（机械工程专业论文）太阳能半导体制冷系统的实验研究.pdf

摘要 面对全世界日益紧张的自然资源和自然环境，有效的利用太阳能资源成为了 我们可持续发展的有力手段之一，而在目前新型的制冷领域上，半导体制冷技术 作为一种利用热电材料进行制冷的新技术有着传统制冷方式不可比拟的优势，在 目前能源紧张、电力短缺的情况下，将太阳能发电与半导体伟u 冷技术有机的结合， 发展太阳能半导体制冷技术有着重要的现实意义。本文针对太阳能半导体制冷存 在的关键技术问题，对系统能量转化的优化和有效控错i j 进行了实验研究。 本论文进行的丰要工作是： 搭建了太阳能半导体制冷箱制冷性能研究的实验装置，分析了在半导体制冷 过程中，随时间的变化半导体制冷器的工作情况以及丰要参数的变化情况。并发 现半导体制冷器冷、热两端的温差对半导体制冷系统的铝冷量、制冷系数、制冷 温度这些参数有很大的影响。 分析空气强迫对流散热和水冷散热两种方案对制冷效果的影响，实验表明： 水冷散热时的温度变化速率和最低温度值都要好于空气强迫对流散热效果。 实验确定制冷系统的最佳工作电流，通过实验发现半导体制冷器的最佳工作 电流的实验值为4 5 a 与理论值的差别不大，说明实验取得了良好的效果，达到 了预期目的。 实验分析了太阳的辐照强度对制冷量的影响。随着太阳辐照强度的增大，制 冷系统的制冷也随之变大，但当辐照强度达到8 0 0 眵n 1 2 左右时，之后的制冷量 并没有随着辐照强度的上升而有明显增加。 我们比较了太阳能半导体制冷系统中有无蓄电池对系统的输出电压和电流 的影响，并着重分析了在没有蓄电池参与工作的情况下对铝i j 冷效果的影响，我们 发现在上午至中午时间段内没有蓄电池的工作时，对铝u 冷效果的效果影响不大。 因此，在实际应用中，可以适当的选择系统工作的时间段以减少蓄电池的使用。 本文的研究内容是基于目前对太阳能半导体制冷的需求基础上进行的，其结 果可以为太阳能半导体制冷的解决方案提供很好的指导意义。 关键词太阳能，半导体制冷，辐照强度，制冷量，俸口冷系数 a b s t r a c t f a c et h eg r o w i n gt e n s i o no fn a t u r a lr e s o u r c e sa n dt h e d e t e r i o r a t e dn a t u r a l e n v i r o n m e n ti nt h ew o r l d ，t h ee f f e c t i v eu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g yr e s o u r c e sh a s b e c a m et h ew a yo ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fo u rp o w e r f u l ，a n di nt h en e wf i e l d o fr e f r i g e r a t i o n ，s e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t i o n a san e w t e c h n o l o g y o f u s i n g s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ，i tb r i n gu st h ei n c o m p a r a b l ea d v a n t a g ei nc o m p a r i s o nt o t r a d i t i o n a lr e f r i g e r a t i o n ，i nt h ec u r r e n t ，w i t he n e r g yt e n s i o na n dp o w e rs h o r t a g e s ， m a k et h es o l a rp o w e ra n ds e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g yo r g a n i cu n i o n ，t h e d e v e l o p m e n to 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 i o nt e c h n o l o g yh a sb e c a m e i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ea i ma t t h ee x i s t i n gk e yt e c h n o l o g i c a l p r o b l e m so 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 i o n ，w et a k es o m ei n v e s t i g a t i o n sa b o u t s y s t e mo fe n e r g yo p t i m i z a t i o no f t r a n s f o r m a t i o na n de f f e c