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太陽能供電與半導(dǎo)體制冷箱的設(shè)計
[ 時間：2004-8-28 16:15:00 來源：未知 作者：張曦]
>>特別推薦:2008年中國太陽能行業(yè)投資報告??????太陽能展會百強(qiáng)-通往成功的橋梁
??? 摘 要 太陽能的優(yōu)點就是環(huán)保節(jié)能。半導(dǎo)體制冷器，不依靠任何制冷劑，不產(chǎn)生噪音，優(yōu)勢顯著，其應(yīng)用也有著十分廣闊的前景。作者將太陽能與半導(dǎo)體制冷結(jié)合起來，并對太陽能——半導(dǎo)體制冷器的設(shè)計思路和相關(guān)實驗作了詳盡的介紹。
??? 關(guān)鍵詞 太陽能 熱電制冷 半導(dǎo)體制冷器
Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌａｒ－Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ
by? Zhang Xi*
?? Ａｂｓｔｒａｃｔ Solar energy are energy savers and environmentally benign. Do not rely on chemicals， gases or other refrigerants and do not generate noise，make semiconductor refrigeration conspicuous. Thought of designation and certain experiment of solar-powered semiconductor refrigerator is well introduced in this paper.
?? Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Solar Energy? Thermoelectric- Refrigeration? Semiconductor Refrigerator
0 前言
?? 太陽輻射能作為一種能源，與煤炭、石油和核能等比較，有著獨具的特點。它的優(yōu)點可概括如下四點：普遍、無害、 長久、 巨大。按照目前太陽質(zhì)量消耗速率計，太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)足以維持600億年，相對于人類發(fā)展歷史的有限年代而言，完全可以說是取之不竭，用之不盡的能源。我國屬太陽能資源豐富的國家之一，輻射總量在3.3×103～8.4×106kJ/m2·年之間，全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000h。太陽能將成為幾十年后我國乃至全世界主要的能源之一。現(xiàn)在利用太陽能進(jìn)行制冷的方法有許多成熟技術(shù)。但無論是太陽能吸收式，或蒸汽噴射式等等，都需要用到氟、溴化鋰和氨等制冷劑。相比之下，半導(dǎo)體制冷的優(yōu)勢就比較明顯，現(xiàn)在利用半導(dǎo)體制冷的產(chǎn)品也有一些，例如海爾車用冰箱等，受到了有車族的喜愛。
?? 太陽能和半導(dǎo)體制冷各有優(yōu)點，能不能把它們結(jié)合起來呢？我們設(shè)計制作了一個便攜式太陽能供電半導(dǎo)體制冷藥箱，由太陽能作為它的直接能源，給它供電。其功能是為少量的藥品進(jìn)行低溫保存。
?? 1 太陽能——半導(dǎo)體制冷箱的設(shè)計思路
?? 1.1 制冷藥箱的特點
?? 制冷藥箱應(yīng)用了半導(dǎo)體制冷技術(shù)作為制冷系統(tǒng)，結(jié)合太陽能供電，可以做到無噪聲、無污染、便于攜帶、啟動快和方便在制冷制熱間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在沒有外接電源時，仍然可以工作，并可以對箱內(nèi)的溫度進(jìn)行實時監(jiān)控。其體積小、重量輕和方便在各種特殊條件下工作，在小功率致冷時效率高。
?? 1.2 制冷藥箱的構(gòu)成（見圖1）
