（制冷及低温工程专业论文）太阳能半导体冷箱性能的理论分析及实验研究.pdf

量 。札 - 4 摘要 本文以研制可实现制冷、满足食品冷藏功能的太阳能半导体冷箱为目标展 开了相关研究工作。 首先，对太阳能半导体冷箱系统的组成及工作原理进行了介绍，然后，利 用传热学知识和一些数学手段对半导体制冷系统进行了传热数值分析，建立了 热电制冷器的传热微分方程，讨论了冷热端散热强度对热电制冷性能的影响。 结果显示：随着散热强度的不断增强，热电制冷的性能逐渐提高，但当热端散 热强度增加到一定值后，制冷性能基本保持不变；从模拟分析结果可知，半导 体制冷中存在最佳热端散热强度，不可能无限制地通过提高热端散热强度来改 变半导体制冷器的制冷性能。 然后以热电制冷基本计算公式和光伏系统设计计算公式为依据设计了一台 太阳能半导体冷箱样机，并根据样机功能要求设计了一款太阳能市电互补型控 制器及温控器电路板，绘制了温度控制原理图，并编写了控制程序，见附录表。 最后建立了太阳能半导体冷箱系统的实验测试系统，测试了太阳能半导体 冷箱系统在不同环境温度下的实际运行性能，结果显示：不同环境温度下太阳 能半导体冷箱运行效果；环境温度为3 0 c 时，箱内最低温度可达i o * c ，环境温 度为2 5 * ( 2 时箱内最低温度可达6 c ，箱内大温差约为1 9 ( 2 。样机制冷系数可达 0 2 8 0 3 1 。并与传热数值模拟结果进行对比，表明理论分析与实验结果的一致 性，为后续进一步的研究，提供了相关的理论依据和实验数据。 关键词：太阳能；半导体制冷；散热强度；实验研究 a b s t r a c t a b s t r a c t ，n l er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sc a r r i e do u t 、析t l lt h et a r g e to fs t u d y i n go n es p e c i a l s e m i c o n d u c t o r - r e l a t e dr e f r i g e r a t o r , w h i c hm e e t sc o l ds t o r a g er e q u i r e m e n t f i r s t , t h i sp a p e ri n 仃o d u c e dt h e s t r u c t u r eo fs o l a r e n e r g y s e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t o rs y s t e ma n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h e na n a l y z e ds e m i c o n d u c t o rc o o l i n g s y s t e m h e a tt r a n s f e r u s i n g h e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a l k n o w l e d g ea n ds o m e m a t h e m a t i c st o o l s ，e s t a b l i s h e dt h e r m o e l e c t r i cf r e e z e rh e a tt r a n s f e re q u a t i o n ，a n d d i s c u s s e dt h ee f f e c t sf o r mh o ta n dc o l ds i d eh e a ti n t e n s i t yt ot h ep e r f o r m a n c eo f t h e r m o e l e c t r i cc o o l i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tw i t l lt h es t r e n g t h e no fs p e c i f i th e a tl o a d ， t h ep e r f o r m a n c eo ft h e r m o e l e c t r i cr e f r i g e r a t i o ng r a d u a l l yi n c r e a s e d ，w h i l et h i s c o o l i n gp e r f o r m a n c ek e p tu n c h a n g e dw h e nt h eh o t - s i d eh e a ti n t e n s i t yi n c r e a s et oa c e r t a i nv a l u e c o n c l u d ef r o mt h er e s u l to fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h eb e s ts p e c i f i th e a t l o a dw h i c he x i s t si nt h es e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o nc a l ln o ti n d e f i n i t e l yc h a n g et h e c o o l i n gp e r f o r m a n c eo ft h e r m o e l e c t r i cc o o l i n gd e v i c e sb yi n c r e a s i n gt h es p e c i f i th e a t l o a do f h e a te n d s e c o n d ，o nt h eb a s i so ft h e r m o e l e c t r i cc o o l i n gf o r m u l aa n dp h o t o v o l t a i cs y s t e m d e s i g nf o r m u l a , o n es a m p l es o l a rs e m i c o n d u c t o rp r o t o t y p er e f r i g e r a t o ri sd e s i g n e d ， t h i sp a p e ra l s od e s i g n e dap r o t o t y p es o l a re l e c t r i c i t yc o m p l e m e n t a r yc o n t r o l l e ra n d t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rc i r c u i tb o a r da c c o r d i n g t of u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，d r e w t e m p e r a t u r ec o n t r o ls c h e m a t i cd i a g r a m ，a n dc o m p o s e dt h ec o n t r o lp r o c e d u r e s f i n a l l y , at e s ts y s t e mo fs o l a rs e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o rs y s t e mi ss e tu p t ot e s t t h ea c t u a lr u n n i n gp e r f o r m a n c eo fs o l a re n e r g ys e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o rs y s t e ma t d i f f e r e n ta m b i e n tt e m p e r a t u r e ，f r o mt h er e s u l t sc a ng e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：t h e e f f e c to fs o l a rs e m i c o n d u c t o rf r i g eu n d e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e s ；t h e l o w e s tt e m p e r a t u r ec a nr e a c h10 w h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei s3 0 ，t h eb o x c a l lr e a c ht h el o w e s tt e m p e r a t u r eo f6 ，w h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r eg e t2 5 ， t h e i n s i d e l a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e i sa b o u t19 p r o t o t y p er e f r i g e r a t i o n c o e f f i c i e n tc a nr e a c hu pt 0o 2 8 o 31 ，w h e nc o m p a r e di t 、v i t l lh e a tt r