太陽能光伏發(fā)電半導(dǎo)體制冷研究綜述

馮錦新，方利國，郭 欣，黃江常，金 碩，賴劍威

( 華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 510640 )

太陽能光伏發(fā)電半導(dǎo)體制冷研究綜述

馮錦新，方利國，郭 欣，黃江常，金 碩，賴劍威

( 華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 510640 )

半導(dǎo)體制冷作為新型的制冷方式，具有許多優(yōu)點(diǎn)，是近年來國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。隨著國內(nèi)外對(duì)半導(dǎo)體制冷的研究與創(chuàng)新，半導(dǎo)體制冷技術(shù)得到不斷發(fā)展與進(jìn)步。本綜述結(jié)合現(xiàn)階段國內(nèi)外對(duì)半導(dǎo)體制冷的研究成果，從理論、材料、結(jié)構(gòu)、傳熱等方面進(jìn)行敘述，供相應(yīng)的研究借鑒與參考。

太陽能光伏發(fā)電；半導(dǎo)體制冷；綜合分析

Abstract：As a new cooling methods,TEC has many advantages,and is a worthy research and development of new technologies.With domestic and international research and innovation to TEC,the technology has been continuously developed and progress.Combined with the current domestic and foreign research results,the review is about theory,materials,structures,heat transfer study on TEC,for corresponding research and reference.

Keywords：Solar photovoltaic；Semiconductor refrigeration；Comprehensive Analysis

目前大多數(shù)的制冷設(shè)備都是靠電能來驅(qū)動(dòng)，使用的制冷劑對(duì)環(huán)境破壞也較嚴(yán)重，因此學(xué)者在致力于尋找一種清潔制冷方式。半導(dǎo)體制冷愈加引起研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。

太陽能半導(dǎo)體制冷制熱系統(tǒng)是一個(gè)光能到電能再到熱能的轉(zhuǎn)換過程。經(jīng)過光伏電池轉(zhuǎn)換得到的電能是直流形式，與半導(dǎo)體熱電制冷直流供電模式相對(duì)應(yīng)。太陽能半導(dǎo)體制冷在小范圍上的應(yīng)用獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)將其應(yīng)用到家用制冷器以及一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的制冷設(shè)備中。

現(xiàn)階段，無論是在生產(chǎn)、生活、科研技術(shù)、軍事、醫(yī)療等方面都離不開制冷技術(shù)。除了傳統(tǒng)的電能驅(qū)動(dòng)外，還有太陽能驅(qū)動(dòng)[1]、天然氣驅(qū)動(dòng)。制冷系統(tǒng)也分為熱聲制冷系統(tǒng)、半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)等[2]。其中，半導(dǎo)體制冷技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，十分契合未來制冷技術(shù)的發(fā)展方向。

1 半導(dǎo)體制冷研究現(xiàn)狀

與機(jī)械式制冷相比，半導(dǎo)體制冷技術(shù)仍有較大差距，在制冷效率與性能上半導(dǎo)體制冷受到多種因素的限制，例如工作電流、熱端散熱方式、冷熱端溫差、熱電偶組裝等[4,5]。下面就半導(dǎo)體制冷理論、材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱方式四個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)與分析。

1.1 半導(dǎo)體制冷理論

優(yōu)值系數(shù)作為半導(dǎo)體制冷的基礎(chǔ)參數(shù)，從根本上決定半導(dǎo)體理論的發(fā)展[6]。李曉等[7]推導(dǎo)出制冷系數(shù)、最佳電流的近似公式，得到了工作電流和優(yōu)值系數(shù)對(duì)制冷裝置性能的影響。王炯[8]對(duì)半導(dǎo)體制冷器載流子的輸運(yùn)機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)的研究，對(duì)半導(dǎo)體制冷的優(yōu)值系數(shù)ZT進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。

在熱力學(xué)和傳熱學(xué)角度，J.G.Stockholm等[9]建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)半導(dǎo)體制冷過程作了深入的理論討論，表明散熱量等于制冷量和輸入功率之和，散熱效率的提高是影響制冷效率的重要因素。在熱電效應(yīng)理論方面，Igor Volovichev[10]，I.N.Voloichev[11]分別對(duì)統(tǒng)一的單極半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)熱電效應(yīng)和統(tǒng)一的雙極半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)和研究，為熱電效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。V.Zalitic[12]從現(xiàn)代量子理論的角度出發(fā)，引入多種模型以及先進(jìn)的方法和技術(shù)。總體而言，半導(dǎo)體制冷的理論研究得到了有效的發(fā)展。

