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基于t e c 的太阳能汽车空调辅助系统研究 摘要 空调是汽车的重要部件，在提高行车的舒适度和安全性方面有重要的作用。但是 在汽车停车状态下传统的汽车空调无法对车内空气温度进行有效调节，从而造成汽车 在烈日下停车一段时间之后车内温度过高，严重影响了驾车的舒适度。随着太阳能电 池技术和半导体制冷技术的发展，太阳能电池的光电转换效率和半导体制冷片的制冷 效率得到了很大的提高，通过太阳能电池将光能转换为电能，再用电能驱动半导体制 冷片制冷的太阳能制冷技术也已经从理论走向了实用阶段。 本文基于汽车空调能量匹配的模型，设计了基于太阳能电池和热电制冷技术的汽 车空调辅助系统，根据最大效率和最大制冷量两种方案进行了优化设计，并给出了硬 件设计方案、软件程序设计思想及相应设计。采用了m s p 4 3 0 f 4 4 9 为系统的控制芯片， 给出了测温电路、充电电路和控制电路的硬件设计。系统软件使用c 语言编写，并给 出了p i d 控制算法的源程序。最后对系统在不同工况下的性能进行了一系列的实验， 通过对实验数据的分析证明了系统的可用性，并对系统的局限性进行了分析，对以后 的改进提出了意见。 关键词：汽车空调m s p 4 3 0 f 4 4 9t e cp i d 控制 s t u d yo fs o l a ra u t o m o b i l e a i r c o n d i t i o n i n ga s s i s t e d s y s t e mb a s e d o nt e c a b s t r a c t a i rc o n d i t i o n i n gi sa 1 1i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ea u t o m o b i l e ，w h i l ee n h a n c i n gt h e t r a f f i cl e v e lo fc o m f o r ta n ds e c u r i t yh a v ea ni m p o r t a n tr o l e b u tw h e nt h ec a l s t o p p e dt h e t r a d i t i o n a la i r - c o n d i t i o n e di su n a b l et oe f f e c t i v e l ya d j u s tt h ea i rt e m p e r a t u r e ，r e s u l t i n gi nt h e c a rp a r ku n d e rt h es c o r c h i n gs a i lf o rap e r i o do ft i m ea f t e rt h ec a rt e m p e r a t u r ei st o oh i 。g h ，a s e r i o u si m p a c to nd r i v i n gc o m f o r t w i t hs o l a rc e l lt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to f t h e r m o e l e c t r i ct e c h n o l o g y , s o l a rp h o t o v o l t a i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dt h et e c sc o o l i n g e f f i c i e n c yh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d s o ，t h r o u g hs o l a re n e r g yw i l lb ec o n v e r t e dt o e l e c t r i c i t y , a n dt h e np o w e r - d r i v e nt e c ，t h es o l a r - c o o l i n gt h e r m o e l e c t r i ct e c h n o l o g yi s i m p r o v e df r o mt h e o r y t oa p r a c t i c a la p p l i c a t i o n b a s e do na i r - c o n d i t i o n e da u t o m o b i l em a t c h i n gt h ee n e r g ym o d e l ，t h es o l a r - a s s i s t e d t h e r m o e l e c t r i ct e c h n o l o g yf