t i v ec o n t r 0 1 t h em a i nj o bo ft h i sp a p e ri sa b o u t ： b u i l d i n gs 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 i o ne x p e r i m e n td e v i c ei nr e s e a r c hf o r c o o l i n gp e r f o r m a n c e ， a n da n a l y z e dt h ep r o c e s so fs e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o n , s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o nt h a tc h a n g eo ft h em a i np a r a m e t e r sw i t ht i m ep a s s i n g a n df o u n dt h a tt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fs e m i c o n d u c t o rr e f i i g e r a t i o nh a dag r e a t e f f e c to nr e f r i g e r a t i n gc a p a c i t y , t h er e f r i g e r a t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h em i n i m u m r e f r i g e r a t i o nt e m p e r a t u r e t or e d u c et h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eh o ts i d ea n dc o l ds i d e ，w e a n a l y z e st h et w op l a n sw h i c hf o r c e da i rc o n v e c t i o nc o o l i n ga n dw a t e rc o o l i n go nt h e i n f l u e n c eo fr e f r i g e r a t i o ne f f e c t ，a n dd r a wt h ec o n c l u s i o n ：w h e nt h et e m p e r a t u r e c h a n g er a t ea n dm i n i m u mt e m p e r a t u r ev a l u eo ft h ew a t e rc o o l i n gi sb e t t e rt h a n f o r c e d a i rc o n v e c t i o nc o o l i n gd i d d e s i g ne x p e r i m e n tt od e t e r m i n et h eb e s tw o r k i n gc u r r e n tr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，i t i sf o u n dt h a tt h eb e s te x p e r i m e n t a lc u r r e n tv a l u eo ft 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 n d e v i c ei sc l o s e dt ot h et h e o r e t i c a lv a l u e s ow eg e tt h eg o o dr e s u l ta n da c h i e v et h e e x p e c t e dp u r p o s e t h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i so ft h es u nr a d i a t i o ni n t e n s i t yo nt h er e f r i g e r a t i n g c a p a c i t yi n f l u e n c e a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t h es u nr a d i a t i o ni n t e n s i t y , r e f r i g e r a t i o n c a p a c i t yw o u l db er i s e d ，b u tw h e nr a d i a t i o ni n t e n s i t y r e a c ht h e9 0 0w m 2 ， r e f r i g e r a t i n gc a p a c i t yw o u l dn o ti n c r e a