熱電制冷的應用與優(yōu)化綜述

(南京理工大學能源與動力工程學院 南京 210094)

熱電制冷(TEC)完全不同于蒸發(fā)壓縮式制冷和吸收式制冷，是以溫差電現(xiàn)象為基礎的制冷方式，是帕爾貼效應(Peltier effect)在制冷方面的應用，可以直接將電能轉化為溫度梯度從而進行制冷[1]。

熱電制冷最早始于19世紀，德國科學家賽貝克發(fā)現(xiàn)不同導體接頭處存在溫差時會產(chǎn)生電勢——賽貝克效應(Seebeck effect)。而后帕爾貼又發(fā)現(xiàn)不僅溫差會產(chǎn)生電勢，電勢也會產(chǎn)生溫差的帕爾帖效應，由此開始了熱電制冷的研究。隨后，熱力學創(chuàng)始人之一的湯姆遜從理論方面展開了對于熱電制冷的研究，發(fā)現(xiàn)了影響熱電制冷的另一種可逆的湯姆遜效應(Thomson effect)。熱電制冷由這3種可逆效應和不可逆的焦耳效應(Joule effect)及傅里葉效應(Fourier effect)組成[2]。

圖1 熱電制冷原理

熱電制冷的原理如圖1所示。熱電制冷器內部由多對P、N型半導體聯(lián)結的熱電偶組成。受帕爾貼效應影響，通電情況下熱電偶會產(chǎn)生一端吸熱，另一端放熱的現(xiàn)象。這種熱電制冷器具有體積小、結構簡單、可靠性高、制冷迅速和操作簡單等優(yōu)點[3]，但也存在制冷效率低的問題，同時對于材料的高度依賴性、制造成本高等因素也制約了其發(fā)展。

近年來，熱電制冷除了應用于軍工、航天、醫(yī)療[4-5]以及科學研究等傳統(tǒng)方面，也逐漸與人們的生活變得越來越密切，越來越多的熱電制冷被研究用于商業(yè)化的汽車[6]、冰箱[7]、空調[8]等方面。

對于熱電制冷的研究，目前主要集中在高優(yōu)值系數(shù)(ZT)熱電材料的研究與制造、基于已定熱電材料的性能優(yōu)化及應用推廣[9-10]等方面。盡管近年來熱電材料已有較多的研究成果，使優(yōu)值系數(shù)有了相應提高，但一些高優(yōu)值系數(shù)的材料目前仍處于實驗室階段，存在復制和大規(guī)模制造困難等問題，商業(yè)化的高優(yōu)值系數(shù)材料依然有待發(fā)展[11]。因此如何對現(xiàn)有的熱電材料進行優(yōu)化和應用，挖掘其“潛力”，成為具有現(xiàn)實意義的重要研究方向。本文從近些年熱電制冷的應用和優(yōu)化兩方面出發(fā)，對熱電制冷的研究進展進行了相應的分析總結，希望可以為熱電制冷在實際應用中的推廣及其性能提升提供參考和幫助。

1 熱電制冷的應用

隨著電子器件的不斷發(fā)展以及人們對于高品質生活的追求，熱電制冷以其體積小、重量輕、控溫準確以及制冷迅速等優(yōu)勢，在生產(chǎn)生活的各領域應用越來越廣泛[12-13]。為發(fā)揮熱電制冷的優(yōu)勢及彌補制冷效率低的問題，近年也形成了很多熱電制冷與其他系統(tǒng)復合的形式。復合系統(tǒng)的出現(xiàn)及材料性能和制造技術的不斷提升，使得大功率的熱電制冷模塊陣列在大型負荷場所也得到越來越多的應用。

