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技術(shù)文章

太陽能半導(dǎo)體制冷發(fā)展與全景
太陽能制冷具有很好的季節(jié)匹配性，即天氣越熱，太陽輻射越好，系統(tǒng)制冷量越大。這一特點使太陽能制冷技術(shù)受到重視和發(fā)展。實現(xiàn)太陽能制冷有“光-熱-冷”、“光-電-冷”、“光-熱-電-冷”等途徑。太陽能半導(dǎo)體制冷是利用太陽能電池產(chǎn)生的電能來驅(qū)動半導(dǎo)體制冷裝置，實現(xiàn)熱能傳遞的特殊制冷方式，其工作原理主要是光伏效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)。 

    太陽能驅(qū)動的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，可以根據(jù)用戶需要做成小型化的專 
    用制冷裝置。它具有使用維護(hù)簡單，**性能好，可分散供電，儲能比較方便，無環(huán)境污染等特點。另外，利用帕爾貼效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)與一般的機(jī)械制冷相比，它不需要泵、壓縮機(jī)等運動部件，因此不存在磨損和噪聲。它不需要制冷劑，因此不會產(chǎn)生環(huán)境污染，也省去了復(fù)雜的傳輸管路。它只需切換電流方向就可以使系統(tǒng)由制冷狀態(tài)變?yōu)橹茻釥顟B(tài)。這些無可比擬的優(yōu)點，使得人們對太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。  
    目前太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的效率還比較低，系統(tǒng)的一些重要技術(shù)問題還有待深入研究。  
    1太陽能半導(dǎo)體制冷的工作原理和基本結(jié)構(gòu)  
    半導(dǎo)體制冷是利用熱電制冷效應(yīng)的一種制冷方式，因此又稱為熱電制冷或溫差電制冷。半導(dǎo)體制冷器的基本元件是熱電偶對，即把一個p型半導(dǎo)體元件和一只n型半導(dǎo)體元件連成的熱電偶。  
    當(dāng)直流電源接通，上面接頭的電流方向是n-p，溫度降低，并且吸熱，形成冷端；下面接頭的電流方向是p-n，溫度上升，并且放熱，形成熱端。把若干對熱電偶連接起來就構(gòu)成了常用的熱電堆，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，產(chǎn)生低溫，這就是半導(dǎo)體制冷的工作原理。太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)就是利用半導(dǎo)體的熱電制冷效應(yīng)，由太陽能電池直接供給所需的直流電，達(dá)到制冷制熱的效果。  
    太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)由太陽能光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)控匹配器、儲能設(shè)備和半導(dǎo)體制冷裝置4部分組成。太陽能光電轉(zhuǎn)換器輸出直流電，一部分直接供給半導(dǎo)體制冷裝置，另一部分進(jìn)入儲能設(shè)備儲存，以供陰天或晚上使用，以便系統(tǒng)可以全天候正常運行。  
    太陽能光電轉(zhuǎn)換器可以選擇晶體硅太陽能電池或納米晶體太陽能電池，按照制冷裝置容量選擇太陽能電池的型號。晴天時，太陽能光電轉(zhuǎn)換器把照射在它表面上的太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能，供整個系統(tǒng)使用。  
    數(shù)控匹配器使整個系統(tǒng)的能量傳輸始終處于*佳匹配狀態(tài)。同時對儲能設(shè)備的過充、過放進(jìn)行控制。  
    儲能設(shè)備一般使用蓄電池，它把光電轉(zhuǎn)換器輸出的一部分或全部能量儲存起來，以備太陽能光電轉(zhuǎn)換器沒有輸出的時候使用，從而使太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)達(dá)到全天候的運行。  
    2太陽能半導(dǎo)體制冷的關(guān)鍵問題  
    太陽能制冷系統(tǒng)*大的不足是制冷效率較低，同時成本也較高。這嚴(yán)重影響了太陽能制冷系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。若提高和改善太陽能制冷系統(tǒng)的性能，要從下列幾個關(guān)鍵問題入手  
    （1）改善半導(dǎo)體制冷材料的性能  
    太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的核心在于半導(dǎo)體制冷材料，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)效率較低的主要原因在于半導(dǎo)體制冷材料熱電轉(zhuǎn)換效率不高。

