太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷裝置設(shè)計(jì)與性能分析

王懷光 范紅波 李國(guó)璋

(軍械工程學(xué)院 石家莊 050003)

太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷裝置設(shè)計(jì)與性能分析

王懷光 范紅波 李國(guó)璋

(軍械工程學(xué)院 石家莊 050003)

以研究太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷空調(diào)為背景，設(shè)計(jì)了一種小型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷裝置。制冷裝置由制冷部分和溫度測(cè)量控制部分兩部分組成，主要針對(duì)制冷片的安裝方法、控制匹配器和溫度控制電路的設(shè)計(jì)方法、半導(dǎo)體制冷片制冷性能的影響因素開展研究。通過制冷裝置實(shí)驗(yàn)，得到了制冷片在不同電流工況和散熱條件下兩端的溫差及箱體內(nèi)平均溫度隨工作時(shí)間的變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制冷片工作電流的選擇要與制冷系統(tǒng)的散熱強(qiáng)度相適應(yīng)，而且應(yīng)適當(dāng)增加制冷片冷端的散冷能力，才能達(dá)到良好的制冷效果。

半導(dǎo)體制冷 溫度控制 散熱強(qiáng)度 散冷功率

1 引言

半導(dǎo)體制冷也叫溫差制冷、熱電制冷或電子制冷，是利用“珀?duì)柼?yīng)”進(jìn)行制冷的一種方法［1］。與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比，熱電制冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、無噪聲、無磨損、可靠性高、壽命長(zhǎng)、維修方便、體積小、重量輕、啟動(dòng)快、控制靈活、操作具有可逆性等特點(diǎn)［2］。中國(guó)早在60年代初，開始了半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)并制造出了多種半導(dǎo)體制冷裝置，主要應(yīng)用于石油化工、航天航空、醫(yī)療衛(wèi)生、電子技術(shù)等領(lǐng)域［3］。但由于半導(dǎo)體制冷材料性能的限制，致使半導(dǎo)體制冷目前還不能與機(jī)械式制冷相抗衡，在應(yīng)用方面仍存在很多問題需要解決。

通過一種小型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，對(duì)半導(dǎo)體制冷片的安裝方法、控制匹配器和溫度控制電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，對(duì)半導(dǎo)體制冷片制冷性能的影響因素進(jìn)行了分析，為太陽(yáng)能半導(dǎo)體空調(diào)裝置的研制奠定理論基礎(chǔ)。論文的研究成果，可以推廣到制冷帽、制冷衣、冷藏箱等其它領(lǐng)域。

2 太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷裝置的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)由制冷部分和溫度測(cè)量控制部分組成，如圖1所示［4］。制冷部分由太陽(yáng)能電池、控制匹配器、儲(chǔ)能設(shè)備和半導(dǎo)體制冷裝置組成。溫度測(cè)量與控制部分由溫度傳感器、溫度采集電路、PC機(jī)組成。

圖1 太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)組成Fig.1 Composing of solar semiconductor refrigerator

太陽(yáng)能電池輸出直流電，一部分直接供給半導(dǎo)體制冷裝置，另一部分進(jìn)入儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存，以供陰天或晚上使用，使系統(tǒng)可以全天候正常運(yùn)行。太陽(yáng)能電池選擇單晶硅太陽(yáng)能電池，按照制冷裝置所需功率選擇電池板的數(shù)量與型號(hào)?？刂破ヅ淦魇拐麄€(gè)系統(tǒng)的能量傳輸始終處于最佳匹配狀態(tài)，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備(蓄電池)的過充、過放進(jìn)行控制，并可以調(diào)節(jié)供電時(shí)間，從而控制半導(dǎo)體制冷量。

利用串口通信和單片機(jī)控制技術(shù)，在PC機(jī)上設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示溫度。系統(tǒng)上電初始化后，單片機(jī)采集來自溫度傳感器的溫度值，經(jīng)串口送往PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)需要把溫度控制在某一定值時(shí)，可以在PC機(jī)上的用戶軟件中設(shè)定一溫度值，再通過串口傳送給單片機(jī)。單片機(jī)程序計(jì)算溫度的測(cè)量值和預(yù)設(shè)值的偏差，控制驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通時(shí)間，也就控制了半導(dǎo)體制冷器的輸出功率，達(dá)到溫度控制的效果。