1.1 熱電冰箱

在家用熱電冰箱領域，D. Astrain等[14-15]采用新型熱管散熱，以優(yōu)化散熱方式提高了熱電冰箱的COP。后針對熱電冰箱制冷效率低和蒸氣壓縮式溫度波動大的缺點，又提出并改進了一種熱電制冷與蒸氣壓縮式相結合的混合式冰箱[16-17]，該冰箱既能精準控制冰箱內部溫度又有較高的COP，對高級食材和藥物的保存起到了較好的幫助。在戶外旅行和汽車領域， Dai Y. J. 等[18-19]利用普通電池和太陽能光伏電池都能直接供電的特性，對太陽能電池驅動的便攜式熱電冰箱進行了實驗和理論研究，并改善了其應用性能。S. A. Abdul-Wahab等[20]設計制造了一臺便攜式熱電冰箱并對其進行了性能檢測，結果表明熱電冰箱的制冷速度很快，但COP僅約為0.16。在醫(yī)療領域，對于疫苗、血清以及其他生物產(chǎn)品的運輸和保存有著嚴格的溫度控制要求，對此He Rongrong等[21]研制了一種便攜式熱電制冷冰箱，該熱電冰箱既能夠穩(wěn)定的保持藥物所需溫度，也具有較好的便攜性，相比傳統(tǒng)制冷冰箱優(yōu)勢顯著。

1.2 熱電空調

S. B. Riffat等[22]就熱電空調與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式空調、吸收式空調進行對比，結果表明熱電空調制冷COP僅在0.38～0.45范圍內，遠低于傳統(tǒng)空調。Shen Limei等[23-24]為提升熱電空調的性能，先后提出并改進了一種熱電輻射空調系統(tǒng)(TE-RAC)。主要以熱電模塊陣列作為輻射板來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水合板，改進后的熱電輻射空調制冷COP能夠達到0.78～1.07，相比傳統(tǒng)熱電空調有了很大改善。. G. Miranda等[6]對電動汽車用的熱電空調進行了可行性研究，以熱電模塊為負載、太陽能電池為可再生能源、高功率鋰離子電池為儲能裝置設計了一套熱電空調系統(tǒng)。A. Attar等[25]指出使用熱電空調系統(tǒng)可以靈活冷卻指定區(qū)域，而非所有空間，能夠有效降低由于熱電空調COP低所導致的電能浪費。此外他們還對汽車用熱電空調進行了優(yōu)化設計和實驗驗證[26]，模擬與實驗結果也表明優(yōu)化后車用熱電空調制冷COP能夠達到1.7。

在熱電空調的舒適性方面，K. Irshad等[27-28]對熱電風管空調系統(tǒng)(TE-AD)進行了研究，結果表明在熱帶氣候地區(qū)，熱電風管空調系統(tǒng)在舒適性方面顯示出了對于傳統(tǒng)空調的良好替代性。在此基礎上K. Irshad等[29]研究了在房間外墻的南面設立太陽能與TE-AD相結合的空調系統(tǒng)，結果表明該系統(tǒng)可有效降低室內熱負荷，提高系統(tǒng)制冷功率及COP，為建筑節(jié)能提供了有利條件。

1.3 電子設備冷卻

在電子設備的冷卻方面，S. O. Tan等[30]研究表明電腦在熱電冷卻下的性能優(yōu)于空冷和水冷，對其溫度測定結果也表明熱電冷卻下的電腦溫度平均約為33 ℃，遠低于其他冷卻方式的下平均溫度。Liu Di等[31]將微型熱電制冷器與微型熱管相結合用于CPU的散熱，有效抑制了CPU功率過大時溫度的大幅上升。扶新等[32]將熱電制冷用于CPU散熱時考慮了結露問題，并對熱電制冷器的冷量控制進行了設計。在半導體激光器的溫度控制方面，Zhang Wei等[33]指出激光器的性能與其熱控制系統(tǒng)關系密切，在不使用熱電制冷器降溫的情況下，激光器內光學芯片的溫度會高達227 ℃，而熱電制冷器的應用能夠有效地將芯片溫度控制在30～40 ℃，使得激光器能夠更穩(wěn)定、更高效的工作。根據(jù)國內醫(yī)療成像的實際問題，傅明星等[34-38]研制了一套熱電制冷攝像機，通過熱電制冷器為成像器件創(chuàng)造了恒定的低溫環(huán)境，有效提高了攝像器件的信噪比及攝像機品質。

在微電子領域，傳統(tǒng)塊狀熱電制冷器體積較大，與微電子制造工藝不兼容，這使其應用受到很大限制。而平面薄膜熱電制冷器[39]的出現(xiàn)，以其微型化特性及與標準集成電路(IC)的良好兼容性，被廣泛的集成到了微電子電路中。Su Yu等[40]對用于芯片冷卻的薄膜熱電冷卻器進行了實驗與模擬研究，分析了接觸電阻和熱阻對其性能的影響。劉光裕[41]基于通信用激光器的散熱，研究了一款薄膜熱電制冷器，以控制激光器的內部溫度。劉向陽等[42-43]基于熱電材料的進步，分別對小型、微型熱電器件的研究和應用進行了總結，為熱電制冷的相關研究提供了幫助。