o ra u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n i n gh a sb e e nd e s i g n e di nt h i sp a p e r a c c o r d a n c et om a x i m u me f f i c i e n c ya n dm a x i m u mc o o l i n gc a p a c i t y , t w od e s i g n sh a v eb e e n o p t i m i z e d t h e n t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g ni d e a sh a sb e e ng i v e n m s p 4 3 0 f 4 4 9h a sb e e nu s e df o rt h ec o n t r o lc h i p s ，t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc i r c u i t ， c h a r g i n gc i r c u i t sa n dc o n t r o lc i r c u i t so ft h eh a r d w a r ed e s i g nh a v eb e e ng i v e n t h i ss o f t w a r e s y s t e mi sd e s i g n e db yc l a n g u a g ea n dt h ep i da l g o r i t h ms o u r c eh a sb e e ng i v e n f i n a l l y , s e v e r a le x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so ft h ep e r f o r m a n c e ，t h r o u g ht h e a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a , t h es y s t e m sa v a i l a b i l i t y h a sb e e np r o v e d ，t h e n , t h e l i m i t a t i o n so ft h e s y s t e mh a s b e e na n a l y z e df o rm a d ec o m m e n t st ot h ef u t u r e i m p r o v e m e n t s k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n i n g ，、m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，t e c ，p i dc o n t r o l 图 图 图 图 图2 - 5 图2 - 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图4 - 1 图4 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 - 7 图4 - 8 图5 一l 图5 - 2 插图目录 塞贝克效应示意图7 珀尔帖效应示意图8 半导体接头处的珀尔帖效应。9 热电制冷原理图1 1 制冷热电堆示意图1 1 半导体制冷片实物图1 1 制冷量与电流的关系1 2 ，q 口，u 。与t 温差之间的关系1 7 ，q 口与t 温差之间的关系：1 8 系统硬件设计总体框图2 0 m s p 4 3 0 f 4 4 9 的结构框图2 1 m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机的管脚图2 2 充电电路硬件设计原理图2 2 电压传感器c h v 2 5 p 2 3 c n b 。i o o s i o o a 2 4 a d 采集通道2 5 h c p l 4 5 0 4 控制电路2 5 反馈式温度控制电路原理图2 6 单片机控制硬件电路原理图2 6 前向电路原理图2 6 t l v 4 31 典型应用电路2 8 前向通道电路图2 8 半导体制冷器驱动电路2 9 辅助电路设计图3 0 i a r 结构图3 2 系统软件开发流程图3 2 充电系统软件流程图3 3 最大功率跟踪算法流程图3 4 p i d 控制原理图3 5 数字p i d 控制原理框图3 7 主程序设计流程图。3 7 p i d 控制算法程序流程图。：3 9 车内温度随时间的变化规律4 1 太阳膜和遮光板对车内温度的影响。