a n s f e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h et e s ts h o w st h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sm e e t st h e i i a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c ho f f e r e dr e l e v a n tt h e o r e t i c a l a n de x p e d m e n t a ld a t at o f u r t h e rs t u d yo ft h i sf i e l d k e yw o r d s ls o l a re n e r g y ；s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o r ；h e a ti m e n s i t y ；e x p e d m e n t a l s t u d y ， i l i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第1 章绪论l 1 1 课题研究的工程背景和意义1 1 1 1 太阳能资源及其开发利用的必然性l 1 1 2 太阳能电池的发展及研究现状4 1 1 3 当前太阳能半导体制冷技术的研究意义6 1 2 国内外太阳能半导体制冷研究状况和进展9 1 2 1 太阳能半导体制冷技术及其影响因素9 1 2 2 太阳能半导体制冷技术的研究现状1 2 1 3 本文的主要工作o o 。1 3 第2 章半导体制冷器的数值分析1 4 2 1 建立传热微分方程1 4 2 1 1 半导体制冷器的传热模型1 4 2 1 2 建立传热过程的微分方程。1 5 2 2 导热过程的定解条件1 7 2 2 1 初始条件1 7 2 2 2 边界条件17 2 3 热电堆t e c l 1 2 7 0 6 传热过程的数值分析。1 9 2 4 本章小结2 2 第3 章太阳能半导体冷箱实验样机的研制2 3 3 1 太阳能半导体冷箱系统2 3 3 1 1 半导体制冷原理。2 3 3 1 2 太阳能半导体冷箱系统的基本组成及其工作原理。2 3 3 2 太阳能半导体冷箱设计2 5 3 2 1 冷箱热负荷及半导体制冷器的选择：2 5 3 2 2 蓄电池容量计算及选配3 0 3 2 3 太阳能电池板容量的确定及选配3 l 3 2 4 控制器的设计。3 3 3 2 5 温控器的设计3 6 3 3 本章小结3 8 第4 章太阳能半导体冷箱性能测试实验3 9 4 1 实验系统的设计3 9 4 2 太阳能半导体冷箱电源的工作状态4 0 4 2 1 太阳能半导体冷箱太阳能电池板工作状态。4 0 4 2 2 太阳能电池板的输出特性曲线4 2 4 2 3 蓄电池工作状态4 5 4 3 太阳能半导体冷箱工作状态4 7 4 3 1 性能测试4 7 4 4 本章小结5 2 i v 目录 第5 章太阳能半导体冷箱系统的火甩故率分析。5 3 5 1 太阳能电池板的火用效率5 4 5 2 蓄电池、控制器、线路中的火用效率5 5 5 3 半导体冷箱的火用效率5 5 5 3 1 冷热端风扇5 5 5 3 2 制冷循环5 6 5 4 提高太阳能光伏冰箱系统火用效率的方法5 6 5 4 1 太阳能电池板的光电转换效率。5 6 5 4 2 制冷循环中的相对火用效率5 7 5 5 本章小结5 7 第6 章结论与展望5 8 6 1 工作总结。5 8 6 2 展望5 9 致谢6 ( ) 参考文献6 l 攻读学位期间的研究成果“ 附j i 之6 5 、l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的工程背景和意义 环境问题的日益严峻，不可再生能源的短缺，是目前世界焦点问题之首。 传统制冷方式造成大气臭氧层破坏和温室效应，早在2 0 世纪8 0 年代就引起了 、科学家的注意，且随着不可再生能源如煤、石油、天然气衰竭，能源问题日趋 严峻，引起了制冷学界的广泛关注，学者们纷纷投入研发各种环保、节能的制 冷系统当中。目前人们已把能源需求的目光投向风能、生物质能、太阳能等可 再生能源，也是当前新能源的资源发展的普遍趋势。然而太阳能作为一种可再 生清洁能源，与常规能源、其他可再生能源比较，有着独特的特点。可概括为： 普遍、无害、长久、巨大。我国太阳能辐射总量在3 3x1 0 3 8 4 x1 0 6 k j m 2 年 之间，属太阳能资源丰富的国家之一。由此可见，太阳能将成为未来我国乃至 全世界主要的能源之一。目前利用太阳能作为辅助能源或驱动能源的制冷方式 有许多成熟的技术，如太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷、太阳能喷射式 等。但无论是太阳能吸收式，或蒸汽喷射式等等，都需要用到氟、溴化锂等制 冷剂。