1.4 熱電復合系統(tǒng)

1.4.1 熱電制冷與太陽能

太陽能作為一種長效清潔能源與熱電制冷系統(tǒng)相結合具有非常好的季節(jié)和晝夜匹配性。且太陽能可以解決熱電制冷的電源問題，熱電制冷也可以提高光伏發(fā)電效率。所以各種熱電制冷與太陽能形成復合系統(tǒng)的應用越來越廣。

S. Soltani等[44-45]發(fā)現(xiàn)光伏電池板的發(fā)電效率受面板溫度影響很大，隨著面板溫度的升高，光伏組件的輸出功率下降，且電池退化加速，降低了光伏組件的效率和壽命。因此，A. Kane等[46]設計研究了用于降低光伏發(fā)電腔溫度的熱電制冷器，結果表明在一定溫度和光照范圍內，該裝置能有效提高發(fā)電能力、延長光伏組件壽命。

Liu Zhongbing等[47]在零耗能建筑的研究中指出太陽能熱電輻射空調系統(tǒng)和太陽能蓄能空調系統(tǒng)的COP分別可達1.90和1.22，均優(yōu)于常規(guī)熱電制冷系統(tǒng)。Shen Limei等[48]在零耗能建筑的研究中將熱電制冷(TEC)和熱電發(fā)電(TEG)與太陽能相結合，TEC用于熱電輻射頂板和一次空氣處理裝置中，為室內提供良好的熱舒適和新鮮空氣，TEG則與太陽能光伏電池板相結合，用于改善發(fā)電效率。在電源方面，M. A. Muoz-García等[49]利用太陽能驅動熱電制冷模塊進行冷凝集水，用于干旱地區(qū)幼樹的灌溉方面。熱電制冷與太陽能復合系統(tǒng)還包括太陽能熱電制冷背包[50]及太陽能熱電冰箱等。

1.4.2 熱電與蒸氣壓縮式復合制冷系統(tǒng)

陳波等[51-52]提出利用熱電制冷來提高蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的過冷度，降低節(jié)流損失，從而提高系統(tǒng)的整體制冷性能。在與家用空調的復合制冷系統(tǒng)方面，金聽祥等[53]研究表明用熱電制冷器提高冷凝器出口的過冷度，可以明顯提高系統(tǒng)的制冷量和系統(tǒng)性能系數(shù)。J. Sarkar等[54-55]在提升CO2跨臨界制冷性能的研究中指出，在CO2制冷系統(tǒng)中使用熱電制冷器進行過冷，不僅可以提高制冷COP和系統(tǒng)的容積冷卻能力，還能降低系統(tǒng)的高側壓力、壓縮機壓力比和壓縮機排氣溫度。S. Jamali等[56]對熱電與跨臨界CO2復合制冷系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進，利用兩級熱電發(fā)電機從氣體冷卻器的余熱中產(chǎn)生電能。與簡單的CO2制冷循環(huán)對比表明，該復合系統(tǒng)的COP提高約19%。

1.4.3 熱電與蒸發(fā)冷卻復合制冷系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻是一種高效、經(jīng)濟和環(huán)保的冷卻方式，在空氣調節(jié)方面有著非常廣泛的應用，但蒸發(fā)冷卻在溫和潮濕環(huán)境中，冷卻能力受到很大限制。且外界空氣條件不穩(wěn)定時，單一的蒸發(fā)冷卻不能保證性能的穩(wěn)定。孫哲等[57]提出將蒸發(fā)冷卻與熱電制冷相結合的復合制冷系統(tǒng)，并對蒸發(fā)冷卻與半導體制冷相結合的分體式蒸發(fā)空調器進行了實驗研究。