4 2 图5 - 3 遮光板对车内温度的影响4 3 图5 4 无太阳膜和遮光板时开启辅助系统温度变化规律- 4 4 图5 - 5 有太阳膜和遮光板时开启辅助系统温度变化规律4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金8 曼工些态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：至暖也 签字日期：炒g 年月卵 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目旦王些丕堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒壁工些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王鸣乙弩巴 导师签 签字日期：沙年5 月【归 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师张辉教授的悉心指导和热忱关怀下完成的，在论文的选题、课题 研究、论文撰写、修改的全过程中无不凝聚着导师的心血。导师在科学研究中，民主、 严谨和求实的治学态度，广博精深的学术水平，敏捷的思维，创造性地学术思想，使 学生受益匪浅，终生难忘。他的敬业奉献精神以及在学习上、生活上给予的关心使作 者深受教育和感动。几年来，作者的每一点进步，每一次科研成果均与导师的谆谆教 诲和辛勤培养分不开。在此，谨致以深深的谢意和崇高的敬意。 课题的完成也要特别感谢几位同窗好友这两年来对我学习和生活上的帮助，同 时，对所有曾给予过我帮助和关心的人们，在此表示深深的感谢! 家人和亲友给予最 大的关怀、理解和支持。我将在以后的工作和学习中加倍努力来回报他们的厚爱。 作者：王晓斐 2 0 0 8 6 1 1 研究背景及意义 1 1 1 太阳能资源 第一章绪论 太阳能是地球上一切能源的主要来源。根据相关文献【1 】记载，每年到达地球表面 的太阳辐射能为5 5 7 1 0 协m j ，相当于1 9 0 万亿吨标准煤，约为目前全世界一次能源 消费总量的1 5 6 1 0 4 倍。太阳内部极端高温条件下氢聚变成氦的热核反应是太阳能的 来源，按照目前的消耗速度来计算，还足以维持6 1 0 1 0 年。相对于人类发展历史的有 限年代而言，太阳能可以说是“取之不尽用之不竭 的能源。利用太阳能还具有清洁、 安全、无需开采和运输等特点。不足之处在于其分散性，尽管到达地球的太阳能总能 量很大，但是地域辽阔，能量密度较低。而且太阳辐射受昼夜条件和气候影响较大， 表现为间断性和不稳定性。 我国地处北半球欧亚大陆的东部，主要处于温带和亚热带，幅员广大，有比较丰 富的太阳能资源，尤其是华北、西北的广大地区，日照充足，为利用太阳能提供了良 好的条件。根据全国7 0 0 多个气象台站长期观测积累的资料表明，我国各地的太阳辐 射年总量大致在3 3 5 1 0 3 8 4 0 x 1 0 3 m d m 2 之间其平均值约为5 8 6 1 0 3 m j m 2 。据 统计每年我国陆地接收的太阳辐射总量相当于2 4 0 0 0 亿吨标准煤，全国总面积2 3 的地 区年日照时间超2 0 0 0 小时i t 。 1 1 2 太阳能应用的发展情况 当前人类对太阳能的利用主要是热能利用和光伏发电。太阳能热水器已经成为国 内太阳能利用最广泛，产业化发展最为迅速的领域，1 9 9 8 年我国的太阳能热水器产量 就已经居于世界第一位。我国目前有1 5 万k w 的太阳能发电容量，光伏产业也形成的 较好的基础，虽然光电成本仍然高于煤店，但是在偏远的山区，与拉设电网相比建立 小型的太阳能电站仍然显得便宜适用1 2 1 。 光伏发电是目前利用太阳能的主要方式之一。目前常用的光伏转换材料主要有单 晶硅、多晶硅和非晶硅，单晶硅和多晶硅太阳能电池的转换效率可达1 5 ，而非晶硅 太阳能电池的转换效率则不到1 0 ，太阳能电池的转换效率目前普遍较低，而且成本 较高，难以实现大规模推广。多晶硅与单晶硅的本质区别在于多晶硅内存在着晶界。 在研究超高效太阳能电池方面，日本在硅和锗片上形成结晶，使1c m 2 单晶太阳能电池 的转换效率达到了1 7 9 和3 0 9 ，居世界领先水平。美国再生能源实验室和光谱实验 室开发的一种三结型( g a l n p g a a s g e ) 太阳能电池，转换效率达到了3 2 3 。太阳能 电池的未来材料是有机材料和塑料。目前有机太阳能电池光电转换率已达4 5 。黑 格等人因发明导电塑料而获2 0 0 0 年诺贝尔化学奖。导电塑料可导电、发光，吸收光 后也可产生电。塑料制造成本非常低，可制成低成本太阳能电池。预计5 年之后第一 代有机太阳能电池就可以进入应用阶段，目前有机材料的易老化问题是制约其应用的 最大障碍。 自8 0 年代以来，以瑞士洛桑高等工业学院( e p f l ) m g r a t z e l 为首的研究小组发展 了一种纳米晶体化学太阳能电池( n a n o c r y s t a l l i n ep h o t o e l e c t r o e h e m i e a ls o l a r c e l l ，简称n p c 电池) ，以其廉价的原材料和简单的制作工艺引起人们的极大重视。