太阳能半导体制冷的实验研究与数值分析

　　1 引 言

　　半导体材料具有良好的热电能量转换特性，其热电效应由塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅立叶效应等5 种效应组成，其中前3种表征电能和热能相互转换是直接可逆的，后两种效应是热的不可逆效应。利用半导体热电能量转换互逆特性，半导体既可以用做热电制冷器件，也可以用做电力驱动，既可通过光—电—冷途径，也可通过热—电—冷的途径，进行热能传递实现制冷。

　　热电制冷器在不同的需求倾向和应用场合下，其最佳工作参数是不同的。研究确定一定条件下热电制冷器的最佳工作参数、工作区域和参数之间的关系，以及相应的影响因素既有理论意义又有实际应用价值。

　　2 太阳能光电半导体制冷的实验研究

　　太阳能光电半导体制冷采取模块化实验研究。实际应用可根据不同空间布局、不同冷量需求串并联制冷模块形成制冷矩阵[1]。实验用制冷模块由3片串联再两组并联的6 片制冷片构成。制冷片型号为 TEC1-12706，外部结构尺寸40mm×40 mm×3.8 mm，最大温差电流6.0 A，最大温差电压14.7V，每片最大制冷功率51.4 W，制冷模块的最大制冷功率308 W。制冷模块冷端用内径为2 mm 的紫铜盘管盘旋成一个平面，并焊接在厚度为3 mm 的紫铜薄板上，盘管里通以一定流量的冷冻介质; 制冷模块热端散热采取横排单管竖排多列方管道结构，冷却水从横管分流到多列竖管，再汇集到横管从出口流出。

　　实验给出了半导体制冷模块的制冷量Q，输入功率 W，制冷系数ε 随电流I变化的曲线图( 图1) 。其制冷效率与输入电流密切相关。电流太小，制冷输出功率不足，电流太大，焦耳热增加，加重制冷负荷。实际最大制冷量Qmax约180 W，为其理论上最大制冷功率的60% ，但此时的制冷系数却很小; 而在较大制冷系数 εmax状态下的电流 Io很小，制冷量Q 也很小，在曲线Q 与W 的交点E，IE=2.9 A，ε=1，QE= 170 W，制冷量为最大制冷量的55% ，此即等功率状态[2]。制冷Q 从QE增大到Qm，以很小的斜率变化，增长量很小，但功耗W 则以很大的斜率从WE增长至Wm，其增长率很大，从 E 点到 M点，制冷系数 ε 则迅速下降。在电流处于I0至Im的区间内，必定存在一个特殊的工作点S，它既具有较大的制冷量，同时又具有较小的功耗，此即综合效益最佳工作点S[2]。εmax、Qmax、E、S 4 个状态点及其所对应的电流值I0、Im、IE、Is 汇集于表1。

　　3 太阳能热电半导体制冷的数值分析

　　3. 1 热电制冷组合器件

　　太阳能热电半导体制冷，即通过太阳的辐照，在热电器件两端产生温差，继而产生电力，以热—电—冷的途径进行热能传递，由此驱动半导体制冷器实现制冷。温差发电和半导体制冷组合器件如图2[3]所示。热电发生器由m 对P 型和N 型半导体元件组成，工作在温度为 Th的热端和温度为T0的热沉之间，制冷器由n 对P 型和N 型半导体制冷元件组成，工作在温度为Tc的制冷空间和温度为T0的热沉之间，组合系统总的半导体元件对数为M=m+n，热电发生器的元件与制冷器电串联、热并联，Qh和Qc分别是温度为Th的储热器传给热电发生器的热量和温度为Tc被制冷空间传给制冷器的热量Q01和Q02分别是从热电发生器和制冷器废弃给温度 T0的热沉的热量。