增加散熱風(fēng)扇[16]，使得制冷組件的工作環(huán)境為流動空氣。通過提高空氣流速來提升空氣與熱端接觸面積，有效地提高了散熱效果。散熱風(fēng)扇體積小，使用靈活，產(chǎn)品噪音也是可以接受的。總的實(shí)物效果圖如圖4所示。

圖3 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 冷凝水的理論計算

太陽能半導(dǎo)體制冷空氣取水的計算公式[17]：

mn=ms(d1-d2)

(1)

其中：mn為凝結(jié)水的質(zhì)量；ms為濕空氣的質(zhì)量；d2為冷凝后飽和濕空氣的含濕量；d1為初始狀態(tài)的濕空氣的含濕量[18]。

在穩(wěn)定狀態(tài)下制冷片結(jié)露取水的能量守恒方程為[19]：

Q=msΔh/t+ΔQ

(2)

其中：Q為制冷片的制冷能力；Δh為空氣在通過制冷片前后的焓差[20]；ΔQ為通過壁面的冷量損失；t為處理空氣需要的時間。

通過實(shí)驗(yàn)所測的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 常壓下制冷前、后的數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)裝置采用的制冷箱內(nèi)尺寸530 mm×420 mm×330 mm，其容積V=0.073 5 m3， 空氣密度ρ=1.195 kg/m3。ms=Vρ=0.088 kg，mn=0.489 g。

4個制冷片組成裝置的制冷能力Q=4×4.723×12.237=231.2 W，處理空氣過程需要能量：ms·Δh=2 385.05 W·s，t=0.19 min。1 h內(nèi)裝置可生成水量m=0.088×60/0.19=27.68 g。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

下述實(shí)驗(yàn)溫度均保持20 °C，通過改變濕度進(jìn)行探索，每隔1 h，采用天平稱重收集到的冷凝水，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 濕度維持在85%和60%的凝水結(jié)果

實(shí)驗(yàn)分析：

(1) 不同濕度下取水量之間的比較。根據(jù)上述提供的公式進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，實(shí)驗(yàn)溫度為20 °C，濕度分別為85%和60%，計算太陽能半導(dǎo)體制冷取水的質(zhì)量。從圖5可以看出，濕度在較低情況下，裝置的理論制水的質(zhì)量較低。在溫度一定時，濕度越高，裝置的取水效率越高，取水的效果越好。這是因?yàn)樵跍囟炔蛔兊那闆r下，露點(diǎn)溫度隨著空氣濕度的增高而越高，若將已達(dá)到露點(diǎn)的空氣繼續(xù)降溫，則空氣中的水分開始凝結(jié)成水滴。所以，濕度越大的空氣露點(diǎn)的溫度越高，制冷設(shè)備的溫度下降，就會制取更多的水。

(2) 濕度相同實(shí)驗(yàn)質(zhì)量與理論質(zhì)量之間的比較。試驗(yàn)中，測得裝置的實(shí)際取水量，可以看出裝置的取水效率是與濕度有關(guān)的，這點(diǎn)是與理論的計算一致的。但是從圖中可以看出，濕度相同的情況下，理論的數(shù)據(jù)比實(shí)際的數(shù)據(jù)偏高。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體的制冷效果是有一定限制的，受環(huán)境影響較大。其次太陽能電池板的能量轉(zhuǎn)化率不高，導(dǎo)致蓄電池提供的能量不夠，半導(dǎo)體的制冷效果不好。因此，半導(dǎo)體制冷取水的質(zhì)量總是小于理論計算的數(shù)據(jù)。

3.3 日常生活中裝置的運(yùn)行結(jié)果

蓄電池白天通過太陽能發(fā)電進(jìn)行充電，晚上為制冷組件供電。通過測量5月13日～5月22日夜間溫度及濕度，溫度一般位于18～24 °C，濕度一般位于70%～85%，十分利于制冷組件在理想的環(huán)境下工作。

5月13日測得晚間環(huán)境溫濕度及制水量如圖6、7所示。

本次實(shí)驗(yàn)，理論值選用22 ℃、75%濕度，20 ℃、80%濕度，20 ℃、85%濕度進(jìn)行計算，實(shí)際值通過夜間

圖6 濕度、溫度變化圖

圖7 實(shí)際工作凝水圖

記錄的數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)溫度高于24.2 ℃，濕度在64%以下，裝置是沒有水制出的。這個情況是與理論的結(jié)果相符的。

(2) 當(dāng)溫度位于18～24 ℃，濕度位于70%～85%時，這種環(huán)境十分有利于制冷取水。

(3)從本次的室外數(shù)據(jù)來看，理論數(shù)據(jù)和實(shí)際結(jié)果是比較接近的。理論值選用20 ℃、80%的濕度進(jìn)行計算，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中溫濕度均存在變化，與理論計算結(jié)果存在偏差是必然的結(jié)果。但是本次室外的數(shù)據(jù)取得與理論計算相近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了太陽能半導(dǎo)體制冷空氣取水的可行性。

4 結(jié) 語

太陽能半導(dǎo)體制冷空氣取水裝置利用白天太陽能進(jìn)行發(fā)電和儲存電，夜間制冷系統(tǒng)利用蓄電池中的電工作。在溫度位于18～24 ℃，濕度位于70%～85%，這種理想的工作環(huán)境下，平均1 h制取水量為43 g，可見凝水效果明顯。

近些年，隨著我國太陽能光伏電站的規(guī)模不斷增加，對于增設(shè)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)提供了有利的平臺，將空氣中水分提取出供人們使用提供了更多可能性。在提高新能源理念的同時，也改善人民生活水平。