此外，許多學(xué)者通過建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了研究。卞之等[13]通過太陽能光電半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)，為確定系統(tǒng)最佳工作區(qū)域提供可靠依據(jù)。安景飛[14]提出了半導(dǎo)體制冷的工作范圍，建立了熱力學(xué)模型。Gang Chen等[15]通過有效元法對(duì)多個(gè)P-N結(jié)半導(dǎo)體在汽車尾氣發(fā)電系統(tǒng)中的服務(wù)條件進(jìn)行了模擬，對(duì)轉(zhuǎn)換效率和TE材料的力學(xué)性能進(jìn)行了分析計(jì)算和優(yōu)化，為車輛TE設(shè)備的設(shè)計(jì)及商業(yè)化提供了基礎(chǔ)。肖長(zhǎng)亮[16]對(duì)小型半導(dǎo)體制冷設(shè)備進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算及系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型，在系統(tǒng)制冷溫度改善、散熱風(fēng)道改進(jìn)、降低耗電量等方面進(jìn)行了驗(yàn)證。

1.2 半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料，又稱熱電材料，是半導(dǎo)體制冷裝置中最重要的部分，熱電材料的熱電性能直接決定半導(dǎo)體制冷的效率。半導(dǎo)體材料熱電性能用優(yōu)值系數(shù)ZT來表示

其中，S為賽貝克系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，κ為熱導(dǎo)率，T為開爾文溫度。對(duì)熱電材料的研究，也主要集中在如何提高其優(yōu)值系數(shù)。

1.2.1 低溫工作區(qū)熱電材料

低溫工作區(qū)熱電材料的典型代表為Bi2Te3基材料，也是研究最早、較為成熟的熱電材料之一，在室溫下ZT值約為1。

將Bi2Te3基材料低維化、納米化，是一個(gè)提高材料熱電性能的有效途徑。對(duì)三維的材料進(jìn)行最佳計(jì)算，在陷寬為10 ?條件下得Z3DT=0.5，而對(duì)于二維材料有Z2DT=2.5[17]，可見低維化對(duì)提高材料熱電性能作用顯著。M.Gharsallah等[18]通過電弧熔煉法制備的納米結(jié)構(gòu)的Bi2Te3，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中獲得了相當(dāng)?shù)偷碾娮柚? μΩ(320K)。S.M.Souza等[19]將機(jī)械合金化工藝(MA)與放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)材料的納米化，發(fā)現(xiàn)材料熱擴(kuò)散效率和熱電轉(zhuǎn)換效率都得到提高。L.P.BULAT等[20]對(duì)各向異性和納米粒子大小分布對(duì)納米(Bi,Sb)2Te3的晶格熱導(dǎo)率和優(yōu)值系數(shù)的影響進(jìn)行了研究，近年來對(duì)Bi2Te3基材料超晶格結(jié)構(gòu)的研究也逐漸成為一個(gè)熱門的方向。

2010年A.H.Li等[21]在晶格中摻雜石墨進(jìn)行的研究以及2013年M.K.HAN等[22]研究者在晶格中摻雜Cr，都獲得了較原來高的ZT值。

值得注意的是，近年來對(duì)Bi2Te3基材料超晶格結(jié)構(gòu)的研究也逐漸成為一個(gè)熱門的方向。除了Bi2Te3基材料，新型材料如過渡金屬五碲化合物也是適合于低溫工作區(qū)的熱電材料。過渡金屬五碲化合物的特點(diǎn)為過渡金屬碲的單晶化合物，具有準(zhǔn)一維運(yùn)輸?shù)男再|(zhì)，故呈現(xiàn)出較高的ZT值[23]。

1.2.2 中溫工作區(qū)熱電材料

PbTe是一種發(fā)現(xiàn)較早的中溫區(qū)熱電材料，適用于500～700K的工作環(huán)境，可用于制作溫差發(fā)電所需的熱電發(fā)電機(jī)等方面，目前應(yīng)用于實(shí)際的PbTe熱電器件優(yōu)值系數(shù)最高可達(dá)0.8，相應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換效率在7%左右。