2.2 半導(dǎo)體制冷片的安裝設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)自身存在著能量損失，如何減少這些損失，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行是十分重要的問題。對(duì)于任何制冷系統(tǒng)來說，制冷效率COP是最重要的運(yùn)行參數(shù)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體制冷片冷、熱端溫差對(duì)于半導(dǎo)體制冷的效率有很大的影響，通過強(qiáng)化熱端散熱方法能使半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)性能得到很大的改善［5］。

為此，設(shè)計(jì)箱體用絕熱材料將制冷片冷熱端隔離，冷熱端分別裝有由鋁翅片和風(fēng)扇構(gòu)成的散熱裝置，采用強(qiáng)化熱端散熱方法改善半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的性能，如圖2所示。由于單片半導(dǎo)體制冷片制冷量有限，根據(jù)制冷空間不同，需要把若干對(duì)半導(dǎo)體制冷片在電路上串聯(lián)起來，構(gòu)成一個(gè)常見的制冷熱電堆，滿足制冷效果的需要。

圖2 半導(dǎo)體制冷片安裝圖Fig.2 Fixing measure of thermoelectric cooling chip

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中半導(dǎo)體制冷裝置的箱體尺寸設(shè)計(jì)為500 mm×350 mm×350 mm，內(nèi)部空間尺寸為450 mm×300 mm×300 mm，容積約為40 L，箱體右壁開設(shè)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)開口，用于安裝2片制冷片，冷端置于制冷箱內(nèi)，熱端置于箱體外。系統(tǒng)共裝有8個(gè)DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，內(nèi)部裝有5個(gè)構(gòu)成箱內(nèi)分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，制冷片兩端鋁翅片上裝有2個(gè)，測(cè)量制冷片冷熱端溫度，箱體外形與尺寸如圖3所示。

2.3 太陽(yáng)能電池的選擇

圖3 制冷裝置箱體設(shè)計(jì)Fig.3 Design of refrigerating box

制冷裝置采用轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高的太陽(yáng)能電池，根據(jù)系統(tǒng)功率情況和光照時(shí)間，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池板。根據(jù)電池板性能，對(duì)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的能量進(jìn)行控制，光照強(qiáng)，存儲(chǔ)能量;光照弱，釋放能量。太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷裝置采用18 V，200 W單晶硅太陽(yáng)能電池板，工作電流11.12 A，質(zhì)量18 kg。

2.4 控制匹配器的設(shè)計(jì)

控制匹配器是系統(tǒng)的控制中心，它對(duì)半導(dǎo)體制冷片的制冷量、蓄電池的充放電狀態(tài)、太陽(yáng)能電池通斷進(jìn)行控制?？刂破饔?個(gè)輸出端子，分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)能電池板的正負(fù)極、蓄電池的正負(fù)極以及半導(dǎo)體制冷片的連接端口?？刂破骶哂卸搪?、過載、防反接保護(hù)，充滿、過放自動(dòng)關(guān)斷、恢復(fù)等全功能保護(hù)措施，具有充電指示、蓄電池狀態(tài)、負(fù)載及各種故障指示。通過電腦主控器對(duì)蓄電池的端電壓、放電電流、環(huán)境溫度等涉及蓄電池容量的參數(shù)進(jìn)行采樣，通過控制模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)符合蓄電池特性的放電率、溫度補(bǔ)償修正、高準(zhǔn)確率控制。充電采用高效PWM模式，通過復(fù)合管Q1、Q2進(jìn)行充電控制，保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)，大大延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。通過電流傳感器S1測(cè)量輸出電流，三極管Q3實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，控制匹配器設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 控制匹配器的設(shè)計(jì)Fig.4 Design of controller

2.5 溫度控制電路設(shè)計(jì)

溫度控制電路采用 DS18B20溫度傳感器、AT89C2051單片機(jī)芯片、TA7267驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)把DS18B20檢測(cè)到的工作溫度與設(shè)定溫度相比較，根據(jù)比較的結(jié)果來相應(yīng)地控制單片機(jī)I/O端口，從而驅(qū)動(dòng)TA7267芯片輸出電壓信號(hào)，控制繼電器電路的通斷，從而控制制冷片工作時(shí)間，達(dá)到溫度控制的目的，控制原理如圖5所示。