孫哲等[58-59]指出通過蒸發(fā)冷卻技術既可制取冷風也可制取冷水，但制取的空氣和冷卻水的溫度只能理論上接近被處理空氣的濕球溫度或露點溫度，不能滿足較高需求場合的要求。而在熱電與蒸發(fā)冷卻復合系統(tǒng)中，通過熱電制冷對蒸發(fā)冷卻制取的冷水進一步冷卻，即可達到較高溫度要求。這種復合系統(tǒng)[60]的優(yōu)勢在于，熱電制冷對蒸發(fā)冷卻有著補充和輔助調節(jié)的作用，蒸發(fā)冷卻制取的接近濕球溫度的水可為熱電制冷的熱端進行散熱，使熱電制冷性能得到提升。

1.4.4 其他復合系統(tǒng)

在復合熱泵系統(tǒng)中，Zhu Lin等[61]將熱電制冷器與空氣源熱泵相結合，通過熱電冷卻器的冷端進行制冷劑的過冷，熱端作為輔助加熱，充分利用熱電模塊的冷熱能，有效提高了熱泵機組的性能。在復合系統(tǒng)除濕領域，鄭宇薇等[62]建立了熱電制冷與固體除濕相結合的除濕裝置，基于固體除濕劑的除濕特性，使熱電制冷器的冷端溫度可以不低于露點的溫度進行除濕，且利用熱端的熱量幫助固體吸濕材料進行再生。復合系統(tǒng)也包括熱電制冷與膜蒸餾相結合[63]、熱電制冷與相變儲熱相結合[64]等多方面應用。

1.5 其他方面的應用

熔融材料的成型質量對溫度的要求非常高，溫度較高則材料成型過程中易產(chǎn)生拉絲，而溫度較低則容易干裂和變形。呂逸飛[65]將控溫準確、冷熱轉換方便的熱電制冷技術用于熔融材料溫度的控制。等電聚焦裝置(IEF)在科學研究中，特別是在蛋白質組學中有著廣泛的應用。由于裝置工作時會產(chǎn)生許多焦耳熱，對蛋白質分離有不利影響，溫度控制是IEF運行的關鍵。Hu H. M. 等[66]將熱電制冷器應用于等電聚焦裝置中，以達到快速、精確控制溫度。為保證微納米測量的準確性，蔡震[67]基于熱電制冷研制了一套高精度溫度控制系統(tǒng)，以控制溫度的穩(wěn)定?；跓犭娭评渚哂畜w積小、工作穩(wěn)定等特點，郭宗坤等[68-69]研制了一種基于熱電制冷技術的除濕裝置，用于改善電柜內濕度過高、凝露等問題。此外還有便攜式淡水發(fā)生器[70]、飲料冷卻器[71]、熱電汽車座椅[72]、熱電制冷頭盔[73]等多方面的應用。

2 熱電制冷性能優(yōu)化

熱電制冷的性能評判標準除決定材料的優(yōu)值系數(shù)(ZT)外，還包括制冷量(Qc)、制冷系數(shù)(COP)及冷端溫度(Tc)等。由于熱電優(yōu)化一般不能使其整體性能同時達到最優(yōu)[74]，所以熱電制冷優(yōu)化通常是針對部分性能進行。本文也將從熱電制冷的結構、工作參數(shù)及熱端散熱等方面闡述熱電制冷的性能優(yōu)化。

2.1 熱電制冷結構優(yōu)化

熱電制冷器的核心是熱電模塊，而熱電制冷的結構優(yōu)化目前主要集中在熱電模塊內的P、N型熱電元件及熱電制冷器兩部分，所以本文將從這兩部分闡述熱電制冷的結構優(yōu)化。

熱電元件的結構優(yōu)化主要集中在熱電元件的臂長(L)、面積(A)及對數(shù)等方面。 Min Gao等[75]通過模擬的方式，研究了熱電元件臂長對于熱電制冷的影響，結果表明，COP會隨熱電元件L的減小而減小，而制冷量隨L減小而逐漸增加，直到達到其最大值。K. Pietrzyk等[76-79]對熱電元件的幾何因子G(G=L/A)、熱電元件對數(shù)(N)以及B因子等進行了優(yōu)化研究，以獲得更低的冷端溫度。Wang Tianhu等[80]為提升熱電制冷的整體性能，對熱電制冷進行了較為完整的參數(shù)分析和優(yōu)化設計，如兩級熱電模塊中的臂長比(λ=L1/Lt)[81]，P、N型熱電元件所占面積比(φ=Ap/(Ap+An))，填充因子(γ=(Ap+An)/Apair)[82]以及兩級熱電對數(shù)比(ζ=N1：N2)[83-84]等。Lü Hao等[85-86]研究了變截面的熱電元件，以改進熱電制冷的瞬態(tài)冷卻，如圖2所示。Lin Shumin等[87]做了關于變截面的梯形熱電元件優(yōu)化研究，以獲得更高的COP和更大的制冷量，值得注意的是此兩級熱電制冷模塊沒有中間陶瓷板存在，有效降低了兩級間的熱阻，如圖3所示。