PbTe的研究方向有合金化工藝。通過機(jī)械合金法等方式引入不同元素或化合物與PbTe形成固溶合金，在其原有的晶格結(jié)構(gòu)中引入短程無序，影響聲子的散射實(shí)現(xiàn)新晶格的熱導(dǎo)率下降。B.J.TSAI等[24]進(jìn)行了PbTe摻雜不同濃度的PbI2和Na元素的一系列研究證明摻雜法可以改變其熱電性能。Sunti Phewphong等[25]通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了在PbTe中摻雜Bi的熱電性能，在模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的前提下得出Bi摻雜使導(dǎo)熱系數(shù)降低的結(jié)論。陶小馬[26]等采用機(jī)械合金法和高頻熔煉法兩種方法制備PbTe熱電材料并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)械合金法制備的PbTe熱電材料結(jié)晶度更低，有更好的熱電性能。

新型的中溫區(qū)材料有Half-Heusler化合物等。Half-Heusler化合物通式為ABX,具有立方MgAgAs型結(jié)構(gòu)，由于其良好的綜合性能同樣得到許多研究者的青睞，降低Half-Heusler的生產(chǎn)成本和晶格尺寸將是其主要研究方向[27]。Paulina Komar等[28]建立Half-Heusler超晶格納米熱電模型系統(tǒng)并進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，超晶格結(jié)構(gòu)和表面粗糙度的增加使得材料的導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低。

1.2.3 高溫工作區(qū)熱電材料

SiGe合金是高溫區(qū)傳統(tǒng)材料的代表，可長(zhǎng)時(shí)間工作于700K以上的環(huán)境中,1000K環(huán)境下ZT值接近1，NASA很早就運(yùn)用其制備航空領(lǐng)域的溫差發(fā)電器。對(duì)SiGe基熱電材料的許多研究指出，SiGe合金組分分別為0.6和0.4左右時(shí)，其熱導(dǎo)率最小，而在Si85Ge15附近，Seebeck系數(shù)則最大[29]。提高SiGe熱電性能的方法，與Bi2Te3基材料、PbTe基材料等傳統(tǒng)熱電材料相似。

高溫區(qū)新型熱電材料中氧化物熱電材料較為引人關(guān)注。氧化物熱電材料由于具有層狀無序結(jié)構(gòu)，對(duì)聲子有好的散射作用而獲得較好的熱電性能。氧化物熱電材料的優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)成本低且性能穩(wěn)定。常見的氧化物熱電材料有層狀鈷化物、鈣鈦礦型氧化物等。詹斌等[30]在BiCuSeO氧化物中摻雜Pb制得的材料在800K左右得到的ZY值高達(dá)1.1。Yongkwan Dong等[31]對(duì)p型方鈷礦Ba0.15YbxCo3FeSb12和YbyCo3FeSb9As3的高溫?zé)犭娦阅苓M(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)多填充(Ba,Sb)比單填充(As)更能有效降低熱導(dǎo)率。?vgü Ceyda Yelgel[32]對(duì)摻雜Bi的Mg2(Si0.4Sn0.6)1-yBiy固溶體在高溫情況下進(jìn)行了理論研究，獲得了較高的理論ZT值。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，工作狀態(tài)、裝置設(shè)計(jì)、散熱方式以及多級(jí)熱電堆組建均對(duì)半導(dǎo)體制冷效率有所影響。如何改進(jìn)、優(yōu)化系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，提高制冷性能是值得研究的方向。

1.3.1 工作狀態(tài)

Wang Ying等[33]分析探討了半導(dǎo)體制冷的最佳操作條件。李石磊等[34]利用數(shù)值仿真，分析在不同電流工況下，熱、冷換熱系數(shù)的影響。王懷光等[35]指出了不同的電流工況、冷熱端散熱效果和制冷效果之間的關(guān)系。盧鏡明等[36]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，得出了半導(dǎo)體制冷片的能效比與輸入電流、冷熱端溫差的關(guān)系，從而能有效地提高能效比。此外，Yu-Mei Yang等[37]對(duì)薄膜微型熱電冷卻裝置在不同工作條件下熱彈性應(yīng)力的計(jì)算分析，對(duì)當(dāng)前高效率的微型熱電制冷裝置的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