*終決定熱電材料性能優(yōu)劣的是優(yōu)值系數(shù)Z 
    其中：α—半導(dǎo)體制冷元件的塞貝克系數(shù)； 
    R—制冷元件的電阻； 
    Kt—制冷元件的熱導(dǎo)率。 
    優(yōu)值系數(shù)Z和溫度T的乘積ZT，是評價材料性能的常用參數(shù)。就半導(dǎo)體制冷而言，如果其制冷性能要達(dá)到能和機(jī)械制冷相媲美，無量綱參數(shù)ZT，要達(dá)到3以上。目前各國普遍使用的半導(dǎo)體材料遠(yuǎn)達(dá)不到這種水平。室溫下*常用的熱電材料（Bi-Sb-Te-Se系列固溶體）的ZT值大約為1。因此，如何改進(jìn)材料的性能，尋找更為理想的材料，成為了太陽能半導(dǎo)體制冷的重要問題。 
    （2）系統(tǒng)的能量優(yōu)化 
    太陽能半導(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)定可靠地運行是十分重要的問題。光電轉(zhuǎn)換效率和制冷效率是衡量能量損失的主要指標(biāo)。光電效率越高，在相同的功率輸出情況下，所需的太陽能電池的面積越小，這有利于太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的小型化。目前普遍使用的太陽能電池的光電效率*高為17％。對于任何制冷系統(tǒng)來說，制冷效率COP是*重要的運行參數(shù)。目前，半導(dǎo)體制冷裝置的COP一般約0.2～0.3，遠(yuǎn)低于壓縮式制冷。經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，冷、熱端溫差對于半導(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。 
    （3）系統(tǒng)運行的有效控制和優(yōu)化匹配 
    與一般的制冷設(shè)備不同，太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)受太陽輻射和環(huán)境條件影響，系統(tǒng)工況 
    **內(nèi)往往有很大的變化。因此在太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)中，除了太陽能電池和半導(dǎo)體制冷 
    裝置外，還需配備蓄電池和數(shù)控匹配器。蓄電池是保證太陽能制冷系統(tǒng)連續(xù)運行的重要條件。 
    數(shù)控匹配器使太陽能電池陣列輸出阻抗與等效負(fù)載阻抗匹配，使功率輸出處于*佳狀態(tài)，同時對儲能設(shè)備的過充、過放進(jìn)行控制。要實現(xiàn)整個能量傳遞環(huán)節(jié)在*優(yōu)工況下進(jìn)行，保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和高效率，就必須對整個系統(tǒng)的運行進(jìn)行有效的控制。因此，選擇合適的儲能設(shè)備、研制有效的控制器對整個太陽能制冷系統(tǒng)來說是非常重要的。 
    另外，提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率問題，同樣是實現(xiàn)太陽能制冷系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的重要問題。 
    3太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景 
    雖然，目前太陽能半導(dǎo)體制冷綜合系統(tǒng)的實際應(yīng)用還不多見，但是已有很多學(xué)者展開了相關(guān)研究和分析，并取得了不少成果。 
    ADeVos使用內(nèi)可逆熱力學(xué)方法對太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率成功進(jìn)行了解釋和探討。 
    CBVinning用熱力學(xué)類比方法研究了熱電制冷過程。，THara等對太陽能半導(dǎo)體制冷帽進(jìn)行了系統(tǒng)研究。VCMei等對一種太陽能輔助半導(dǎo)體汽車空調(diào)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。沙特的sofrata著重討論過用于沙漠地區(qū)的太陽能半導(dǎo)體制冷裝置的散熱方式有效性問題。
鄒今平對一種用于保存疫苗的太陽能電源冰箱系統(tǒng)電力匹配特性進(jìn)行了分析。代彥軍等對太陽能光伏系統(tǒng)驅(qū)動的半導(dǎo)體冰箱進(jìn)行了系統(tǒng)試驗研究和理論分析，并獲得了。這些工作在一定程度上都推動了太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的發(fā)展，為進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 
    目前，太陽能電池的價格呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。單晶硅太陽能電池得到了很大發(fā)展，發(fā)電效率已經(jīng)達(dá)到了15％。價格更低廉的多晶硅太陽能電池也發(fā)展很快?；诒∧ぜ夹g(shù)的**代和第三代太陽能電池的出現(xiàn)，大大地推動了太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。與此同時，半導(dǎo)體工業(yè)也得到了快速的發(fā)展，熱電材料的優(yōu)值系數(shù)有了很大的提高，并出現(xiàn)了一些有希望的新型材料（例如Skutterudites結(jié)構(gòu)材料、薄膜及納米材料等）。2001年美國RTI研究所將Bi-Te基合金制備成超晶格薄膜，在300K的溫度下其ZT值達(dá)到2.4。熱電材料的價格也逐年下降。這些都將使太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的成本大幅度下降，并且性能也將有顯著提高，為太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，清潔、無噪音的各式太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)將進(jìn)入千家萬戶。