圖2 變截面熱電元件

圖3 梯形熱電偶

熱電制冷器結構優(yōu)化，一部分集中在不同的級數(shù)和形式方面。因為不同級數(shù)的熱電制冷器本身就是一種優(yōu)化，H. Nami等[88]綜合熱力學和經(jīng)濟學兩方面對比了單級和兩級熱電制冷器，結果分析表明兩級熱電制冷器具有更大的能效和火用效，能達到更大的溫差，但單級熱電的結構更簡單，成本更低。在多級制冷器方面，G. Karimi等[89]研究了熱電制冷器級數(shù)(S)及熱電對數(shù)比對于熱電制冷性能的影響。結果表明靠近熱端的熱電元件對數(shù)越多越有利于熱量的排出，可以達到的冷端溫度也越低?？紤]各級臂長對于排熱量的影響，Yang Ronggui等[90-91]對多級熱電制冷器的各級臂長進行了相應研究，結果表明靠近熱級的臂長越短越利于熱端散熱。為適應不同的應用，熱電制冷器核心的熱電制冷模塊形狀也包括了環(huán)形、波紋形和薄膜形等不同的結構形式[92-93]。

熱電制冷器結構優(yōu)化的另一部分主要集中在熱電制冷器的熱管理方面。為此許多學者對冷熱端的熱導分配比(x=KhAh/KA)[94-97]、冷熱端面積分配比(f=Ac/Ah)[98-99]以及冷熱兩端熱阻匹配(Rh/Rc)[100]等方面進行了優(yōu)化研究，通過調節(jié)吸熱量與排熱量的平衡，使熱電制冷器更高效運行。

2.2 工作參數(shù)優(yōu)化

由于電流的增大不僅會使帕爾貼冷增加，也會使焦耳熱增大，所以制冷量和COP并非一直隨電流的增加而增加。對于只有一個工作電源的情況，電流大小只存在一個最優(yōu)電流Iopt，分別使COP、制冷量或冷端溫度最優(yōu)。而對于分離電流，由于使用了兩個或多個工作電流，所以系統(tǒng)最優(yōu)工況是多個電流耦合作用的結果。

Xuan X. C. 等[101]對不同電流連接形式下的兩級熱電制冷模塊，如串聯(lián)[102]、并聯(lián)[103]及分離電流[104]進行了研究，如圖4所示。結果表明在相同幾何結構下，串聯(lián)電流比并聯(lián)電流的最大溫差更大，而通過將串聯(lián)電流改為分離電流則可進一步提高最大溫差。

圖4 不同電流連接形式的兩級熱電模塊

針對熱電制冷的瞬態(tài)效應，越來越多研究人員[105-107]意識到施加脈沖電流相比于穩(wěn)態(tài)操作可以獲得更低的冷端溫度，在較小冷熱端溫差下可以明顯提高制冷效率等制冷強化作用。Lü Hao等[105]對單級和兩級熱電制冷模塊的脈沖電流影響進行了研究對比，結果表明相比于單級熱電制冷器，兩級熱電制冷器在脈沖電流作用下得到的冷端溫度更低，過冷持續(xù)的時間更長且引起的過沖也更小。對于脈沖電流的波形而言，Lü Hao等[108-109]對t0、t1/2、t1、t2、t3、t4、t5這7個波形的脈沖電流進行了深入研究，并指出最優(yōu)的脈沖波形與多種因素有關，如到達最低冷端溫度的時間tmin和脈寬τ等。Ma Ming等[110-112]對脈沖電流的幅值(Ip)和脈寬(τ)進行了相關優(yōu)化研究，嘗試通過對脈沖電流參數(shù)的積極控制來提高瞬態(tài)過冷性能。由于過冷現(xiàn)象總是伴隨著溫度的過沖， Ma Ming等[113-114]模擬了在脈沖電流或連續(xù)脈沖電流作用下熱電模塊的溫度過沖特性。值得注意的是Shen L. M. 等[115]指出，脈沖電流的幅值超過一定界限后將不會產(chǎn)生過冷效應，因為焦耳熱影響會變得非常大，這也是熱電制冷器無法通過脈沖電流無限制降低冷端溫度的原因。