到 1 9 9 1 年，这种电池的光电转换效率已达到7 1 p _ 4 】，目前效率已稳定在1 1 左右，而 且成本低廉，制作工艺简单，成本是硅电池的1 5 1 1 0 ，性能稳定，衰减小，因而具 有远大的应用前景。 1 1 3 太阳能制冷与太阳能空调 我国在全球范围内属于太阳能丰富的地区，具有发展太阳能事业的优越条件。如 果能利用太阳能对室内进行空调或者对食物进行冷冻，无疑非常有吸引力。但是，目 前对太阳能制冷的研究还远不如加热系统，主要原因在于其较高的技术门槛和成本要 求。 世界上有许多国家都开展了太阳能制冷空调方面的研究工作。美国、日本有些产 品已经开始投入市场。当前国际上对于太阳能制冷方面的研究主要可以归结为被动式 制冷和主动式制冷两个方面。被动式制冷是指不需要能量转换装置，利用自然方式( 辐 射冷却以及自然蒸发冷却) 实现制冷目的的制冷方式；主动式制冷是指通过太阳能来 驱动能量转换装置来实现制冷目的的制冷方式。研究的热点主要集中在主动式太阳能 制冷方面。 主动式太阳能制冷主要包括以下几种形式： 1 )太阳能吸收式制冷：太阳能吸收式制冷是利用溶液浓度的变化来获取冷量的 装置，即制冷剂在一定压力下蒸发吸热。再利用吸收剂吸收制冷剂蒸汽。自蒸发器出 来的低压蒸汽进入吸收器并被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水带 走，形成的浓溶液由泵送入发生器中被热源加热后蒸发产生高压蒸汽进入冷凝器冷 却，而稀溶液减压回流到吸收器完成一个循环。它相当于用吸收器和发生器代替压缩 机，消耗的是热能。热源可以利用太阳能、低压蒸汽、热水、燃气等多种形式。吸收 式制冷系统的特点与所使用的制冷剂有关。常用于吸收式制冷机中的制冷剂大致可分 为水系、氨系、乙醇系【5 l 和氟里昂系四个大类。水系工质对是目前研究最热门的课题 之一，对它的研究主要是针对现今大量生产的商用l i b r 吸收式制冷机依然存在的易结 晶、腐蚀性强及蒸发温度只能在零度以上等缺陷。氨系工质对中包括了最为古老的氨 水工质对和近期开始受重视的以甲氨为制冷剂的工质对，由于氨水工质对具有互溶极 强、液氨蒸发潜热大等优点，它至今仍被广泛用于各类吸收式制冷机。人们对氨水工 质对的研究主要是针对它的一些致命的缺陷，如：c o p 较溴化锂小、工作压力高、具 有一定的危险性、有毒、氨和水之间沸点相差不够大、需要精馏等。吸收式空调采用 溴化锂或氨水制冷机方案，虽然技术相对成熟，但系统成本比压缩式高，主要用于大 型空调，如中央空调等。 2 ) 蒸发冷却技术：在典型的干热气候条件下，可直接把蒸发冷却器作为空调使 2 用，将空气加湿降温至比较舒适的范围，实现对干燥环境的温湿度调节，被称为“沙 漠空调”。在美国西南部一些城市以及阿拉伯半岛的一些国家和地区，使用这种装置 有效的缓解了全年的空调制冷方面的压力【。 3 )太阳能蒸汽喷射式制冷：通过太阳能集热器加热使低沸点工质变为高压蒸汽， 通过喷管时因流出速度高、压力低，于是在吸入室周围吸引蒸发器内生成的低压蒸汽 进入混合室。此混合气流经扩压后速度降低、压力增加而流入冷凝器被冷凝。冷凝后 的低沸点工质一部分经膨胀阀进入蒸发器，在蒸发器中气化并吸收冷冻水的热量而达 到制冷目的。另一部分液体，则由泵送回集热器再次被加热成高压蒸汽，如此往复循 环【1 2 】。 4 )太阳能固体吸附式制冷：利用吸附制冷原理，以太阳能为热源，采用的工质 对通常为活性碳一甲醇、分子筛一水、硅胶一水及氯化钙一氨等，可利用太阳能集热 器将吸附床加热后用于脱附制冷剂，通过加热脱附一冷凝一吸附一蒸发等几个环节实 现制冷【1 3 2 4 1 。 5 )太阳能半导体制冷：利用半导体的热电制冷效应，通过太阳能光伏电池发出 的直流电驱动半导体制冷装置，适合于野外作业、郊游等缺电条件下小集体的食品饮 料保鲜等 2 5 - 3 1 l 。本世纪5 0 年代以后，半导体材料在各个领域得到广泛利用，发展非常， 迅速。热电性能较好的半导体材料的问世也使得热电效应的效率得到很大提高，从而 使热电制冷进入工程实验阶段。它和蒸汽压缩式、蒸汽喷射式和吸附式制冷相比具有 很多优点： ( 1 ) 无机械转动，无噪音，无磨损，运行可靠，使用寿命长，维护方便； ( 2 ) 不使用制冷剂，不污染环境： ( 3 ) 体积小，重量轻，可大大缩小体积； ( 4 ) 可以只冷却一专门的元件或特定的面积； ( 5 ) 可通过改变电流方向来实现制冷或者是加热两种目的； ( 6 ) 冷却速度快，冷却速度可以通过调节工作电流来实现，控制方便； ( 7 ) 具有发电能力，如果在制冷模块两端建立温差可以输出直流电； 在目前的技术条件下，机械压缩式制冷的效率要比热电制冷效率高，而且价格便 宜，但是在制冷量比较小的情况下，半导体制冷有机械压缩式制冷所无法比拟的优点。 随着半导体技术的发展，半导体制冷将展现出更加广阔的应用前景。 