与此较之，半导体制冷的优势就比较明显，如无制冷剂，节能环保；无 机械运动部件，噪音低、运行可靠；寿命长等。随着半导体制冷技术的发展， 此技术可在工业、医疗卫生、军事等多方面得到广泛的应用。 太阳能和半导体制冷技术各有优点，而将二者结合起来的太阳能半导体制 冷系统的实际应用目前还不多见，从太阳能半导体制冷相关的研究文献可知， 太阳能半导体冷藏箱性能的理论分析及实验研究方面的研究相对比较欠缺。基 于上述背景选定本课题。 1 1 1 太阳能资源及其开发利用的必然性 太阳能因具有储量巨大、不会枯竭、清洁能源和不受地域限制等优点而引 起了各界的广泛关注，目前热能利用和光能利用是太阳能在各领域的两个最重 要应用。 从到达地球的太阳能方面来看，在大气圈外的太阳光强度为1 3 8 k w m 2 ， 其中有3 0 向宇宙反射，残余的7 0 可到达地球i l 】。据推算，太阳的寿命达几十 第1 章绪论 亿年，所以太阳能可称为无穷大能源。另外太阳能是一种清洁能源，太阳距地 球约1 5 1 0 8 k m ，故有害的放射能不会对地球产生影响。此外，太阳能不会产 生c 0 2 等有害物质，不会引起温室效应。 1 1 1 1 世界能源现状及展望( 来自美国能源部o f f i c eo fs c i e n c e 报告) 世界能源形式紧迫，是世界1 0 大焦点问题( 如能源，水，食物，环境等) 之首。有相关数据显示：全球人口2 0 0 6 年是6 5 亿，能源需求折合成装机是 1 4 5 t w ，每日能耗2 2 0 1 0 6 b o e ；到2 0 5 0 年全世界人口大概要达到1 0 0 亿，按 照每人每年g d p 增长1 6 ，g d p 单位能耗按照每年减少1 ，则能源需求装机 将是大约3 0 6 0 t w ，届时主要要靠可再生能源来解决。可是，世界上潜在水能 资源4 6 t w ，经济可开采资源只有0 9 t w ：风能实际可开发资源2 - 4 t w ；生物 质能3 t w ( 加起来总共8 t w ) 。只有太阳能是唯一能够保证人类未来需求的能 量来源，其潜在资源1 2 0 0 0 0 t w ，实际可开采资源高达6 0 0 t w 。世界能源发展 趋势可用图表表示如图1 1 所示( 数据来源e uj r cp vr o a d m a p2 0 0 4 ) 。 _ o e o t h e - m t l 一o t h e r r e _ s o l , m i r a h a l p v 丧 豳圜s o l a r t h e r m a l 丑缸c j l y 囫w t a d - a i o n m 武m o d m ) 圈b m m t g t r i 正) _ 帅 n t l c l e 蕾。 豳n a t u r a l a 一 c o a t _ 明 2 0 0 02 0 1 02 0 2 02 0 3 02 0 4 02 0 5 0 2 1 0 0 图1 1 世界能源发展趋势 1 1 1 2 我国能源储量与世界比较 图1 2 为我国常规能源储量与世界能源储量的比较，图中显示：不可再生能 源可使用的有限性和太阳能储量的无穷大。 2 li骞一盖fl盘蕾基_备喜嗣最 第1 章绪论 2 2 5 0 年 2 2 0 0 t 1 f 2 1 5 乖牢 2 1 0 0 壬l e 2 0 5 0 年 2 0 0 a 年 誉_ 世界 一中国 约： 3 口年 _ _ _ 翦8 1 年 矗o ，t t ： 翻 妁61 a f - *_rt_l 约5 0 年 阚鞠 。函5 年一睥 折合标准煤( 亿t c e ) 太阳能 1 7 0 0 0 亿t c e1 7 0 0 0 8 风能1 0 亿k w 经济可开发4 0 亿k w 4 8 n 6 4 水能 技术可开发5 4 亿k w 3 亿吨秸秆+ 3 亿吨林业废弃物 1 5 + 2 0 = 3 5 生物质发电 5 0 0 0 万吨 0 5 生物 液体燃料 0 6 沼气8 0 0 亿m 3 4 6 总计 3 3 ( 但适于发电的少) 地热能3 3 亿t c e 第1 章绪论 n 1 2 ；二类地区是太阳能资源较丰富地区，年辐射总量为5 8 5 0m j l n 2 6 6 8 0m j m 2 ；，三类地区是中等地区，年辐射总量为5 0 0 0m j m 2 , - - , 5 8 5 0m j m 2 ；四类 地区是较差地区，年辐射总量为4 2 0 0m j m 2 , - 5 0 0 0m j m z 。一、二、三类地区， 年日照时数大于2 0 0 0 h ，辐射总量高于5 0 0 0 m j m ? ，是我国太阳能资源丰富或 较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2 3 以上，具有利用太阳能的良 好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。具 体分类情况如图1 3 所示。 