2.3 熱端散熱優(yōu)化

熱電模塊冷熱端溫差的增大會使熱電元件內的Fourier導熱和Seebeck電勢增加，對熱電制冷性能產(chǎn)生很大的不利影響，所以優(yōu)化熱端散熱，對降低溫差、提升制冷性能至關重要。

2.3.1 翅片散熱

翅片散熱[116]是最普遍的一種熱端散熱方式，因形式簡單、易于安裝、價格低等優(yōu)點被廣泛用于各種實際應用和實驗研究。Cai Yang等[117-118]對用于電子器件冷卻的翅片散熱熱電制冷器進行了相關研究，靈活的特性使其方便用于熱電制冷器的熱端。但該種散熱方式的散熱能力有限，且受環(huán)境溫度影響非常大，所以常用于熱流密度較小的場所。

2.3.2 循環(huán)流體散熱

循環(huán)流體冷卻散熱方式[102]利用了液體具有較高熱容的優(yōu)點，在熱電制冷的實驗研究方面應用廣泛。Huang H. S. 等[119-120]運用循環(huán)流體散熱進行熱電制冷的相關實驗研究，通過調節(jié)流體溫度和流速，研究了熱端傳熱系數(shù)對于熱電制冷性能的影響。這類散熱方式雖然散熱能力強、調節(jié)靈活，但其配套設施需要水泵、水箱、控制閥門、流體側換熱器等一系列設備，不利于實際應用。

2.3.3 高效散熱器散熱

熱管是利用相變特性帶走大量潛熱的高效換熱裝置，近年來在熱電制冷器熱端散熱方面的應用越來越廣泛。Lee J. S. 等[121]通過實驗與模擬的方法研究了熱端熱管散熱效果，結果表明熱端的傳熱系數(shù)可達5 400 W/(m2·K)。Shen Limei等[24, 122]研究了熱管對熱電制冷器性能的影響，結果表明熱管能夠有效強化熱端散熱效果，整體提升了熱電制冷性能。

微通道散熱器是一類結構緊湊、輕巧、高效的換熱器，具有單位體積傳熱效率高的特點。Chein R. 等[123-124]研究了將微通道用在熱電制冷器的熱端散熱，結果發(fā)現(xiàn)對于體積小、熱流密度大的熱端散熱有很好的效果，有效降低了熱端熱阻。

2.3.4 納米流體散熱

納米流體是近年來較為熱門的研究方向，主要是向水、醇等流體中加入一定的納米粒子，以增加流體的導熱性能，在強化散熱領域有著非常廣泛的應用。S. K. Mohammadian等[125]為強化循環(huán)流體的換熱，研究了納米流體對熱電制冷器性能的影響，結果表明在低Re下，在熱交換器中加入低體積分數(shù)的納米粒子，可顯著提高熱電模塊的性能系數(shù)，降低總熵的生成。T. Yousefi等[126]對使用了納米流體的微型熱管散熱器的散熱性能進行了研究，結果表明此類熱管在體積縮小下，依然有較好的散熱性能。N. Ahammed 等[127]通過納米流體微通道換熱器進一步強化了對熱電制冷器熱端的散熱作用。

2.3.5 相變材料(PCM)散熱

Zhao Dongliang等[128]提出通過相變材料(PCM)來降低工質溫度，為熱電制冷器熱端散熱的方法，也達到很好的熱端散熱效果。主要方式是使冷卻工質通過相變材料形成的腔體，利用相變材料相變使工質降溫，然后將此冷卻后的工質供給熱端進行散熱[129]。對于相變后的相變材料，夜晚環(huán)境溫度下降后，相變材料散發(fā)熱量可以再次回歸固體狀態(tài)供給白天高溫時使用。