1 2 半导体制冷技术的国内外发展状况 1 2 1 大型半导体制冷技术及应用 大型应用的制冷量在1k w 以上，目前最大制冷量超过3 0k w ，按照系统冷、热媒 介的不同，可分为气一气系统【3 2 1 、气一水系统【3 扪、水一水系统f 3 引。 1 ) 旅客列车空调 列车空调的运行条件在大跨度动态变化中，因此空调的适应能力尤其重要。热电 空调与列车在技术上有较好的兼容性，列车可以自备直流电源，热电空调便于单元式 分散布置。某热电列车空调系统在室内外温差6 c 时，制冷功率1 7k w ，c o p ( 制冷性 能系数) 约为0 7 ；室内外温差1 2 8 c 时，制热功率2 6k w ，c o p 约为1 2 ；除霜时间 为压缩空调系统的1 l o ；系统由4 个单元组成，各单元可独立运行，又分为8 个子单元， 对不同区域实行分布式送风；系统运行2 5 年无故障 3 2 , 3 5 】。 2 ) 汽车空调 某太阳能辅助小汽车热电空调装置，冷端散热器直接冷却送风气流，而热端通过 循环水流散热。环境温度3 8 c 时，不考虑太阳能电池的作用，制冷功4 0 1 k w ，c o p 值 0 4 2 ；如果天气晴朗，布满车顶的太阳能电池可获得2 2 5 w 的功率，空调c o p 可以提高 2 ，但太阳能电池的主要意义在于大幅降低汽车启动时的高峰负荷，提高降温速度【3 6 1 。 改善围护结构隔热以及密封性能，可以减少汽车空调负荷量5 0 ，进而降低能耗 量【3 7 l ，另外，环境问题日益紧迫，因而热电汽车空调具有一定的现实意义。 3 ) 潜水器用半导体热电空调 该空调由上海交通大学制冷实验室研制，用在我国自行设计的第一艘潜水器上， 调节舱室内的温湿度，为驾驶员和电子仪器提供一个较好的工作环境。空调系统由热 电空调器、低噪音通风机、循环水泵、海水冷却器和控制箱组成。空调器供电直流电 压为2 7 + 5 v ，工作电流小于5 0 a ：离心式通风机用2 2 0 v 单项交流电，功率1 2 0 w ：水泵 用2 2 0 v 单项交流电，功率3 6 0 w ，扬程5 m 。制冷功率约为1 8 k w ，c o p 约为1 5 9 。 1 2 2 小型半导体制冷技术及应用 1 ) 小型热电空调 一种新型热电制冷卡车驾驶室空调装置通过热虹吸管强化热交换，并通过特殊的 气流路径回收能量；采用商业单级热电制冷模块，厂家提供的热电优值系数为 2 o 1 0 d k 一。测试表明：当设定驾驶室温度2 8 ，环境温度变化范围为3 0 4 2 时， c o p 值为0 7 9 0 5 1 。如果热电优值系数达到3 5 1 0 。3 k ，计算得到的c o p 值相应可 达n o 9 5 - 1 5 5 。相对于机械压缩式空调装置，该装置对卡车行使时的恶劣环境具有 更强的适应性；而且不存在制冷工质泄漏的问题 3 8 , 3 9 1 。 另外，一种吊顶式小型实验风冷空调，c o p 值1 0 5 【删；一种用于直升机驾驶室的 热电空调器，制冷量1 k w 4 1 】；h e e n a n 4 2 1iv i n c e n c 4 3 】等人报道了地下掩体小型热电空 调装置。 k h e d a r i 对一种小型热电空调和太阳能热水器组合系统进行了研究【4 4 1 ，该系统使 用1 0 0 v 直流电源，制冷量1 7 6 w ，并可在2 小时内使1 2 0 升自来水升温到5 0 ，综合c o p 最大值3 1 2 。 2 ) 热电冰箱 热电冰箱在6 0 年代有较深入的研究【4 5 枷】，希望替代压缩式冰箱，因为成本、效 率的制约而未能实现，随着环境问题日益紧迫，再度令人关注。 4 太阳能热电冰箱对于野外作业人员有一定的实用性，冰箱内部温度可以维持在 5 1 0 c ，c o p 值达n o 3 ，但阴雨天气、夜间则需要通过蓄电池供电【5 0 】。用热虹吸管 代替普通翅片式散热器，可以减少热传递温差，进而显著提高热电冰箱性能【5 1 】。利用 相变材料蓄能，可以降低冰箱开启时的峰值负荷，进而改善其性能【5 2 1 。增加热端散热 风量，提高风速也是提高冰箱性能的有效途径，当热电冰箱维持在一3 时，热端散热 分别为自然对流、单台风扇、两台风扇时，热电制冷模块冷、热端之间的温差分别为 2 6 、2 2 c 、1 4 ，因此散热风扇的能耗获得了冰箱效率提高的回报5 3 】。 3 ) 电子设备冷却 随着芯片集成度的增大和工作频率的提高，芯片的功耗也持续增大1 s 4 1 ，据预测， 2 0 0 2 年高性能微处理器的功耗约1 3 0w ，2 0 1 4 年将超过1 8 0w t 5 5 】，因此，依靠增加散 热器的换热面积和提高气流速度的方法将难以满足器件的冷却需要。 通过附加压缩制冷设备对超大型集成电路、电子设备系统进行整体冷却，可以达 到电子元件的工作温度要求，但压缩制冷设备本身构造复杂，难以微型化，维护工作 量大。另一种方式是采用微型热管技术，但微型热管生产工艺成本高，而且传热性能 会逐渐下降，其长期性能有待检验。