s es i g n i f i c a n t l yw i t ht h et h er i s eo fr a d i a t i o n l i i n t e n s i t y w eh a v ec o m p a r e dt h eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tw h i tt h eb a t t e r yo rn o ti nt h e s y s t e m ，a n da n a l y z e de m p h a t i c a l l yt h ec o o l i n ge f f e c tt h ei n f l u e n c eb yb a t t e r yi nt h e w o r ko rn o t ，w ef i n dt h a ti nt h em o r n i n gu n t i ln o o nt i m ew h i t o u tb a t t e r i e sw o r k t h e i m p a c to ft h ec o o l i n ge f f e c ti sn o to b v i o u s s oi np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s w ec a n a p p r o p r i a t l ys e l e c ts y s t e m sw o r k i n gt i m et or e d u c et h eu s eo ft h eb a t t e r y t h i sp a p e r ，s t h er e s e a r c h i n gi sb a s e do nt h ed e m a n do 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 i o n t h e r e s u l t sp r o v i d ev e r yg o o ds i g n i f i c a n c eo fg u i d a n c ew h a tc a nb eu s e df 0 r s o l u t i o n so f s o l a rs e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t i o n k e yw o r d s ：s o l a re 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 i o n ，r a d i a t i o n i n t e n s i t y , r e f r i g e r a t i n gc a p a c i t y , r e f r i g e r a t i o nc o e f f i c i e n t 武汉理t 人学硕。i ：学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 太阳能光伏发电应用的现状 太阳能光伏发电是基于半导体材料的将光能转换为电能的光伏效应装置。太 阳能电池的光伏发电技术的成长史大概分为以下几个阶段：第一个阶段，在太阳 能电池的起步阶段，由于其相对于其他发电方式的转换效率低下，到2 0 世纪初 期，在实际应用上还没有得到广泛的认可；第二个阶段，从5 0 年代到7 0 年代期 间，随着1 9 5 4 年美国研制出转化效率达到6 的单晶硅电池和1 9 5 5 年以色列 t a b o r 提出的选择性吸收表面理论，并成功研制出选择性太阳吸收涂层这两 项技术的突破，这使得太阳能电池作为新的放电方式引起了世界范围内的关 注。于此同时太阳能电池在民用领域和军事太空设备上都得到相应的应用，太 空设备主要应用于太空飞船和绕地卫星上。在民用领域主要是适合在全年辐照量 大，但资源和基础设施落后的偏远地区等场合；第三个阶段，由于面临日益严峻 的环境问题，一些发达国家开始增加了对太阳能电池领域的发展力度，科研技术 人员针针对提高太阳能电池转换效率的研发，使得太阳能电池产业的发展取得了 很大的进步，目前实验中的电池转换率可达到2 0 以上，这个时期太阳能电池技 术及整个太阳能应用产业链都有了蓬勃的发展h 3 1 。新时期，随着响应我们国家提 出的节能减排政策，我国的太阳能电池产业将会迎来更加广阔的发展时机。 由于地球环境日益恶化和能源危机的不断恶化，有效的利用干净清洁无污染 的新能源成为我们解决上述问题的重要手段。据研究，地球表面平均每秒接收到 的太阳能能量高达到8 1 0 5k w ，而每年地球获得的太阳辐射量相当于1 3 x1 0 4 吨的煤矿石，如何有效的利用这些太阳能资源成为我们当前探讨的热点问题m 】。 世界上德国、日本、美国等发达国家在太阳能电池的探索和投入方面拥有一流的 实力，同时，这些国家在利用太阳能的相关产业链的拓展方面也走在了世界的前 列。1 9 9 7 年6 月2 6 日美国宣布了太阳能“百万屋顶计划”，准备在2 0 1 0 年以前 在1 0 0 万座建筑物上安装太阳能系统。日本早在1 9 7 4 年就制定了以发展太阳能 再生能源为主“阳光计划 。