图1 3 我国太阳能资源分布图 i6 6 8 0m j m 2 , - , , 8 4 0 0m j m 2 1 1 15 0 0 0 m j m 2 - - - 5 8 5 0 m j m 2 i i5 8 5 0m j m 2 - - - , 6 6 8 0 m j m 2 i v4 2 0 0 m j m 2 - - 5 0 0 0 m j m 2 由上面所给数据及相关图示可知，太阳能储量巨大，可以说是一种取之不 尽，用之不竭的可再生能源，是未来替代能源发展的必然趋势。 i i 2 太阳能电池的发晨及研究现状 1 1 2 1 太阳能电池的发展 太阳能电池基于半导体材料的光伏效应将光能转换为电能的装置。太阳能 电池发展大致经历了三个阶段：第一个阶段，太阳能电池的发展初期，转换效 率低，一直到2 0 世纪初，都没有得到实际的应用；第二个阶段，5 0 年代到7 0 年代，太阳能电池的转换效率得到了一定程度的提高，效率达到1 0 ，这个阶 4 第1 章绪论 段，太阳能电池在太空设备和非太空场合都得到相应的应用，太空设备主要应 用于航空飞机上，非太空场合主要是少电缺电的偏远地区等特殊场合；第三个 阶段，近些年来环境问题的加剧，各国政府加大了对太阳能电池研发的支持力 度，研究人员加大了对高转换效率太阳能电池的研发，太阳能电池的转换效率 得到了相当的提高，目前工业化的转换效率可达到2 0 ，这个阶段太阳能电池 技术及太阳能电池工业都有了较快的发展。 从太阳能电池的发展历程来看，经历了三代：第一代：2 0 0 0 年，单晶硅和 多晶硅电池，因具有性能稳定、光电转换效率高、寿命长等优点，目前仍在市 、 场上占有相当的份额，约9 0 左右【2 1 ，此类电池效率能达到1 0 - - - - 1 8 左右，寿命 为2 0 年；第二代，无定形硅氢合成物或多晶体化合半导体的薄膜太阳能电池p 】， 相比之下，除了有上述单、多晶硅的优点外，还具有如下优点，材料制备工艺 简单，不需要昂贵的晶片切割工艺f 4 】。此类电池目前能达到转换效率为1 0 ，相 对来说比较低，有关文献报道，光电转换效率有望超过2 4 【5 】，并且薄膜太阳 能电池很容易和建筑物的窗户、门或墙体等做成一体，具有较大的市场前景： 第三代，t a n d e m 电池，杂质光伏( i p v s o l a rc e l l ) 等。 1 1 2 2 太阳能电池研究现状 目前太阳能电池的研究热点集中在第三代高效太阳能电池的研究，其中有 代表性的有t a n d e m 电池、杂质光伏电池( i p vs o l a rc e l l ) 、光线接收装置等1 6 j 。 t a n d e m 电池是采用r f 磁控溅射硅和活性氧化硅沉积方法制备的多层s i s i 0 2 超 晶格结构制作的太阳能电池；杂质光伏电池( i p vs o l a rc e l l ) 则是在宿主半导体 中掺入一种或几种能级位于半导体禁带之间的杂质，从而减少热能化的损失， 吸收不同能量的光子，提高太阳能电池的太阳辐射能利用率；考虑到光的波动 性，采用维度足够小的天线与太阳光耦合来收集太阳光的能量，由于采用天线 结构的太阳能收集器的转换效率不再受到热力学卡诺循环的限制，应用到光电 转换后其效率也将不在受到热力学局限，从而有利于提高太阳能电池光电转换 效率。 太阳能电池主要分为硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池。除材料硅， 制造太阳能电池的半导体材料还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等，用这些材料制 成的太阳能电池有的比硅太阳能电池的理论转换效率还要高。硅薄膜太阳能电 5 第1 章绪论 池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单 晶硅和多晶硅。据c n n 报导，休斯公司研究人员利用太空太阳能电池研究成果， 制成一种在地球上使用的太阳能电池，其光电转换效率高达3 2 3 ，而在太空 中使用的四结型太阳能电池，其效率已达到4 0 1 7 1 。然而从转换效率和材料的 来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电 池。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将 最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。提高转换效率和降低成本是太阳 能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一 步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材 料外应集中在如何降低成本上来，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量 的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此，在如何保证转 换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能电 池发展急需解决的问题。