3 半導(dǎo)體制片的性能分析

半導(dǎo)體制冷裝置的基本單元是半導(dǎo)體電偶。組成電偶的材料一個(gè)是P型半導(dǎo)體(空穴型)，一個(gè)是N型半導(dǎo)體(電子型)。它們作熱電制冷材料是由于其珀?duì)栙N效應(yīng)比普通的金屬電偶強(qiáng)得多，能夠在冷結(jié)點(diǎn)處表現(xiàn)出明顯的制冷作用。

圖5 溫度控制電路原理Fig.5 Theory of temperature monitoring circuit

半導(dǎo)體制冷片由許多N型和P型半導(dǎo)體互相排列而成，而N與P型半導(dǎo)體之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最后由兩片陶瓷片夾起來構(gòu)成熱電堆，利用半導(dǎo)體的熱電制冷效應(yīng)，將12 V直流電供給熱電堆，借助各種傳熱器件，使熱電堆的熱端不斷散熱，并保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱，實(shí)現(xiàn)降溫制冷，基于這一思想，建立半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，工作原理如圖6所示。

圖6 半導(dǎo)體制冷片工作原理Fig.6 Working theory of thermoelectric cooling chip

設(shè)冷端溫度為 T0，K;熱端溫度為Th，K;冷端從外界吸收的熱量為Q0，W;熱端向外界放出的熱量為Qh，W;輸入功率為 P，W;電路中電流為 I，A;當(dāng) P，N側(cè)面是絕熱的，電臂的幾何參數(shù)用橫截面積A，m、長(zhǎng)度L，m、面長(zhǎng)比r(r=A/L)表示;電臂的材料特性用熱電率λ，W/m·K;電阻率p，Ω/m表示，并分別用下標(biāo)P，N區(qū)別兩個(gè)電臂。

根據(jù)熱力學(xué)分析，可以得到一對(duì)半導(dǎo)體制冷單元制冷的基本計(jì)算公式如下［6］:

制冷量

消耗電功率

由式(1)可推導(dǎo)出下列公式:

從式(4)可知，半導(dǎo)體制冷片熱端散熱量Qh，等于制冷量與所消耗功率P(焦耳熱Qj和傳導(dǎo)熱Qλ)之和，所以，熱端散熱問題是影響制冷效率高低的重要因素。實(shí)際系統(tǒng)制冷時(shí)，如果不及時(shí)把這些熱量傳遞出去，不僅會(huì)對(duì)制冷效率造成很大影響，而且還會(huì)在短時(shí)間內(nèi)燒毀制冷片。另外，由式(1)可知，電偶的制冷能力與工作電流I有關(guān)。珀?duì)栙N熱越大，焦耳熱損失越小，則制冷能力越大。但珀?duì)栙N熱與電流成正比，焦耳熱與電流的平方成正比，故存在使制冷能力最大的最佳工作電流。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選用半導(dǎo)體制冷片TEC1-12704進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。主要考察在制冷片在不同電流下和散熱(冷)條件下的工作情況和制冷效果。分析電流和散熱(冷)條件對(duì)制冷效果的影響。電流的調(diào)節(jié)通過串聯(lián)不同阻值的大功率電阻來實(shí)現(xiàn)，半導(dǎo)體制冷裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 半導(dǎo)體制冷裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Experimental system of semiconductor refrigerator

制冷片分別工作在電流為1.23、1.67、2、2.5 A的工況下。不同工作電流下制冷片兩端的溫度變化曲線及工作時(shí)的環(huán)境溫度如圖8所示。需要指出的是，傳感器所采集到的制冷片冷熱端溫度只是制冷片兩端鋁翅片上的溫度，受散熱的影響，采集到熱端溫度要低于真實(shí)溫度，冷端溫度則要高于真實(shí)溫度，但也能間接反映制冷片兩端的溫度情況。制冷片在4種工況下的工作時(shí)間均為80 min左右，從圖中可以看出，制冷片熱端溫度上升較快，工作5 min左右達(dá)到或接近最大值，而冷端溫度則在40 min以后才基本達(dá)到下限值。

圖8 不同工作電流下制冷片兩端的溫度變化Fig.8 Temperature variation of thermoelectric cooling chip two junction under different current

在散熱裝置的作用下，制冷片熱端溫度隨工作電流的變化不大，均在30℃以下。工作電流分別為1.23、1.67、2 A時(shí)，冷端溫度隨工作電流的增加而減小。但當(dāng)工作電流達(dá)到2.5 A時(shí)，冷端溫度略有上升，表明此時(shí)的制冷效果隨電流的增加反而降低。這主要是因?yàn)殡S著電流的增加，制冷片熱端散熱量增加，而熱端的散熱裝置散熱強(qiáng)度有限，更多的熱量傳遞到制冷片的冷端，使冷端溫度升高，影響制冷效果。