德国政府在2 0 0 3 年圆满完成了“l o 万屋顶发电计 划 ，2 0 0 4 年德国光伏发电总量达到6 0 i t w h 。我国也提出了“光明工程”计划， 在光伏研究和产业发展方面奋起直追，也取得了显著的进步h 射。 太阳能光伏发电和热能发电是当今世界各国对于太阳能书要的应用。我们国 家目前拥有的太阳能发电容量达到1 5 万千瓦，光伏产业发展势头迅猛，但较发 达国家而言还存在一定差距，目前，我国共有4 0 0 多家光伏生产、安装和销售企 武汉理一r 人学硕一卜学位论文 业。2 0 0 4 年，我国光伏电池产量为3 6 m w ，光伏组件产量为i o o m w 。但相比较于 火力发电等传统发电方式，光伏发电的成本还较高，转化效率还不够高，普及难 度较大，但它具有传统发电方式所没有的优势。随着世界光伏技术及半导体材料 的不断进步，光电转换率将不断提高，其应用的成本也将大幅降低，这将使太阳 能产业迎来发展的蓬勃发展的时机。按照以往的发展经验分析，到2 0 3 0 年，光 伏系统的可靠性和寿命将从现在的1 5 、2 0 年增加到3 0 、3 5 年，发电成本可以降到 6 8 美分千万时，基本和煤电成本持平。这将产牛客观的社会效益和环境效益。 实际应用中的太阳能光伏电池阵列如图卜1 所示h 9 | 。 图1 - 1 太阳能光伏电池阵列 1 1 2 半导体制冷的应用现状 半导体制冷又称之为热电制冷或温差电制冷，它利用特种半导体材料构成的 n - p 结，通电之后产生帕尔帖效应，是2 0 世纪5 0 年代末发展起的，从2 0 世纪 6 0 年代起半导体制冷技术已经开始在军事和航天航空领域应用在小空间里的制 冷效果明显，在军事和航天航空方面的成功应用使得半导体制冷技术也逐渐开始 转向民用和医疗卫牛领域发展，随着半导体制冷器件的设计和制造工艺的成熟， 相关的产业链也逐步延伸开来。在制冷空调、制冷冰箱、制冷水箱等民用制冷产 品也逐渐面向市场，清华大学李彦等人对半导体制冷空调进行了实验研究，分 析了散热器结构、散热方式、散冷方式、空间的散冷布置以及空间形状大小等对 空间制冷效果的影响。在医疗卫牛方面也形成了一定的应用市场主要包括药 品、疫苗、血浆等医疗用品的冷藏，以及与医疗器械设备相结合的医疗产品如： 血液分析仪、冷冻止血器等。南京师范大学张奕等人对小型半导体制冷冰箱进行 2 武汉理t 人学硕l j 学位论文 了理论利实践探索，通过自行研制的半导体制冷冰箱分析了工作电流、太阳辐照 姒度等条件下对制冷效果的影响瞄纠。在汽车空训方面，随着节能环保的政策法规 的出台，半导体制冷空调也与汽车很好的结合起来，并且突出了其所具有的独特 优势，在减轻汽车重量，节省燃油的经济性以及提高舒适度等方面已经开始显现， 有些学者还把太阳能光伏发电与半导体制冷结合起来应用于汽车上，长安大学郑 爱萍等人对太阳台皂半导体制冷装置应用在卡车中进行了实验研究，并结合c f d 模拟卡车驾驶室内的温度场和速度场分析了局部制冷方案、送风速度和角度对制 冷效果的影响。在目前实际应用的场合中，简单轻便制冷迅速成为我们应用的必 要条件，而半导体制冷刚好迎合了这个需要哺。 目前，世界各国对半导体制冷器的制冷效果的提高进行着孜孜不倦的探索 方，牛要表现在两个方面：首先，研发热电性能更高的半导体材料，提高半导体 制冷器的制冷系数；第二，改进半导体制冷器装置的结构，提高散热效率，减少 不必要的制冷消耗。现阶段半导体制冷效率还达不到传统制冷方式的效率，要使 得半导体制冷更广泛的普及获得性能更优的半导体材料至关重要1 。现今，市场 上大家广泛采用的半导体材料有三类：p 型a g 。c u 。：。t j 吣。t e 四元合金在常温下 是优值系数z 最高的半导体材料，它在3 0 0 k 的常温下z t 1 7 l ，但它的制造工 艺较复杂，牛产难度大。在2 0 0 3 0 0 k 的温度范围内，三元b i 。t e 。- s b ：t e 。- s b 。s e 。 固溶体合金材料的使用较多，并且它在3 0 0 k 时z t , 2 4 ，其性能较其他任何一 种准三元合金都要优越，是现在使用最多的半导体材料。但当温度降到2 0 2 0 0 k 时，n 型b i - s b 合金性能是最好的材料，当然半导体制冷器的优值大小还取决于 制造和加工过程中的工艺水平，半导体制冷器实物如图1 - 2 所示旧1 。 图卜2 半导体制冷器实物图 在目前高优值系数的材料无法取得突破的背景下，优化半导体制冷制冷系统 的结构设计，增强热端散热量并同时强化散冷效果，对提高半导体制冷性能更有 实际意义。 武汉理t 人学硕二i 二学位论文 1 2 太阳能半导体制冷的优势和存在的问题 太阳能半导体制冷技术所具有的优势其实可以认为是一个1 + 1 大于2 的形 式，并不只是把太阳能和半导体制冷各自优势加起来这么简单，作为一个结合体 他们都大大超过了自身的特性。 作为太阳能光伏发电来说，已经成为了能源领域的一项新兴产业，相比于火 力发电、水利发电，它的快速发展主要得利于它所具有的不可替代的优势： ( 1 ) 太阳能储量的无穷性。太阳每天无时无刻不在为地球提供能量，而太阳 的寿命至少还有4 0 亿年，相比较人类的发展来看，太阳能是取之不尽，用之不 竭的能源。太阳给地球提供的能量可以说是无限的。开发和利用太阳能储量的无 限性是常规能源的不可再牛性所不能相比的。