近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜 太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较明显的。 e r a d z i e m s k a 8 】研究了温度对硅太阳能电池的输出功率、填充因子、和效率 的影响。j a d e lg u e t o 9 通过测试的太阳能电池的伏安特性，分析了太阳能电池 串联电阻和二极管因子对其性能的影响。m a d eb i a s 等l l o j 给出了一种分析方 法，可以利用不同温度和辐照条件下测得的伏安特性曲线数据，求出太阳能电 池的串联电阻、并联电阻、二极管因子等各种参数。g e a h m a d 等b 1 提出了在 不同气象条件和设计参数下，太阳能电池的理论分析模型，此模型在不同的电 池温度、i - v 曲线、p v 曲线和输出参数情况下的预测与实验值吻合地较好。b j b r i n k w o r t h 1 2 】采用循环分析方法( l 0 0 pa n a l y s i s ) 建立了太阳能电池通风模型，得 到通风量的理论计算公式。m a r kw d a v i s 1 3 l 采用经验公式，建立了与建筑一体化 的太阳能电池的温度预测模型，在不同天气条件下实验，其理论预测值与实验 值吻合地较好。文献【陴1 8 】建立了太阳能电池集热模型，对太阳能电池的集热效 率和光电转换效率进行了研究。t h o m a c h a na k a t t a k a y a m ，k s r i n i v a s a n ，s i a k a t o u r e ，w a n i g n o nf e r d i n a n df a s s i n o u 等f 1 9 2 l l 对应用于太阳能冰箱系统中的太阳能 电池的匹配原则等进行了研究。 1 1 3 当前太阳能半导体制冷技术的研究意义 太阳能制冷是太阳能利用的一个重要方面，太阳能制冷技术的开发及实用 6 第1 章绪论 化有助于缓解当前日益严峻的能源紧缺和环境污染问题。目前太阳能在制冷方 面利用有两条途径：一是太阳能光电转换，二是太阳能光热转换。而太阳能制 冷研究主要从以下四个方面进行：太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷、太 阳能喷射式制冷及太阳能半导体制冷。 1 1 3 1 太阳能吸收式制冷 太阳能吸收式制冷系统最常规的配置是采用平板或热管型集热器来收集太 阳能，来驱动单效、双效或双极吸收式制冷机，当太阳能不足时则可采用燃油 或燃煤锅炉来进行辅助加热，以便系统稳定运行。 太阳能吸收式制冷利用沸点不同的两种物质组成的二元溶液作为工质来进 行制冷( 沸点高为吸收剂，沸点低为制冷剂) ，常用的二元溶液工质一种为溴化 锂一水，另一种为氨水一液氨，系统的制冷原理图如图1 4 所示，利用太阳能集 热器转换的热量产生热水为吸收式制冷机提供所需的热水，以使吸收式制冷运 行而达到制冷的目的。 图1 4 太阳能吸收式制冷原理图 1 1 3 2 太阳能吸附式制冷 一吸附式制冷利用温度的变化使得制冷剂和吸附剂产生吸附和解吸作用，从 而达到制冷效果，常用的吸附剂一制冷剂有活性炭一甲醇、沸石一水、硅酸一 水。其工作原理图如图1 5 所示。 。 7 第1 章绪论 图1 5 太阳能吸附式制冷系统原理图 1 1 3 3 太阳能喷射式制冷 太阳能喷射式制冷系统工作原理图如图1 6 所示，通过集热器和辅助加热设 备产生热水给整个系统提供能量，运动部件循环泵推动制冷剂在整个系统中循 环达到制冷效果。 蕾环泵 节漉一 图1 6 太阳能喷射式制冷原理图 1 1 3 4 太阳能半导体制冷 太阳能半导体制冷系统工作原理主要是光伏效应和帕尔贴效应，如图1 7 所 示，系统由光电转换器、数控匹配器、储能设备和半导体制冷装置4 部分组成。 在太阳光照射下，光电转换器太阳能电池阵列将太阳能转化为电能，一部分供 8 第1 章绪论 给半导体制冷装置，一部分储存到储能设备蓄电池中，以备系统在夜晚或非正 常日照下，以便整个系统能全天候稳定运行。 图1 7 太阳能半导体制冷系统图 以上太阳能制冷系统中，其中吸收式制冷和喷射式制冷都已经进入了应用 阶段，吸附式制冷还处在研究阶段。与前三种制冷技术相比，作为一新型太阳 能制冷系统太阳能半导体制冷具有：结构简单、体积小，重量轻、制冷速度快、 制冷量易调节等诸多优点，太阳能半导体制冷系统因其具有独特优势而受到广 泛的关注。目前加强太阳能半导体制冷技术的研究，是当今制冷空调行业乃至 整个新能源领域的一大热点。 