基于太陽能的半導體制冷系統設計

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

盛夏烈日下，露天停車場，汽車內溫度高達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，長期開動發動機來帶動空調，不僅會影響發動機壽命，同時造成環境污染[1]。目前半導體制冷技術在很多方面都取得了成功的應用，例如戶外制冷裝置，集成電路溫控裝置等。本系統綜合了半導體制冷技術和光伏發電技術，將太陽能電池板產生的電能驅動半導體制冷片，電流經半導體制冷片產生帕爾貼效應下，達到制冷作用[2]。太陽能板安裝于汽車頂部，在陽光照射下產生電能驅動半導體制冷片，起到降低車內溫度作用，同時為車內蓄電池充電。這種將露天狀態下的太陽能通過太陽能板轉化為電能，再經由半導體制冷片，起到對汽車降溫作用，創造車內舒適環境，延長汽車內飾壽命[3]。

1 半導體制冷原理

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

圖1 半導體制冷系統原理圖

2 制冷裝置設計

2.1 制冷裝置系統方案

圖2為太陽能半導體制冷裝置框圖，系統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換設備、控制器、整流器、蓄電池構成，其利用光伏效應，用太陽能板將太陽輻射能轉換為電能，驅動負載(制冷模塊)；制冷模塊主要由半導體熱制冷片、散熱設備、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生電流，經過整流器轉換成穩定的直流電壓，驅動半導體制冷片，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 太陽能半導體制冷系統

2.2 半導體制冷元件的選擇

目前，半導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體制冷片，其中的TEC1-12704、TEC1-12708為單級半導體制冷片(可級聯提高制冷溫差)，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”指器件為陶瓷板結構，“1”指器件級數為1，“127”指制冷片電偶對數，“08”指器件最大溫差電流為8A。表1是對TEC1-12704和TEC1-12708制冷片參數做比較。本系統選擇TEC1-12708制冷片進行實驗測試。

表1 半導體制冷片的參數

理想情況下，半導體制冷片制冷量Qc：

式中：Qc為制冷量，W；Tc為半導體冷端溫度,℃;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，其中αn為N型半導體材料對應系數，αp為P型半導體材料對應系數；K為電偶傳熱系數；ΔT為冷熱端溫差，℃[7]。

由半導體制冷量知，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，半導體冷熱端不同溫差影響到制冷系數，制冷系數直接決定實際制冷功率：

當ΔT=30 ℃時，Qc=0.6Qcmax

當ΔT=40 ℃時，Qc=0.46Qcmax

由半導體參數和Qc=0.46Qcmax可知其實際制冷功率Qc=34.04W。設計時系統制冷空間的冷負荷應該小于半導體實際制冷量，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，系統采用多晶硅板。另外系統負荷應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，依據經驗制冷片的制冷系數取0.3，依此算出制冷片的功率P1為

系統散熱采用風冷方式，實驗時需在制冷片熱端安裝2個額定功率為5 W風扇，冷端安裝2個額定功率為2 W的風扇，另外加上系統自身的能耗，實驗選擇3塊250 W多晶硅電池板[8]。在輻照度1 000 W/m2，環境溫度25 ℃，標準光譜為1.5時，其電池板參數：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 測溫模塊設計

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

圖3 測溫測量系統

3 系統性能測試

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

3.1 驅動電壓與冷熱端溫度關系測試

表2 不同驅動電壓制冷片冷熱端溫度

3.2 制冷量與實際輸入功率關系測試

測試時，改變制冷片輸入電壓，發現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。測試結果如圖4所示，其標出了實際輸入功率、制冷量隨電壓的變化坐標圖。由圖4可知：當制冷片驅動電壓：2V→14 V，實際輸入功率：6.86 W→74.36 W，幅度為67.5 W，并且增速穩定；制冷量：5.44 W→22.28 W，幅度為16.84 W，驅動電壓達到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 制冷系數與實際輸入功率關系測試

制冷量與輸入功率的比值是制冷系數，在系統運行時，由于系統自身及輔助裝置的額外功耗，片面追高制冷系數無實際意義。通常實際制冷系數是體現制冷裝置性能重要參數，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、實際制冷系數隨電壓的變化坐標圖。由圖5可知：制冷片的驅動電壓的增大，制冷系數一直呈逐漸減小趨勢；但實際制冷系數先增大，電壓達到4V后，實際制冷系數也逐漸減小。綜合圖4圖5分析，導致這種現象的主要原因是：當驅動電壓：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%，而實際制冷系數卻升高；當驅動電壓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%，系統實際制冷系數不升反降。

圖5 制冷系數與實際制冷系數隨電壓的變化

通過以上測試可得出：當半導體TEC1-12708制冷片驅動電壓為2～6 V時可獲得較大實際制冷系數，而驅動電壓為10～14 V時可獲得較大制冷量。

4 結 論

本文闡述了太陽能半導體制冷的基本原理，對實驗

系統冷負荷進行了估算。在此基礎上，完成了太陽能半導體制冷系統實驗平臺的元件選擇和該系統的設計與搭建及其性能實驗。測試時，通過調節制冷片驅動電壓，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隨電壓先增大至臨界點，隨后呈指數減小[11]。可得出結論：當制冷片驅動電壓為4 V左右，可獲得最佳實際冷系數；當制冷片驅動電壓為12 V左右，可獲得最大制冷量。該結果為半導體制冷裝置的安裝調試提供一定的參考依據。隨著清潔無噪音半導體制冷技術日益成熟，其應用也會越來越普及。