同时，这也将自然而然的为人类解 决常规能源所带来的环境问题，一举两得。 ( 2 ) 具有的广泛性。世界各地的常规能源的分布不均与资源缺乏，造成常规 资源并不能有效的开发利用，但是在地球上的任何数地区，太阳能都能覆盖到， 就地可取，没有地域的局限性。只要有太阳的地方就能加以利用，太阳能的这种 优势，使得常规能源缺乏的国家和地区可以有效地解决能源问题。 ( 3 ) 具有的环保性。在开发和使用传统能源是都不可避免的产生废物排放， 而在使用太阳能时则完全清洁无污染，这是传统能源不可比拟的。 ( 4 ) 可观的经济效益。太阳能具有的经济效益包括直接的和间接的两部分。 首先太阳能的分布广和储量大，在有阳光的地方都能免费获得；其次在目前的应 用技术开发和使用上，一些利用太阳能的技术己经得到推广应用，而这些技术的 使用可以给我们带来巨大的经济效益，如太阳能热水器已经得到了市场的普遍认 可，它的一次性投入就可节约使用其他能源产生的成本这些是直接的效益，在它 的使用中不产生其他污染，间接的产生环境效益。随着有关太阳能产业的不断发 展，相关产品的利民便民的产品的推出，相信太阳能所产生的经济效益将更加突 出。 作为半导体制冷来讲，是一门结合传统制冷技术和半导体材料技术的新型制 冷方式，通过直流电的作用传递热量，实现制冷或制热功能，相比于传统制冷技 术，半导体制冷技术的特点在于以下几点： ( 1 ) 尺寸小，结构简单。单个制冷器只由若干个热电堆和导线组成无工作介质参 与工作，结构尺寸小，无排放，对环境无污染： ( 2 ) 重量轻，维护方便，可以很好的根据制冷空间的大小，布置半导体制冷器件 的连接方式； ( 3 ) 使用方便，只需要提供较小的直流电流就能够迅速制冷，并且根据实际情况 通过改变电流大小，就可以在一定温度范围内调节制冷温度，根据个人需求灵活 4 武汉理_ t 人学硕l ：学位论文 控制： ( 4 ) 操作具有可逆性，在不需要借助外界其他控制设备的情况下，只通过改变供 电电流方向，即能让半导体制冷器在制冷与供热式之间切换； ( 5 ) 没有运动部件，因而工作时安静无噪声，使用寿命长，性能可靠啪1 。 半导体制冷凭借着它相对传统制冷技术特有的、无可代替的的优势，成为了 现代制冷技术中重要一的部分。8 0 年代末以环保的紧要性为背景，全球开始紧 急地禁止氟利昂等物质的使用，而这使得半导体制冷这种新型的制冷方式发挥的 舞台，它所具有的独特性质成为将来能够代替传统制冷方式的不- 选择，随着半 导体制冷技术的不断完善，各种需求产品的日益丰富以及社会的飞快发展带来的 生活水平的逐渐提高，人们对半导体制冷产品的期待将会继续增加。将为人类文 明的进步做出巨大贡献。 但从总体来看，太阳能产业的继续发展还存在着技术瓶颈，要想从中获得可 观的收益必须要解决好光电转换效率低的问题以及随之带来的成本问题，虽然国 内已经有学者提出了太阳能聚光一光热发电跟踪系统以此来提高太阳能的转换效 率，但与传统发电方式的效率相比还存在不足。当然，也需要我们努力去推广太 阳能发电产业链的延伸，鼓励人们使用太阳能的相关产品，从而支持太阳能发电 产业的发展。 而半导体制冷技术的应用也存在和太阳能利用相类似的问题，制冷系数不 高、实际制冷量较小是制约半导体制冷技术发展的主要障碍，通常情况下，要产 生大的制冷量时会导致制冷系数的下降不利用能源的利用，而要想获得较高的制 冷系数时，往往又不能得到足够的制冷量，达不到制冷要求。所以如何解决这一 矛盾是我们面临的最大难题，当然，国内外学者也提出了一些切实可行的改良方 法。在半导体制冷器工作中，如果产生的热量不能及时排出则会通过热传导传回 冷端，因此半导体制冷器热端的散热效果是制约半导体制冷性能的主要因素。只 有改善半导体制冷器热端的散热条件，将半导体热端的热量不断散失出去并且尽 可能的降低热端温度，才能使得半导体冷端的能够有好的制冷效果。有研究人员 通过实验分析发现，通过提高热端散热效果是可以使半导体制冷系统性能得到一 定程度提高的。散热效果的好坏对半导体制冷器的制冷效果的提高至关重要。所 以，对制冷方式和结构设计提出了更高的要求h 剀。 1 3 本课题的研究内容、目标和意义 对于太阳能半导体制冷目前在很多技术上还存在着瓶颈，把太阳能发电和 半导体制冷有机的结合到一起实现效率和利用最大化还有着很多限制条件，本课 题的主要任务就是搭建出实验平台，对太阳能半导体制冷过程中遇到的问题进行 武汉理丁大学硕。i ：学位论文 分析和讨论。 本课题主要包括理论分析和实验研究两部分。 在理论分析方面，通过介绍半导体制冷原理以及光伏发电的原理，建立相对 比较准确、简单的不同工况下制冷的数学计算模型，并计算分析对于搭建实验平 台所需设备的计算参数。 在实验研究方面，本课题主要是针对半导体制冷效率受到各种条件的影响 以及变化的规律这一问题，在进行完理论分析的基础上搭建好实验平台，并利用 实验平台进行以下实验研究： 在半导体制冷过程中，分析随时间的变化半导体制冷器的工作情况以及丰要 参数的变化情况，并比较实际工作的最佳工作电流和和理论值的差别； 总结半导体制冷片在热端散热的基本方法，对于不同的散热方式，在理论分 析和实验对比的方法下选择满足我们设计要求的散热方法，完成其制冷片散热端 的散热装置的制作并检验其可靠性； 太阳辐照的变化对制冷效果的影响，在一天当中辐照变化的情况下，制冷效 果的变化规律； 太阳能电池板供电辅助装置以及太阳能电池板的供电方式对半导体制冷效 果的影响，采用控制器和蓄电池的供电系统和只靠太阳能电池板直接供电这两种 供电方式的实验效果比较。 