1 2 国内外太阳能半导体制冷研究状况和进展 1 2 1 太阳能半导体制冷技术及其影响因素 太阳能半导体制冷系统利用帕尔贴效应和光伏效应，随着半导体材料的发 展而逐渐发展的一种新型制冷技术，然而制冷效率低、成本高而严重影响了太 阳能制冷技术在国防、工业、日常生活等各领域的应用和推广。目前影响太阳 能半导体系统制冷性能的关键技术的因素主要有：太阳能电池的光电转换效率、 热电材料优值系数、散热方式、工作电流等。 1 2 1 1 半导体制冷概述 半导体制冷也称热电制冷，是利用特种半导体材料组成p - n 结，形成热电 偶对，产生帕尔贴效应，当直流电通过半导体热电堆时能产生制冷或制热的制 冷技术，是建立在塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应、傅立叶 9 第1 章绪论 效应五种热电效应基础上的一种新型制冷技术。 1 2 1 2 半导体制冷材料的研究现状 虽然半导体制冷具有无振动、无制冷剂、工作简单运行可靠和寿命长等重 要特点，但与机械式制冷机相比，仍存在制冷系数低、制冷温差较小等方面的 不足。究其原因主要是材料的优值系数不高，热电性能低。自从二十世纪5 0 年 代末发现半导体材料在珀尔帖效应中表现出较高的热电性能以来，大部分研究 工作都集中在寻找热电性能更好的材料上。衡量热电材料性能优劣参数热电优 值系数z 1 2 2 1 ，其值主要取决于s e e b e c k 系数( s ) 、热导率( 九) 及电导率( o ) 等三个 参数，可用如下公式表示： z ：s 2 0 i 习惯上，人们常用热电品质因素与温度之积z t 这一无量纲来描述材料的热 电性能( t 是材料的平均温度) 。即z t = s 2 to 入，z t 越大，则热电材料的性能 越好。目前提高热电材料的性能从以下三方面着手：寻找具有较高优值系数的热 电材料；提高材料的电导率；降低材料的热导率。 1 2 1 3 半导体制冷器结构和性能研究 半导体热电偶一般由p 、n 型半导体组成，而实际应用中，半导体制冷器通 常由几十个、几百个甚至更多的温差电对通过串联、并联或者混联的形式组合 而成的，热电偶对的热电性能直接决定了制冷器的性能。 有相关实验研究显示，可通过以下方法来改善半导体制冷器的性能：1 ) 改 进电臂的结构，特殊的电臂连接方式，同样可以改进电对的性能，如两电臂按 最佳截面积比制作。2 ) 改变电臂的热通路，尽量减少流向冷端的热量，此方法 为目前半导体制冷器结构研究的重点，如“无限级联温差电对与同轴环臂温 差电对。 为尽可能提高半导体制冷性能、增强其机械强度和稳定性，制冷方面的学 者们在材料最优化的物理原理和制造工艺及性能测试上，做了许多工作并取得 了较大的成果，具体如下： 。 1 ) 对热电堆的研究：杨玉顺等1 2 3 】通过实验证实，载流子注入可改善半导体 制冷性能；宣向春等 2 4 1 提出可在普通温差电偶对的p 型和n 型电偶臂之间淀 积一层厚度适当的银膜，提高电偶对的制冷性能。对半导体制冷理论的研究： 1 0 第1 章绪论 杨玉顺等【2 5 1 分析了热电循环中获得最大制冷量、最大制冷温差和最大制冷系数 的条件，并给出了两种不同设计方法的最佳特性参数选择的原则。吴兆琳等经 实测给出了半导体制冷器的最佳优化设计。陈振林等【2 6 l 对多级制冷器的相关公 式进行了推导，并得出了关于多级半导体制冷器的一些重要结论。 2 ) 对半导体制冷器的性能研究及对热电循环的最佳工作状态进行优化分析 的相关研究文献有【2 7 。7 】：吴清丽【3 4 1 讨论了汤姆逊效应对半导体制冷器性能的影 响；卢希红d o 】对半导体制冷器电臂在稳态条件下温度分布进行了数值分析；李 茂德d o 讨论了散热强度对制冷器的影响分析；张华俊【1 4 1 对半导体热电堆电臂尺 寸进行了试验研究；任欣f 7 】给出了半导体制冷器在有限的热端散热强度下不同 制冷工况的试验研究，并推导出最佳工况下半导体制冷器的工作电流和制冷量 的近似公式；殷亮【2 8 】对半导体制冷器进行了瞬态的数值计算以及冷端温度的分 析；李茂德【3 0 】用有限差分建立的半导体制冷系统非稳态温度场的传热模型及王 华军【3 2 】对低温半导体热电堆内部温度分布进行了动态特性分析。正是由于这些 学者们孜孜不倦的努力，半导体制冷器的研究有了长足的发展，才会有现在的 半导体制冷器的生产及其二次产品的开发和应用。 1 2 1 4 太阳能光伏电源系统的应用情况 太阳能光伏电源系统根据是否与电网连接可以分为独立运行系统与并网运 行系统。这两种光伏系统都包括太阳能电池阵列、控制器和储能装置，而并网 系统还包含逆变器，若独立系统只带直流负载，不包含逆变器。具体的分类图 其各用途如图1 8 。 图1 8 光伏发电系统分类图 目前独立式光伏电源在日常生活中应用情况如下：户用系统一边远地区无 第1 章绪论 电家庭和单位一每年有3 - 4 m w p 销售量，推广量至少在8 5 万套；村庄独立电站 近千座一以上至少有1 1 5 万户农牧民家庭受益；目前至少有百万户家庭使用光伏 系统解决最基本生活用电问题和少量生产性用能；路灯和城市亮化一应用开始 普及；特殊场合供电系统一通讯基站电源、应急备用电源。