1.3.2 裝置設(shè)計(jì)

在優(yōu)值系數(shù)沒有大的突破情況下，改進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)是一種很好的途徑，提高制冷效率。Hao Lv等[38]提出了結(jié)合兩段式設(shè)計(jì)和瞬間冷卻效果的全新設(shè)計(jì)理念。S.Manikandan等[39]引入筒狀太陽能平板熱電發(fā)電機(jī)新型結(jié)構(gòu)、環(huán)形熱電裝置，為太陽能熱電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)引入了新思路。

在傳統(tǒng)的裝置設(shè)計(jì)中，也從很多方面對(duì)其工作性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化。Hamed Sadighi Dizaji等[40]在對(duì)空氣-水基于TEC制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究中，對(duì)原有裝置做出了新型化的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。蔣文勝[41]通過取最大制冷量，設(shè)計(jì)了相應(yīng)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。徐昌貴[42]則通過對(duì)半導(dǎo)體制冷模塊的優(yōu)化模擬，減小模塊的理想系數(shù)和實(shí)際性能系數(shù)差值。

整個(gè)系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在新型的設(shè)計(jì)方法和對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化整合，但是不論哪種設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在對(duì)整個(gè)體系的優(yōu)化模擬中，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行合理有效的安排、對(duì)TE模塊地合理配置、對(duì)電流電壓的合理控制、對(duì)熱量的有效利用等[43]是在原有程度上提高體系效率值的關(guān)鍵。

1.3.3 散熱方式

散熱方式影響著熱端的溫度，而冷熱溫差將會(huì)對(duì)制冷裝置的效率產(chǎn)生影響。戴源德[44]討論了熱管散熱半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其原理，總結(jié)出相對(duì)于其他散熱方式，熱管散熱的效果是最佳的。楊建敏[45]將熱管與風(fēng)冷散熱和水冷散熱相結(jié)合，設(shè)計(jì)出新的循環(huán)制冷裝置；許宜民等[46]分析了制冷器冷、熱端裝配結(jié)構(gòu)與方式對(duì)制冷器制冷性能的影響；陳永根[47]、何燕[48]等人討論了幾種常見的散熱方式，分析了各自的優(yōu)劣，前者提出了熱端分區(qū)冷卻的新概念，后者得出了液體循環(huán)散熱的效率最高的結(jié)論；王亞雄[49]對(duì)新型熱電制冷裝置在各種不同工作環(huán)境下的制冷性能作了相應(yīng)的研究。王瑩[50]對(duì)風(fēng)冷、熱管、熱管和風(fēng)冷相結(jié)合這三種散熱方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為熱管和風(fēng)冷的混合方式散熱最佳。

1.3.4 采用多級(jí)電堆改善制冷效率

一級(jí)半導(dǎo)體制冷器由于半導(dǎo)體材料的限制，其冷熱端溫度差遠(yuǎn)不能達(dá)到理想的狀態(tài)，而且當(dāng)工作在最大溫度差的情況下，制冷工況將迅速變化，并嚴(yán)重影響制冷效率。多級(jí)半導(dǎo)體制冷則可很好地解決這一疑難，達(dá)到冷熱端大溫差的同時(shí)，仍能保持相對(duì)較高的制冷性能。

戴源德在討論熱管散熱的半導(dǎo)體制冷時(shí)提出了通過多級(jí)電推的方式可以彌補(bǔ)制冷元件制冷量小的缺點(diǎn)，能滿足對(duì)較大制冷量的需求。張美鑫等[51]給出了不同優(yōu)化條件下熱電堆數(shù)量比及無量綱電流的取值范圍。毛佳妮等[52]提出了一種能反映多級(jí)熱電堆端面介質(zhì)環(huán)境擾動(dòng)影響的新性能預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法。武衛(wèi)東等[53]研究了不同工況下六級(jí)半導(dǎo)體制冷器冷端溫度的變化規(guī)律。申利梅等[54]討論熱電偶對(duì)數(shù)比、工作電流和面長(zhǎng)比對(duì)兩塊熱電制冷模塊的熱連接與電連接方式的制冷量和制冷系數(shù)的影響。趙舉[55]對(duì)多級(jí)熱電制冷器進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了物理模型，得到相應(yīng)的理論推導(dǎo)。