分析整理实验数据，对可能造成的误差进行分析改进。 本文的研究内容丰要是基于目前对太阳能半导体制冷应用的基础上，本文的 研究结果可以为太阳能半导体制冷的这种新型的制冷方式提供理论支持，同时也 为太阳能半导体制冷方式的市场化普及打下基础。 6 武汉理t 人学硕i ：学位论文 第二章太阳能光伏发电与半导体制冷基本原理 2 1 光伏发电的基本原理 太阳能光伏电池的原理是基于半导体的光伏效应应，将太阳光能直接转换为 电能的发电器件。当p 型半导体和n 型半导体未接触前各自维持自己的电中性， 即p 型半导体内的受丰离子所带的负电荷约等于空穴所带的正电荷，n 型半导体 内的施主离子所带的正电荷约等于电子所带的负电荷，但p 型半导体和n 型半导 体一接触时，则形成p - n 结，在结区附近电子会从浓度高的n 型区向p 型区扩散， 同样，空穴将从高浓度的p 型区向n 型区扩散，这样一来，由于原有的施主和受 主离子的存在结区附近的电中性就被打破了，因而在p 型区就产生了负电荷区， 在n 型区产生了正电荷区，两个区间统称为空间电荷区。p - n 结区形式如图2 - 1 所示。 0 o0 。 o o 0 。0 oo 0 0 o p 区 n 区 0 。o o 0o00 0 o o 0g 000 0 0 a 0 o 000 0 o 一 p 区n 区 图2 - 1p n 结形式示意图( o 代表空穴，代表电子) 由于施主正离子和受主负离子都是固定在晶格中，所以在空间电荷区内就会 形成一个内建电场，这个电场的方向是从n 型区指向p 型区，此时，当受到太阳 光照射入空间电荷区时，光子被吸收而产生出光生载流子，即电子一空穴对，其 中电子会因为内建电场的作用而向n 型区移动，同样的，空穴也因为内建电场的 作用而向p 型区移动。电子和空穴因为内建电场的作用而产生从n 型区向p 型区 的漂移电流，即光生电流。如果将它接入负载，则负载将有电流流过，这就是太 阳能屯池的工作原理。太阳能电池原理示意图如图2 - 2 所示。 空间电荷区吸收的光能越丰富，p - n 结界面层面积越大，通过光照，在p - n 结空间电荷区产生的电子一空穴就越多，在太阳能电池中形成的电流也越大。要 使光子尽可能多的到达p - n 结界面层，因此需要n 型层即受光面做得很薄使其能 够透光。 综上所述，在一定光照条件下，使得有足够能量的光子进入p - n 结附近才能 7 o e e o 0 e e o e e 引j 武汉理t 人学硕。 ：学位论文 产生电子一空穴对从而形成光电流。不同材料的太阳能电池，其光谱响应的范围 是不一样的，但是光电转换的原理是相同的n 引。 图2 - 2 晶体硅太阳能电池原理示意图 ( o 代表空穴，代表电子，h v 为光子能量) 2 2 半导体制冷基本原理 半导体制冷的基本原理的本质就是依靠帕尔贴效应，它是从塞贝克效应的 基础上发展而来的。但是随着帕尔贴效应的产生过程中，同时还会伴随着其他热 电效应，如：和帕尔贴效应护卫可逆效应的塞贝克效应，汤姆逊效应、焦耳热效 应以及傅里叶效应，而这些效应并不都有利于半导体的制冷工作，但这些效应却 是伴随着帕尔贴效应不可消灭的。 ， 2 2 1 塞贝克效应 1 8 2 1 年德国科学家塞贝克发现在两种不同的导体( 或者半导体) 组成的闭合 回路中，当两接头处保持在不同的温度时( 五 互) 就会出现磁场，进一步研究 发现，回路中将存在电动势，该电动势被称为塞贝克电动势。这种现象称为塞 贝克效应或温差电效应，塞贝克效应示意图如图2 - 3 所示似1 。 1 r i 图2 - 3 塞贝克效应示意图 8 武汉理t 人学硕。i ：学位论文 研究得出：只要在回路两结点间维持不同的温度互、互，则在导体2 的开 路位置，将会产生塞贝克电动势，其数值为： a v = a 1 2 ( 互一疋) ( 2 1 ) 同时研究还表明，只要石、互相差不大，那么电势差和温差是呈线性的，即 口。：为常数，这个比例常数就被定义为两种导体的相对塞贝克系数，也称为温差 电动势率，即： 口1 2 = d 叫a t ( 2 - 2 ) 式中：d t b 电势差( v ) d t 韫差( k ) 显然，塞贝克系数的单位是v k ，但由于通常塞贝克电动势都非常小，所以 塞贝克系数的单位也用v k 。塞贝克系数也存在正负。一般规定如果热结点 上电流由导体1 流向导体2 ，那么塞贝克系数a 。：就为正，反之则为负。塞贝 克系数的正负取决于所用导体1 、2 的热电特性，与温度梯度的大小和方向无关。 研究表明，塞贝克系数不是取决于一种材料，而是取决于一对材料。如果对所有 的材料都赋以塞贝克系数绝对值，则两种材料绝对值的差来计算结点的塞贝克系 数就比较方便。假设某种材料和超导材料构成回路，测得的结点处的塞贝克系数 即为材料的绝对塞贝克系数。对于由两种材料组成的回路，结点处的塞贝克系数 可以表示为两种材料塞贝克系数绝对值之差。若用口。、口：分别表示材料1 和材 料2 的绝对塞贝克系数，那么结点处的塞贝克系数就为： a 1 2 - - 口i - - 口2 ( 2 - 3 ) 纯金属的绝对塞贝克系数值约2 0 v k ，半导体材料的绝对塞贝克系数可达 1 0 0 0 v k ，比纯金属的要高很多。