圖9為不同工作電流下，箱體內(nèi)平均溫度的變化曲線。在4種工況下，制冷片工作一段時(shí)間后箱體內(nèi)的溫度都有不同程度的下降。工作電流為2 A時(shí)，制冷效果最好，箱體內(nèi)的平均溫度下降了約7℃。由此可見選擇合適的工作電流，制冷片能在較小的功耗下，獲得較好的制冷效果。

式(4)表明，制冷片制冷量還與制冷片兩端的溫差有關(guān)系。而制冷片兩端的溫差與散熱(冷)裝置的效率有關(guān)系。在工作電流為2 A的工況下，增加制冷片冷端的散冷功率，考察制冷量隨溫差的變化情況。

圖9 箱體內(nèi)平均溫度變化曲線Fig.9 Variation curves of average temperature in test chamber

圖10為增大散冷功率前后，制冷片兩端溫差和箱體內(nèi)的平均溫度隨時(shí)間的變化曲線。圖10a中，增大散冷功率后，制冷片兩端的溫差有所下降，同時(shí)，圖10b中顯示箱體內(nèi)的平均溫度下降了大約2℃。實(shí)驗(yàn)表明，增大冷端的散冷功率，強(qiáng)化了冷端鋁翅片與空氣的熱交換，增強(qiáng)了冷量的傳遞，又使得制冷片冷熱端溫差變小，提高制冷片的制冷量。

圖10 增大散冷功率Fig.10 Enhancement of the scattered cold ability

5 結(jié)論

(1)太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷裝置的設(shè)計(jì)和性能分析，可為半導(dǎo)體空調(diào)裝置的研制作理論和性能上的評(píng)估，也可為半導(dǎo)體制冷服、制冷帽的研制奠定基礎(chǔ)。

(2)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，并不是制冷電流越大，制冷效果越好，最佳工作電流與制冷系統(tǒng)熱端散熱效果有直接關(guān)系，制冷電流太大，熱端熱量不能及時(shí)散掉，會(huì)直接影響制冷效果。

(3)若要取得較好的制冷效果，應(yīng)增加制冷片冷端的散冷功率，既能增強(qiáng)冷量的傳遞，又能降低冷熱端的溫差，提高制冷片的制冷效果。

1 王宏杰，杜家練，陳金燦.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)性能特性優(yōu)化［J］.制冷，1999，18(4):54-58.

2 陳曉航，陳旭陽(yáng)，周穎慧.新型熱驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器性能的優(yōu)化分析［J］.低溫與超導(dǎo)，2003，31(1):52-55.

3 戴維涵，代彥軍，張 鵬.半導(dǎo)體制冷元件特性參數(shù)測(cè)量及選用［J］.上海交通人學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38(10):1669-1672.

4 金剛善.太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷/制熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究［D］.北京:清華大學(xué)，2004.

5 華舟萍.太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷器在卡車駕駛室內(nèi)的應(yīng)用研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

6 齊臣杰，卞 之，劉 杰.半導(dǎo)體制冷器優(yōu)化設(shè)計(jì)工作狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.低溫工程，2007(1):43-46.

Design and performance analysis of solar semiconductor refrigerator

Wang Huaiguang Fan Hongbo Li Guozhang

(Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

In order to research air condition system of semiconductor on solar enemy，a miniature solar semiconductor refrigerator was designed.It was composed of refrigeration part and temperature monitoring part，which were researched about fixing measure of thermoelectric cooling chip，designing methods of controller and temperature monitoring circuit，influencing factor of cooling performance.The variation of temperature difference between cold and hot junction，the average temperature in the test chamber were got on the basis of cooling experiment.The test results indicated the thermoelectric cooling chip’s work current should accord with the intensity of heat emission of semiconductor refrigeration system to gain a good cooling effect.Moreover，the scattered cold ability could be increased at cold junction.

semiconductor refrigeration;temperature monitoring;intensity of heat emission;power of scattered cold

TK519，TB657

A

1000-6516(2013)01-0050-06

2012-07-26;

2013-01-31

軍械工程學(xué)院重點(diǎn)基金項(xiàng)目(YJJ10002)

王懷光，男，34歲，講師，博士。