1.4 傳熱方式

半導(dǎo)體制冷效率的提高除了和自身材料性能有關(guān)，還和制冷系統(tǒng)的熱端散熱效率有關(guān)。國內(nèi)外研究已表明半導(dǎo)體的散熱量是制冷量和輸入功率之和，則要提高制冷效率，就必須提高熱端的散熱量，而優(yōu)化散熱方式是提高散熱量的途徑之一。目前為止的散熱方式主要有：自然對(duì)流散熱、強(qiáng)迫對(duì)流散熱、液體冷卻散熱(主要為水冷散熱)、相變散熱等。

在理論不斷成熟的階段，學(xué)者們對(duì)熱端的散熱方式有了新的研究成果。黃煥文等[56]分析了風(fēng)冷式、水冷式散熱的半導(dǎo)體制冷效率與傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷效率的區(qū)別，同時(shí)，通過改變風(fēng)冷式散熱半導(dǎo)體制冷的風(fēng)扇功率、散熱片結(jié)構(gòu)等分析優(yōu)化了半導(dǎo)體制冷的散熱模式。劉小平等[57]分別對(duì)三種制冷功率的半導(dǎo)體制冷片在不同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出了半導(dǎo)體制冷片熱端、冷端、和熱管式散熱器的溫度隨制冷功率、環(huán)境溫度、風(fēng)速的變化趨勢(shì)。趙陽[58]采用自然對(duì)流熱管散熱器對(duì)半導(dǎo)體制冷箱熱端進(jìn)行散熱，利用Fluent 對(duì)散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化。鄭大宇等[59]采用增大冷端的對(duì)流換熱面積和提高冷端的對(duì)流換熱系數(shù)的方法來解決冷量傳遞問題，提高小型制冷裝置的工作效率。馬廣青[60]討論了散熱與熱管技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀同時(shí)還介紹了其他幾種常見散熱方式的結(jié)構(gòu)和原理。趙亮[61]針對(duì)熱電制冷器不同功率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，提出熱電制冷技術(shù)可以滿足高功耗商業(yè)芯片的散熱需求。

在眾多研究中，許多學(xué)者都曾在半導(dǎo)體制冷器性能的實(shí)驗(yàn)研究中指出：實(shí)際運(yùn)行中半導(dǎo)體制冷器的熱端散熱強(qiáng)度是有限的，在制冷量較大的情況下，制冷量的波動(dòng)會(huì)引起熱端溫度較大的波動(dòng)，半導(dǎo)體制冷器制冷能力的最大工況已經(jīng)不是通常假定熱端溫度一定時(shí)計(jì)算出來的最大制冷工況。這說明不能無限制地通過提高散熱強(qiáng)度來提高散熱性能。

2 半導(dǎo)體制冷在各領(lǐng)域的應(yīng)用

半導(dǎo)體制冷的應(yīng)用已經(jīng)涉及到生活生產(chǎn)的諸多方面，尤其是在制冷量不大,體積要求小的情況下更是具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在軍事上，潛艇、導(dǎo)彈、雷達(dá)、潛艇等均有涉及。在科研上，可應(yīng)用于折射計(jì)、分光光度計(jì)、激光視準(zhǔn)儀、恒溫、高低溫實(shí)驗(yàn)儀片。在醫(yī)療生物上，廣泛應(yīng)用于家用胰島素冷卻器、血液分析儀、醫(yī)學(xué)恒溫箱[62]等。在專用裝置上,電子技術(shù)的冷卻、生化產(chǎn)品低溫測(cè)試儀、小型培養(yǎng)保溫箱[63]等。在日常生活中，節(jié)能空調(diào)[64]、新型節(jié)能飲水機(jī)[65]等。隨著半導(dǎo)體制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，制冷效率的不斷提高,半導(dǎo)體材料的不斷更新，所需成本越來越低，性能也越來越強(qiáng)，半導(dǎo)體制冷器必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

3 半導(dǎo)體制冷的熱點(diǎn)、難點(diǎn)及存在的問題

3.1 半導(dǎo)體制冷的熱點(diǎn)