热电制冷的优势在于运行安全可靠，容量大小随 意，与冷却对象的组合方式灵活，更换制冷元件不会造成电路、设备本身的损伤，而 且能适用于空间站等失重环境。 集成电路、电子设备系统通过热电制冷技术降温，既可以采用热电制冷模块与散 热器结合，对电子元件进行局部冷却 5 6 3 ，也可以通过独立的热电制冷装置对其进行整 体降温【5 7 1 。 以上的应用多属于特殊应用场合，在这种情况下通常只考虑降温效果、对环境的 适应性以及产品的可靠性，对系统的成本几乎不加考虑。 1 3 课题的提出和研究内容 汽车自诞生以来一直被人们认为是一种必不可少的交通工具，它与人们的生产及 生活息息相关，从工业和农业生产到国防建设再到百姓的生活都离不开汽车。汽车对 改善人们的生活水平以及提高工农业的生产效率起到了越来越重要的作用。 汽车空调是指对汽车车厢内的空气质量进行调节，即不管外界的环境温度如何变 化，汽车车厢内的温度、湿度以及新鲜度都保持在一个比较舒适的范围内，经济的发 展和人民生活水平的不断提高，使得空调的使用越来越广泛。自1 9 4 0 年汽车空调问世 以来，经过6 0 年代的迅猛发展，截至n 8 0 年代末，发达国家中汽车空调的普及率达到 3 8 0 - - , 9 0 。我国的车用空调装置虽然起步较晚，但随着人们物质生活水平的不断 提高，汽车空调的普及率也越来越高，已经成为汽车上的一种标准设备。 汽车是一个特殊的运动的围护结构，它有两种状态：一种是行驶状态，一种是停 车状态。汽车空调可以在汽车行驶时实现对车室温度环境的调节和改善，增加人的舒 适感。但是，当汽车停止行驶时，压缩机失去了动力，汽车空调也就不能再调节车室 5 温度了：而停车场地则可能是各种各样的外部环境：春夏秋冬、风霜雨雪或烈日爆晒。 在日常生活中，驱车外出办事，因实际工作情况的需要，汽车往往启停非常频繁。 夏季汽车停在室外，受强烈阳光的照射，车室温度迅速升高，稍后上车如进蒸笼。据 估计，车内温度可达6 5 。c 以上，驾乘人员对车内环境感到难以忍受或至少在一定时间 内有不舒适感。这一司空见惯的问题却被人们忽视了，作者对国内外的文献查新还未 发现这方面的详细报导。 车内的高温环境还会加速车内装饰材料中苯和甲醛等致癌物质的挥发，北京市空 气质量监督局的一次实验表明：车内污染物的浓度随车内温度上升而升高，平均每升 高i o 。c 车内污染物的浓度翻倍，也就是说6 5 。c 环境下的车内污染物浓度将是2 5 。c 情况 下的1 6 倍。 因此本文研究在停车状态下利用太阳能电池阵列结合半导体制冷器对车内环境 进行降温的方法，对改善车内环境和空气质量、提高驾乘人员的舒适感、降低汽车启 动过程的耗油量等均有重要的指导意义。其主要研究内容如下： 1 ) 半导体制冷的原理以及功能研究： 2 ) 汽车停车状态下的热负荷计算； 3 ) 为半导体汽车空调辅助系统提供电能的太阳能电池阵列充电系统的设计和计 算； 4 ) 汽车空调辅助系统控制电路硬件设计并给出了部分电路图； 5 ) 给出了控制系统的软件设计思路，并给出了算法部分的程序代码。 6 第二章热电制冷工况设计 热电制冷又称半导体制冷或者温差制冷。具有热电能量转换特性的材料，在通过 直流电的时候有制冷功能，因此而得名热电制冷。1 9 世纪初，人们在利用电磁能的大 量科学实验中，发现了某些金属材料有热电效应。其中最著名的是塞贝克发现的温差 电流现象和珀尔帖发现的温度反常现象。其后，有人进行了热电发电和热电制冷的研 究。由于当时只能使用热电性能较差的金属材料，能量转换的效率很低，其效率还不 到1 。2 0 世纪5 0 年代以后，半导体材料在各个技术领域得到了广泛的应用，发展 非常迅速。热电性能较好的半导体材料使热电效应的效率大大提高，从而使热电发电 和热电制冷进入工程实践领域。 2 1 热电制冷的基本原理 热电制冷原理是热电效应在制冷技术中的应用。总的热电效应由同时发生的五种 不同效应组成，其分别是塞贝克、珀尔帖、汤姆逊、焦耳和傅立叶效应。其中塞贝克 效应、珀尔帖效应和汤姆逊三种效应是可逆效应。而焦耳效应和傅立叶效应是不可逆 效应。因此对热电效应的研究与性能分析为热电空调热传导理论模型的建立提供了理 论基础。 1 ) 塞贝克效应 1 8 2 1 年，塞贝克发现在两种不同的金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不 同，其周围就会出现磁场。进一步实验之后，发现了回路中有一电动势存在，这种现 象被称为塞贝克效应或者温差电效应，其本质是由于内部温度梯度和载流子扩散引起 费米能级倾斜造成的。这种电动势就称为塞贝克电动势或者温差电动势。 导体a 、 结点2 飞七赴弋。 结点1 t 图2 - 1 塞贝克效应示意图 如图2 1 所示，温差电流，和温差电动势是同向的，m e 曲的大小与结点间的 温差成正比。其比例称之为塞贝克系数： 口4 6 = 帕l i r a 。a u 丁= 万d u ( 2 1 ) 单位为v k ( 或者i v k ) 。 塞贝克系数不是由一种材料，而是由一对材料形成的。