过去很长时间中，塞贝克效应只用在热电偶 测温方面，直到高性能的半导体材料( 如碲化铅和硅、锗) 的出现，这一效应才 让人们看到它在热能和电能 2 2 2 帕尔贴效应 帕尔贴效应是塞贝克效应的逆效应，1 8 3 4 年法国科学家帕尔贴发现当直流 9 武汉理t 大学硕+ ：学位论文 电流过两种不同导体( 或半导体) 组成的回路时，在结点上将产生吸热或放热现 象，这就是帕尔贴效应，帕尔贴效益示意图如图2 - 4 所示。半导体制冷器就是根 据这个原理，同时串并联多个热电偶对制成的陋1 。 图2 - 4 帕尔贴效益示意图 实验表明，接点上的换热量( 拍尔帖热) 与电流成正比： q = 万1 2 ， 石1 2 - - ( 6 1 - - 口2 ) 瓦 式中：万1 2 一帕尔帖系数，其单位为w a 。 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) i 一通过导体电流的大小； z 一冷端温度。 与塞贝克系数一样，帕尔帖系数也取决于一对材料，而不只是取决于一种材 料。帕尔帖系数矾，也有规定的符号，这必须和口，一致。通常规定在结头处电 流由导体1 流入导体2 时结头吸热则帕尔帖系数正，反之则为负，可见帕尔帖热 与电流方向有关。而且研究表明，帕尔帖系数值的定需要在一定的温度条件下， 即帕尔帖系数是随着温度变化而变化的。帕尔贴效应的产生源于载流子在构成回 路的两种导体中的势能差异。当载流子从一种导体通过节点到另一种导体时，需 要在节点附近与晶格发生能量交换，使其重新达到平衡。 由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当电荷载体从低能级向高能 级运动时，就需要从外界吸收热量，表现为制冷；反之，则要释放出热量，表现 为制热。所以，半导体材料制冷制热的效果就主要取决于电荷载体运动过程中的 两种材料的能级差，即热电势差。热电势差越大则帕尔贴效应越明显，而半导体 材料相比其他材料很好的满足了这一要求，所以可以成功的用来做小型的制冷 器。 l o 武汉理丁入学硕。i ：学位论文 2 2 3 汤姆逊效应 1 8 5 6 年，汤姆逊利用热力学原理对塞贝克效应和帕尔贴效应进行了系统的 分析，并把塞贝克系数和帕尔帖系数之间联系建立了起来。汤姆逊认为，在绝对 零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在着简单的倍数关系。并预言了这一 新的热屯效应，即在一个存在温度梯度的导体( 或半导体) 中通过电流时，导体 ( 或半导体) 内会与环境之间将发牛能量的交换，表现为吸收或放出一定热量。实 验得出单位长度导体( 或半导体) 上吸收或是放出的热量与温度梯度和电流成正 比。用方程表达为哺1 ： j r q t = fi 竺( 2 - 6 ) 出 式中：q 广汤姆逊热( w m ) ： f 一汤姆逊系数( v k ) ； ，一通过导体的电流( a ) ； 芸一温度梯度( k m ) 。 d x 当电流方向和温度梯度方向一致时，并外界吸收热量，则汤姆逊系数为正值， 研究表明导体冷、热端温差与冷端温度的比值越大，则汤姆逊现象越明显。但是 汤姆逊效应在整个热交换中处于二级效应，对于不要求精确计算的热分析过程中 可以不考虑其影响。 汤姆逊效应源于当金属中温度分布不均匀，高温端的自由电子比低温端的自 由电子具有更大的动能。因此自由电子将从高温端向低温端扩散，并在低温端堆 积起来，从而在导体内形成自建电场，在金属棒两端便存在一个电势差。这种自 由电子的扩散一直到电场力对电子的作用与电子的热扩散达到平衡为止。 2 2 4 傅里叶效应 傅立叶定律是传热学中的一个基本定律。在导热现象中，流过均匀介质沿某 一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向上的温度梯度的乘积成正比。 其计算公式为阳1 ： q ，= 一a 旯祟 ( 2 7 ) a x 式中：q 厂一由傅立叶效应传导的热量； a 一导体的横截面积； 允一导体的热导率。 武汉理工人学硕十学位论文 2 2 5 焦耳效应 焦耳效应是指当电流流经导体时，导体会伴有发热的现象。单位时间内，稳 定电流产生的热量等于导体电阻和流过导体电流平方的乘积。公式表达为噜1 ： p l q = ，2 r或g = ，2 彳 ( 2 8 ) 式中：q 广由焦耳效应产生的热量，简称焦耳热； ，一流过导体的电流： r 一导体的电阻： p 一导体的电阻率； 卜一导体的长度。 需要指出的是，焦耳效应是不可逆的热效应，只与导体的电阻和屯流大小有 关，并且永远是放热效应。 2 2 6 半导体制冷器工作方式， 如图2 5 所示的n 型和p 型半导体构成的制冷单元点偶对，当半导体点偶通 过电流i 时，在单位时间内交界面处吸收和释放的热量q p 与电流值i 成 正比，结合式( 2 - 5 ) 可表达为： 研2 万朋i = ( 口p 一口) c j ( 2 9 ) 式中：，r 朋刊型、p 型半导体电偶对的帕尔贴系数； 口p 、口一吩别表示n 型和p 型半导体材料的塞贝克系数； z 一冷端的实际温度。 1 2 武汉理t 人学硕：l ：学位论文 图2 - 5 半导体热电制冷原理图 实际上半导体制冷回路中冷端所吸收的热量q c ( 即制冷量) ，要小于帕尔帖 热。