半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展隨著環(huán)境的不斷惡化愈加引起人們重視，這一技術(shù)也得以更好更快地發(fā)展。半導(dǎo)體制冷的理論、材料的創(chuàng)新以及系統(tǒng)優(yōu)化成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。

3.1.1 新型材料的開發(fā)

熱電材料的發(fā)展決定了半導(dǎo)體制冷發(fā)展的上限，只有不斷地提高熱電材料的優(yōu)值系數(shù)，才能具有與機(jī)械制冷競(jìng)爭(zhēng)的條件。

由于傳統(tǒng)材料的局限性，目前新型材料的開發(fā)主要集中在納米材料、混合材料和超晶格結(jié)構(gòu)等方面。Mehta Rutcik[66]等通過硫摻雜納米碲化銻化合物改變了賽貝克系數(shù)，從而改變了優(yōu)值系數(shù)。Liu Huili等[67]對(duì)銅硒結(jié)晶半導(dǎo)體的研究分析，提出由液體狀離子環(huán)繞晶格系統(tǒng)的高效熱電材料。由此可見，新型材料的開發(fā)是研究的突破點(diǎn)之一，高優(yōu)值系數(shù)材料的發(fā)現(xiàn)將會(huì)改變當(dāng)前半導(dǎo)體制冷技術(shù)處于不利的局面，真正推動(dòng)這一技術(shù)的發(fā)展。

3.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)伴隨著半導(dǎo)體新型材料的發(fā)展而改變。在以傳統(tǒng)制冷塊為核心的制冷系統(tǒng)中，整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是集中在對(duì)耦合半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)電流，功率等設(shè)計(jì)選擇，選取最佳狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行工作，以達(dá)到最佳效率。在此，Hao Lv等人的新型設(shè)計(jì)有較大的參考價(jià)值。而通過對(duì)制冷塊形狀的設(shè)計(jì)也能設(shè)計(jì)出更多新型的系統(tǒng)，例如S.Manikandan等的SATEG系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有極大的想象空間，根據(jù)環(huán)境的需要，以及效率的提高，能夠設(shè)計(jì)出適合發(fā)展，滿足條件的制冷結(jié)構(gòu)。

在散熱端也可采用多種方式，風(fēng)冷散熱，水冷散熱，相變散熱。在小規(guī)模應(yīng)用中，從成本上考慮依然采用風(fēng)冷散熱；在大規(guī)模制冷中，水冷散熱技術(shù)已經(jīng)趨于成熟并逐漸投入應(yīng)用；相變散熱由于其材料的局限性應(yīng)用領(lǐng)域比較小。上述幾種散熱方式的結(jié)合使用也是當(dāng)前的一種趨勢(shì)。

3.2 半導(dǎo)體制冷的難點(diǎn)

(1)理論上的問題

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的研究涉及到熱力學(xué)原理、熱力學(xué)定律甚至量子力學(xué)等多方面的知識(shí)，當(dāng)前，隨著半導(dǎo)體制冷研究逐漸深入到量子力學(xué)的范圍，其理論研究也達(dá)到了新的高度。但是，由于半導(dǎo)體發(fā)展較慢，更多方面的理論性知識(shí)仍然不成熟不完善，這也很大程度上限制了這一技術(shù)上的發(fā)展。

(2)材料上新的突破

如今現(xiàn)有材料的優(yōu)值系數(shù)較低，使得人們更關(guān)注于高優(yōu)值系數(shù)材料的發(fā)展上，更好的材料也將有效地解決當(dāng)前制冷效率偏低，無法與機(jī)械制冷形成競(jìng)爭(zhēng)力等問題。材料上的突破也將成為一個(gè)分水嶺，將會(huì)把半導(dǎo)體制冷技術(shù)帶到更高的層次。

(3)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

當(dāng)前半導(dǎo)體的制冷效率低，并不能滿足較大制冷量的需求，所以多級(jí)耦合半導(dǎo)體系統(tǒng)成為了當(dāng)前的主流設(shè)計(jì)。盡管更新型有效的結(jié)構(gòu)依舊處于實(shí)驗(yàn)階段，但是可以預(yù)測(cè)這些更具優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)將會(huì)更符合未來發(fā)展潮流。此外，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也應(yīng)與新型材料的開發(fā)相適應(yīng)。