由于铜在室温下的塞贝克 系数极低，约为2 9 v k ，所以工程上常常用金属铜作为基准材料来测量其他材料的 相对塞贝克系数。如果用口。和口：表示材料l 和材料2 的绝对塞贝克系数，由这两种 材料所制成的热电偶的塞贝克系数为： 口1 22 口1 一口2 ( 2 2 ) 显然，当为正、口：为负的时候，口。：最大。 一般由纯金属构成的热电偶，口。：的平均值约为2 0 9 v k ；由合金材料构成的热 电偶，口。：的平均值约为5 0 9 v k ；而由半导体材料构成的热电偶，其塞贝克系数可 以高达1 0 0 0 9 v k 。 2 ) 珀尔帖效应 1 8 3 4 年，法国科学家珀尔帖最早发现当直流电通过两种不同导体材料构成的回路 时，结点上将产生吸热或者放热现象，并首次发表在法国物理和化学年鉴上，因 此这个现象称为珀尔帖效应。实验表明，结点上的换热量与电流成正比： q ，= 万西i ( 2 3 ) 式中万曲为比例常数，称为珀尔帖常数： q p 珀尔帖热； ，回路电流。 图2 - 2 珀尔帖效应示慈图 同塞贝克系数一样，珀尔帖系数也取决于一对材料，而不只取决于其中一种材料。 在p 型半导体和n 型半导体组成的热电偶中珀尔帖系数万p 可以表示为： 万刖= 万，一万。 ( 2 4 ) 珀尔帖效应和塞贝克效应都是温差电效应，并且是可逆的。由汤姆逊( 开尔芬爵 士) 完成的温差电路热力学分析，确立了两种不同材料1 和2 的塞贝克系数和珀尔帖 系数之间的关系： 式中疋一是冷端的绝对温度； 而2 = 口1 2 瓦 8 ( 2 5 ) 放郇黝舫躺瀚抛虢喇吨幽于削缺统取 因此，两种不同材料1 和2 结点上单位时间内吸收或放出的热为： g = 口1 2 i t ( 2 6 ) 金属热电偶的珀尔帖效应，可以用接触电位差现象定性地说明。由于接触电位差 的存在，使通过接头的电子经历电位突变，当接触电位差与外电场同向，电场力做功 使电子能量增加e u ，。同时，电子与晶体点阵碰撞将此能量变为晶体内能的增量。结 果使接头的温度升高，并释放出热量。当接触电位差与外电场反向时，电子反抗电场 力做功e u 其能量来自接头处的晶体点阵。结果使接头的温度下降，并从周围环境 吸收热量。 对于半导体热电偶，珀尔帖效应特别显著。当电流从p 型半导体流向n 型半导体 的时候，接头处温度升高放出热量；反之，接头处温度降低吸收热量。这种现象可以 用下图p - n 结的能带图来解释。 当电流方向是p n 时，p 型半导体中的空穴和n 型半导体中的自由电子相向接 头处运动，在接头处进入p 型半导体的自由电子立刻与空穴结合，他们的能量转变为 热量从接头处放出。由于这部分能量大大超过了他们为了克服接触电位差所吸收的能 量，抵消了一部分之后还是呈放热。其结果就是接头处温度升高而成为热端，向外界 放热，产生制热效果。 当电流方向是n p 时，p 型半导体中的空穴和n 型半导体中的自由电子做离开 接头处的背向运动，在接头处，p 型半导体满带内的电子跃入导带成为自由电子，在 满带中留下一个空穴，产生电子一空穴对，而新生的自由电子立刻通过接触面进入n 型半导体的导带，但是，产生电子一空穴对的时候所吸收的热量远远大于它们通过接 头的时候所吸收的热量。总的结果就是接头处的温度下降成为冷端，从外界吸热产生 制冷效果。 竺堕 3 ) 图2 - 3 半导体接头处的珀尔帖效应 汤姆逊效应 如果电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行能量交换。这 种现象称之为汤姆逊效应。 实验得出单位长度导体吸收或者放出的热量与电流和温度梯度的乘积成正比 绋= 订孥：凇r ( 2 7 ) 戤 式中绋每单位长度导体的吸热率，也称汤姆逊热； 9 f 比例常数，成为汤姆逊系数； ，通过导体的电流： 兰刍温度梯度： 出 丁温差。 4 ) 焦耳效应 单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积 q ，：，2 尺：，2 壁 ( 2 8 ) 5 式中g 由焦耳效应产生的热量，简称焦耳热； ，通过导体的电流； r 导体的电阻； p 导体的电阻率； 卜一导体的长度； s 导体的截面积。 5 ) 傅立叶效应 单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与这个方向的面积和该方向温 度梯度的乘积成正比 级= 竽( 瓦一瓦) = 碰丁 ( 2 9 ) 式中q k 总的导热量； 七导体的导热率： k 导体的总导热率； 瓦热端绝对温度； z 冷端绝对温度。 6 ) 热电制冷器的物理模型 热电制冷是热电效应主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。实用的热电制冷 装置是由热电效应比较叫显著、热电制冷效率比较高的半导体热电偶构成的。在各种 半导体材料中碲化铋的热电性能最为优异，使珀尔帖效应非常显著，制造技术也不是 很复杂，因此广泛的应用与不同的热电制冷装置。 