而并网系统则主要 有以下两方面的应用：荒漠电站示范一已经开始试验示范，等待上网电价政策； 屋顶系统b i p v 一示范、低压端并网自用，大规模安装和向网上售电期待国家相 关政策。 1 2 2 太阳能半导体制冷技术的研究现状 目前，虽然太阳能光伏冰箱系统的综合应用还不多见，但是国内外已有很 多学者展开了相关的研究和分析，并取得了不少成果。印度t h o m a c h a n a k a t t a k a y a m 和k s r i n i v a s a n ”j 对配备有逆变器、连续工作的小型太阳能制 冷系统中的蓄电池匹配、充放电特性等做了研究。m a c h a n a k a t t a k a y a m 和 k s r i n i v a s a n 4 0 1 对太阳电池蓄电池逆变器冰箱系统的研究表明，该冰箱可以 用于疫苗的保存且逆变器提供非正弦交流电给冰箱时，冰箱亦可正常工作。德 国的s o c r a t e sk a p l a n i s l 4 l 】等把市售交流冰箱改制成适合于光伏太阳能系统的直流 变速冰箱，采用直流变速压缩机，加厚了市售冰箱的箱壁，并对冰箱的调速等 运行特性进行了研究。科特迪瓦的s i a k at o u r e 4 2 1 等对一种带蓄冷的医用直流冰 箱进行了实验研究，此冰箱有三个隔间，同时可以冷藏疫苗等医用制品、制冰 和满足医疗人员的生活冷藏需求，并对冰箱进行了火用分析。r o b e r t 等人研究 出了s u nd a n z e r t m 太阳能冷柜技术【4 3 j 。m m s a l a he 1 d i n 4 4 1 对一个依靠太 阳能朗肯动力循环驱动的冰箱进行了热动力优化研究，提出了此研究对太阳能 制冷系统设计的指导意义和指出了提高系统效率的方向。我国的邹今平【4 5 】对不 使用控制器的直流疫苗冰箱系统匹配特性进行了研究。黄福林对一种太阳能电 源调频冰箱的驱动进行了研究】，该驱动系统采用一种全数字式s p w m 方法的 变频电路。上海交通大学代彦军1 4 7 】等针对一种太阳能半导体冰箱进行了实验研 究与性能分析，并获得了专利。这些研究工作在一定程度上都推动了太阳能光 伏冰箱制冷系统的发展，为太阳能光伏制冷技术的深入研究及实用化奠定了基 础。目前，太阳能电池的价格呈现逐年下降的趋势。单晶硅太阳能电池得到了 很大的发展，单晶硅太阳能电池大规模生产的平均转换效率已经达到了1 6 5 ， 价格更低廉的多晶硅太阳能电池也发展很快，多晶太阳能电池的转化效率在 1 2 第1 章绪论 1 4 5 到1 5 8 之间。最近美国波音公司子公司s p e c t r o l a b 的科学家宣布他们制 成了发电效率超过4 0 7 的聚光多结太阳能电池。基于薄膜技术的第二代和第三 代太阳能电池的出现，大大地推动了太阳能电池产业的发展。 1 3 本文的主要工作 通过对国内外太阳能制冷有关文献和资料的查阅可以看出，制冷学者对太 阳能制冷进行了相当多的研究，尤其是太阳能热制冷技术较成熟，进入了实用 化阶段，而光伏制冷相对较少，目前还是处于研究阶段。而将太阳能与半导体 制冷结合在中温下的制冷在国内外半导体制冷方面还是个空白，这是因为中温 下的半导体制冷难度较大，而将其与太阳能结合的制冷由于电池转换效率低， 这种制冷难点更大，在很大程度上，实验的成功与否取决于控制器的控制性能、 电池的转换效率、制冷器冷、热端散热强度及散热器结构。本课题的任务就是 通过设计一台太阳能半导体制冷样机，搭建实物化的实验环境，获得在不同光 照强度下，电池板的输出情况，环境温度对光伏电源系统的影响，及对太阳能 半导体冷箱系统的工作性能的影响。 基于以上的分析，本文在前人所做工作的基础上，主要的研究任务如下： 1 ) 通过对热电堆传热过程的数值分析，结合实际选用的热电堆，应用m a t l a b 编程，获得制冷性能与热端散热强度关系，以期获得更合理的设计散热结构。 2 ) 研制了一台太阳能半导体冷箱样机，冷热端采用风冷散热，确定了太阳 能电池板、蓄电池的容量，并根据样机功能设计了一款太阳能控制器，样机冷 藏温度需求设计了一块温控器电路板。 3 ) 在不同的环境温度下对太阳能半导体冷箱样机进行实验测试，搭建了实 验平台，实验测定了不同环境温度下，不同光照强度下样机电源的工作性能， 如太阳能电池电压、蓄电池工作状况；不同环境温度下，太阳能半导体冷箱系 统制冷性能。 4 ) 基于热力学第一定律和热力学第二定律为理论基础对样机系统进行了火 用分析，计算了制冷循环中各主要环节的相对煳失，从而找到改进设备和运 行方式的措施以提高系统的能量利用率。 5 ) 通过比较实测数据和数值分析结果，总结该系统所存在的不足及原因， 为后续在该领域的进一步研究提出研究方向和意见。 1 3 第2 章半导体制冷器的数值分析 第2 章半导体制冷器的数值分析 半导体制冷器是太阳能半导体制冷系统的核心部件之一，一般由n