(4)傳熱方式的優(yōu)化

在當(dāng)前熱管與半導(dǎo)體有效結(jié)合的傳熱方式中，熱管的導(dǎo)熱率影響著傳熱效率，如何提高熱管的導(dǎo)熱率也成為了傳熱方式優(yōu)化的一個(gè)方面。此外，在半導(dǎo)體散熱端，當(dāng)前效率較高的是相變散熱，但是這一散熱對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求較高，因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)高效完整的系統(tǒng)也是一個(gè)很好的優(yōu)化方向。同時(shí)，相變散熱中對(duì)發(fā)生相變的物質(zhì)也有較高的要求，對(duì)相變物質(zhì)的研究也將推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。

3.3 半導(dǎo)體制冷當(dāng)前存在的問題

(1)優(yōu)值系數(shù)的提高

優(yōu)值系數(shù)主要取決于材料的發(fā)展，除了對(duì)傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的改進(jìn)，納米材料、混合材料和超晶格結(jié)構(gòu)等等材料的出現(xiàn)為其發(fā)展提供了新型思路，未來應(yīng)用中的材料很有可能屬于這些新型材料。

(2)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與成本的降低

各種器件功能的整合和簡(jiǎn)化能夠?yàn)橹评湎到y(tǒng)帶來很大的改變，在器件的整合和小型化過程中，制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步優(yōu)化和簡(jiǎn)化，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。

整個(gè)制冷系統(tǒng)的應(yīng)用仍不是很普遍，一個(gè)很重要的原因就是整個(gè)工藝過程的成本問題，系統(tǒng)器件價(jià)格很高，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的成本很高。在與機(jī)械制冷的競(jìng)爭(zhēng)中處于明顯的不利局勢(shì)，難以普及到各個(gè)領(lǐng)域。降低各部分成本后的系統(tǒng)會(huì)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)。

(3)半導(dǎo)體制冷的理論發(fā)展

半導(dǎo)體理論的發(fā)展相對(duì)而言比較緩慢，沒能很好的跟上半導(dǎo)體制冷結(jié)構(gòu)的發(fā)展，限制了其結(jié)構(gòu)的發(fā)展。但是，隨之更多學(xué)者的研究，半導(dǎo)體制冷理論也在一步步完善，相信不久就會(huì)有很大的突破。

(4)實(shí)際應(yīng)用中的諸多問題

在實(shí)際的應(yīng)用中也有許多問題會(huì)影響到系統(tǒng)的制冷效率，例如復(fù)雜的多參數(shù)工況、熱端溫度的精確控制等等。在當(dāng)前主流的太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的研究中，太陽能電池和直流蓄電池的控制、太陽能的收集、光電轉(zhuǎn)換效率等等也會(huì)影響到系統(tǒng)的實(shí)際效率，此外，由于其效率低、價(jià)格高，限制了其推廣應(yīng)用，難以達(dá)到實(shí)用化高度。

4 結(jié)束語

隨著時(shí)代的發(fā)展，太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)愈發(fā)引起人們的關(guān)注。隨著太陽能電池技術(shù)的飛速發(fā)展，以及半導(dǎo)體制冷技術(shù)的完善，可以預(yù)見，未來太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)將會(huì)以其技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，制冷迅速，對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛的普及，從而在能源匱乏的將來代替當(dāng)前的機(jī)械制冷。本文通過對(duì)國內(nèi)外最新文獻(xiàn)的綜合論述，從多個(gè)方面對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)探討，可以看出，當(dāng)前的半導(dǎo)體制冷仍處于發(fā)展推廣階段，各個(gè)部分都有諸多問題有待解決，所以希望更多的學(xué)者能夠投入到這一技術(shù)的研究之中，推動(dòng)其發(fā)展，為未來的半導(dǎo)體制冷藍(lán)圖畫上自己的痕跡。

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SummaryofSolarPhotovoltaicSemiconductorRefrigeration

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(Chemistry and Chemical Engineering,South China University of Technology,Guangdong Guangzhou,510640,China)

2016-11-25

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610561092)

馮錦新(1995-)，男，本科生，主要研究方向?yàn)槟茉椿?。E-mail：2270630277@qq.com

ISSN1005-9180(2017)03-063-07

TB66文獻(xiàn)標(biāo)示碼B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.013