图2 - 4 为热电制冷原理示意图，用铜连接片把一只p 型半导体原件和一只n 型半导体 原件串联起来，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的一 个接头处，电流方向是n 型半导体一铜连接片_ p 型半导体，连接片处温度下降并且 从周围介质吸收热量，因此称为冷端。而下面的接头处，电流方向与上面的接头处正 好相反，连接片处温度上升并且向周围介质放热，因此称为热端。 l o 图2 - 4 热电制冷原理图 图2 5 制冷热电堆示慈图 如果按照图2 - 5 把若干对半导体热电偶在电路上串联起来，而在传热方面则是并 联的，这就构成了一个常见的制冷热电堆。按图示接上直流电源后，这个热电堆的上 面是冷端，下面是热端。借助热交换器等各种传热手段，是热电堆的热端不断散热并 保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温，这就是热电制冷器的 工作原理。 图2 - 6 半导体制冷片实物图 7 ) 热电制冷器的效率 在制冷热电偶中，一个结点为制冷器的工作端，而另一个结点为制冷器的散热端。 在电流的作用下，在。, , 。师t t t l 产生珀尔帖热q 。，从周围环境吸收热量q 口：由于温差的存 在，热就从散热端流向工作端，传导热为幺：热电偶中流动的电流产生焦耳热 a ；= 1 2 r ，使局部温度升高，温度升高就使更多的热量流向工作端，起了增加从散热 端到工作端的热量的作用。根据能量守恒定律，在稳定的情况下，在工作端处的热平 衡条件可以用一维傅立叶方程来表示： q ：= q p 一寺q ，一幺 ( 2 1 0 ) 二 如果电流为i ，相对塞贝克系数为口。：，相对珀尔帖系数为乃：，冷端k 氏温度为互， 热端k 氏温度为瓦，吒，0 ，：，岛，p ：，s 。，s 2 ，k 。，k ：分别为半导体的电阻、长度、电导 率、截面积、热导率则式中各项为： q ，= 7 f 1 2 i = 口1 2 珥 ( 2 1 1 ) g = t 2 r = i 2 ( m h 2 ( 等+ 导) ( 2 1 2 ) o k ：k a t ：k ( t o 一互) ：一( k 。+ k 2 ) ( 互一t o ) ：一( 竽+ 竽) ( 瓦一互) ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 可得制冷器产冷量的一般表达式为： q = 珥一1 2 1 2 r - k ( t o 一互) = 珥一了1 2 ( 鲁+ 争+ 碰z ( 2 1 4 ) 这里的产冷量o o 指的是制冷功率。 图2 - 7 在瓦f f i3 0 0 k ，a t = o k ，口- - 0 0 0 0 4 v i k ，r = 0 0 2 3 5 t 2 z 1 2 = 0 0 0 2 k - t , k = 0 0 0 3 3 8 足工况下制冷量与电流的关系 1 2 q 口具有极大值的条件是孥：0 ，将式( 1 9 3 ) 对电流求微分得到最大产冷量对 口 应的最佳电流： ( 2 1 5 ) 为了选择电极的最佳截面，以获得在这种条件f 的最大产冷量，则对墨，疋求式( 2 1 4 ) 的极大值，在，= ，：的情况下得： 旦：恤) i 1 ( 2 ，1 6 ) s 2、尼2 p 2 7。 将式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 4 ) ，得到经过最佳化处理后的最大产冷量： q = 羔m 。：跗丁 ( 2 经简化： q 口( r i + r 2 ) ：旦娑一 ( 毛岛) ；+ ( 七：p ：) ；】：( 瓦一互) ( 2 1 8 ) 当q = 0 时，可获得最大温差： = ( t o 枷= 丽 亿 令2 而驴薪t z ( 2 2 0 ) 眠岛) “2 + ( 后2 岛) “2 】2 1 2一。 z 。：热电单元的优值系数。则( 2 1 9 ) 式可简化为： = _ z 1 2 _ t 1 2 ( 2 2 1 ) 由上式可知，制冷器的工作情况，完全取决于冷热端的温度以及热电单元的优值系数 z 1 2 热电单元的优值系数z 。：，取决于构成这个热电单元的两个电极臂的半导体材料 的优值系数： 互一弛一是 望 + 苷百 = 热z 。= 矗 厄= 告 厄l 厄 z ：= 蔫p 2 庀2 由式( 2 2 3 ) 可知温差电单元的优值系数z ，：是由材料的口、 器的效率g 可以这样定义： 占= 翥豁彖= 譬 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) p 、k 决定的。制冷 ( 2 2 4 ) 式( 2 1 4 ) 可以确定q 制冷功率；总共消耗的电功率有两部分组成：克服塞贝克电压 做的功口。z ( t o 一互) 和电路产生的焦耳热g = ，2 工( 鲁+ 安) ，由此可以得到s 的表达 二：竺i 三2 ：互l , p , 二互1 2 p 2 ：二：互k , s , 二兰竺至隰2 5 ， z “瓦吲“2 ( 鲁+ 警) 式中的塞贝克系数口、电阻率p