表1 熱電制冷器的不同研究方向

根據(jù)以上的熱電制冷性能優(yōu)化，本文主要有以下幾方面的概括：

1)熱電對數(shù)以及工作電流都是制冷與產(chǎn)熱達到熱平衡的重要參數(shù)，過多的熱電對數(shù)和過大的工作電流雖然會使帕爾貼冷量增加但同時也使內部產(chǎn)生的焦耳熱增加，所以對于熱電對數(shù)和工作電流均有其最優(yōu)值。不同級數(shù)之間的熱電對數(shù)比和電流比將決定熱級產(chǎn)生的熱量能否被冷級有效帶走，從而不對系統(tǒng)產(chǎn)生惡劣影響。

2)冷熱端熱導分配比、面積比及熱阻匹配是關于熱電制冷器吸熱和放熱之間的熱平衡設計。合理的冷熱端熱導分配能夠有效平衡吸熱量和散熱量，使系統(tǒng)既能最大的吸收熱量又不至使熱量集聚無法排出，從而提升系統(tǒng)的COP和制冷量。變截面的熱電模塊研究結果也表明，增加熱側熱電元件的截面積對于冷熱端的熱平衡有很大幫助，將更有利于熱端散熱，提高COP和制冷量。

3)不同的熱電制冷結構優(yōu)化、工作參數(shù)優(yōu)化、散熱優(yōu)化實質上均可概括為對熱電制冷器的冷熱平衡優(yōu)化，即使熱電制冷器冷端的制冷量、自身產(chǎn)熱能夠和散熱量之間達到優(yōu)化平衡。

3 結論和展望

本文以熱電制冷技術近十年來的發(fā)展為基礎，首先對熱電制冷的發(fā)展、背景和原理進行了回顧，其次從熱電技術的應用和優(yōu)化兩個方面的發(fā)展進行了梳理，主要得到以下結論：

基于熱電制冷性能的改善以及對于制冷環(huán)境的更高要求，熱電制冷的應用越來越廣泛，由此也推動了熱電制冷更多更深入的研究。本文基于近年來熱電制冷在熱電冰箱、熱電空調、電子設備冷卻及復合系統(tǒng)等方面的應用，介紹了熱電制冷近些年的發(fā)展和研究成果。在熱門的電子散熱領域，熱電制冷在溫度控制和結構匹配方面的優(yōu)勢顯著。熱電制冷與太陽能的復合系統(tǒng)，在季節(jié)和晝夜匹配性、熱電制冷電源及發(fā)電效率等方面有很好的發(fā)展前景。在其他制冷系統(tǒng)的結合方面，熱電制冷充分發(fā)揮了其獨特優(yōu)勢，彌補了其他制冷方式的缺點，形成了各種優(yōu)勢互補的復合系統(tǒng)。復合系統(tǒng)可能會成為熱電制冷未來最廣闊的發(fā)展方向之一。

熱電制冷由于材料發(fā)展的限制，使得各種優(yōu)化成為了熱電制冷器性能提升的主要方式。制冷量、COP和冷端溫度等多個方面使熱電制冷性能優(yōu)化有著豐富的研究內容。熱電元件和熱電制冷器的優(yōu)化，使熱電制冷的性能基礎可以更高。運行工況的電流優(yōu)化，使熱電制冷具有更好的性能以滿足不同需求，其中脈沖電流的使用擴展了熱電制冷的研究方向，也為瞬態(tài)冷卻提供了思路。高效的散熱方式和散熱器使熱端的散熱能力更強，可以整體提升熱電制冷器的性能，也是熱電制冷性能優(yōu)化的重要方向。

雖然熱電制冷的應用和優(yōu)化研究已有很多成果出現(xiàn)，但同時也存在著脫節(jié)現(xiàn)象。即熱電制冷的應用不能很好的利用成熟的優(yōu)化成果，如優(yōu)化熱端散熱、進行熱導分配和選擇更合適的熱電模塊等。很多優(yōu)化研究忽略了熱電制冷目前應用的可行性，如新型結構熱電制冷器的生產(chǎn)制造。所以在應用與優(yōu)化兩者結合方面還存在很多研究空間，值得研究者們更深入的探索和研究。

目前商用熱電材料的優(yōu)值系數(shù)僅約為1，熱電制冷已經(jīng)有了較大的發(fā)展，相信隨著越來越多高性能材料的市場化，熱電制冷技術會越來越完善，有更多的發(fā)展空間。且隨著世界對于綠色環(huán)保、節(jié)能減排的倡導，熱電制冷以其安靜無污染等特性將會對生活品質和生存環(huán)境產(chǎn)生更多的積極作用。