因为在半导体制冷过程中还存在两种不可逆生成热：( 1 ) 焦耳热已，约占 i 2 的焦耳熟q ，产生在半导体制冷器的冷端，由此造成制冷量的减少；( 2 ) 传导热q ，由冷热端温差引起的电偶臂的热传导。因此，半导体制冷回路的制 冷量q c 可表达为： q c = 岛一丢g q ，( 2 - 9 ) 结合式( 2 - 4 ) 、( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) ，可得： q c = ( a p - - g t n ) 乏，一三2 2 尺一k r ( 2 - 1 0 ) 式中卜热端和冷端温度差( k ) 7 k _ 点偶臂总热导系数( w k ) 。 从式( 2 - 1 0 ) 看出，不改变其他条件的情况下，当冷热端热端温差a t = o 时， 半导体制冷器的产冷量达到最大，即称之最大大制冷量工况。当冷端处于理想 绝热，即没有任何外界热量传入制冷端的情况时( q c = 0 ) ，半导体冷、热两端的 温差瓦一t 将达到最大值当电流强度i 为最大值k 时，则是半导体 制冷器处于，嗍条件下的最大制冷量工况： 对式( 2 1 0 ) 中电流i 求导后令等= o 得：讲 ( a p - 口。) 瓦一r = 0 ( 2 1 1 ) 得到最大工作电流： ，：笠兰盟 ( 2 1 2 ) 眦 r 、一一 将，施带入式( 2 1 0 ) 中就可得到最大制冷量： = 学r ( 2 - 1 3 ) 武汉理t 人学硕l j 学位论文 对于式( 2 1 0 ) 整理得到： 个一( t z p - - g n ) ，一三，2 尺 钾= f j 一 对式( 2 1 4 ) 中电流i 求导后令丝a 三= o 得 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 尺 将i 带入到式( 2 - 1 4 ) 中就可得到最大温差： = 圭z 巧( 2 - 1 6 ) z ：篮 ( 2 一1 7 ) j r k 式中：z - 材料的优值系数，单位为k ，它象征着半导体材料的基本特性， 它的值得大小决定了制冷器性能的好坏。 在实际应用中，通常把优质系数与绝对温度的乘积一无量纲优值z t 作为热 电参数之一。 z t = 生丝 a ( 2 - 1 8 ) 式中： 仃热电器件电导率； a 一导热系数。 从式( 2 - 1 7 ) 可以发现，塞贝克系数口。越大，表示半导体材料的热电性能越 好；导热系数a 越小，表示从热电偶的热端到冷端的导热损失越小，有利于提高 热电性能；电导率仃越大，表示电流通过电偶臂的电阻越小，可以减少的焦耳热 越多，有利于制冷效果的提高。因此，我们希望的半导体材料应当具有较高的塞 贝克系数、电导率以及较低的导热率，但是实际上半导体材料的物理性质决定了 三者不可能同时具有。首先，电导率和塞贝克系数都是载流子浓度的函数，载流 子浓度越大，电导率则越大，而塞贝克系数也会随着电导率的增加而大幅下降。 因此，塞贝克系数和电导率的乘积只能在一个最佳的载流子浓度下达到最大，要 想提高z t 值仅通过提高塞贝克系数和电导率是有限的。其次，热导率同样也会 随着电导率的提高而上升，所以想要通过提高电导率和热导率的比值来提高z t 值也是十分困难的。因此就目前如何找到提高材料的z t 值的方法也是当前一个 重要课题之一。 1 4 武汉理t 人学硕i ：学位论文 衡量半导体空调系统优劣的重要指标之一就是制冷系数。它的大小为制 冷量q c 与输入功率兄的比值： g ：望 ( 2 1 9 ) 电偶对在工作时，其中兄包括两部分：外部电源对电偶对输入的功率和克 服热电势做的功。 故 圪= ( a p a ) r j + j 2 尺( 2 2 0 ) 结合式( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 得： 占：( o t p _ - a n ) i t c - 兰i i2 r - 一k a t ( 2 21 ) ，2 r + ( 口p 一口矗) 刀 在工作中保证k 、r 在较小值的条件下，制冷系数s 的大小受电流i 的影响 对i 求导后，令害= 0 得： d i ：产兰生! 一 (222)t o r t 尺c 压云而， 怕 l = 寺( 瓦+ 疋) ( 2 2 3 ) m = l + z l ( 2 2 4 ) 结合式( 2 - 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) 、( 2 - 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 得： 瓦似一 ) g = 二_ 一 ( 2 - 2 5 ) 。一( 瓦一疋) ( m 4 - 1 ) 、7 由式( 2 - 2 5 ) 可以看出，工作温度一定时，制冷系数的大小由z 值决定，z 值越大，说明该制冷器件的制冷效率越耐州。 在设计半导体制冷器使用的方案中，主要需要分析的是半导体制冷器的制冷 量、制冷系数和制冷温度三个条件各自需达到的要求。根据实际要求，半导体制 冷器的工况设计主要是以上三种设计方法，即按以、s 嗍为参考标 准的设计方法。在不同的应用场合我们需要的制冷量、制冷系数和制冷温度都不 同，如何选择设计方案得要从实际情况出发，考虑如何协调这三个