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?? 1.2.1 制冷箱（見照片1）
?? 下圖為制冷箱實物圖，a圖為箱內(nèi)結(jié)構(gòu)，左側(cè)為控制電路部分，右側(cè)為制冷倉；b圖下側(cè)為太陽能可抽拉電池板，箱蓋上鑲嵌有溫度顯示器。
?? 1.2.2 選擇半導(dǎo)體制冷器
在制冷器的選擇中應(yīng)考慮以下幾點：
?? 1）被冷卻物體所欲達(dá)到的溫度；
?? 2）制冷元件的最大電流數(shù)值；
?? 3）熱負(fù)載，被冷卻物的發(fā)熱量和從外部滲入的熱量；
?? 4）選取何種散熱方式（自然對流散熱、強(qiáng)迫對流散熱或液冷等）以及熱端與周圍介質(zhì)的熱交換系數(shù)；
?? 5）冷端同被冷卻物體間取何種熱交換方式（緊密接觸或液體循環(huán)等）以及熱交換系數(shù)；
?? 6）冷卻速度與達(dá)到溫度的時間。
半導(dǎo)體制冷箱的熱負(fù)荷可按下式計算：
??? 實驗條件：箱體的傳熱可視為單層平壁的傳熱過程，按標(biāo)準(zhǔn)條件，箱外溫度t1=32℃，相對濕度為75±5%，箱內(nèi)溫度設(shè)為20℃。制冷箱按每小時開門2次計算，再假定每次開門箱內(nèi)空氣全部被置換成箱外空氣，儲存藥品0.2kg。其他發(fā)熱量取0.2W。為保險起見，將熱負(fù)荷增加10%的安全系數(shù)定為QT'。經(jīng)過計算可得QT'=1.1QT=4（W）其中，儲物熱量QP占總熱負(fù)荷的50%以上，由于有溫度控制電路，當(dāng)箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后，制冷系統(tǒng)的工況也進(jìn)入穩(wěn)定工況，所以制冷箱應(yīng)該是間歇工作的。
??? 制冷箱采用空氣自然對流散熱的換熱系統(tǒng)，即選擇一定形式的散熱片作為熱交換器。由于制冷箱冷端與被冷卻物采用緊密接觸的熱交換方式，所以制冷對象所要移走的熱量，將直接被制冷器的冷端吸收，再經(jīng)熱電制冷效應(yīng)把熱量移至熱端，再經(jīng)各層的導(dǎo)熱把熱量傳給熱端散熱器。散熱器利用空氣的自然對流把熱量散到環(huán)境中，達(dá)到制冷目的。
??? 為了使散熱器有效地工作，必須選擇合適的熱端溫度，如果它接近于環(huán)境溫度，則因散熱片與環(huán)境的溫差太小而換熱很差，如果選取熱點溫度比環(huán)境高得多，則會使熱電制冷器的制冷系數(shù)明顯下降，一般選取熱端溫度比環(huán)境溫度高7～10℃。制冷箱選用普通氧化鋁陶瓷散熱器，經(jīng)估算，其換熱系數(shù)為5W/m2·K左右，其散熱功率也可達(dá)到50W左右?；究梢詽M足散熱要求。
??? 經(jīng)反復(fù)考慮，并綜合各種因素，選用TEC1-12705 型半導(dǎo)體制冷器，此為陶瓷結(jié)構(gòu)式溫差電制冷組件，制冷級數(shù)為1，電偶對數(shù)為127對，最大溫差電流為5A，最大溫差67℃，電壓14.5V，尺寸為40×40×4（mm）。
??? 1.2.3 選擇太陽電池
??? 太陽電池單體是用于光電轉(zhuǎn)換的最小單元，它的面積一般為4～100cm2。太陽電池單體工作電壓為0.45～0.50V，工作電流為20～25mA/cm2，將太陽電池單體進(jìn)行串聯(lián)，并聯(lián)并封裝后，就成為太陽電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，更高的能達(dá)到幾百瓦。太陽電池組件包含一定數(shù)量的太陽電池，這些太陽電池通過導(dǎo)線連接，一個組件上，太陽電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36個或40個（10cm×10cm），產(chǎn)生16V的電壓，與一個額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效的充電。并能使選擇的半導(dǎo)體制冷器能夠正常工作。制冷箱所選的晶體硅太陽電池由一個晶體硅片組成，在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線，下表面是金屬層。硅片本身是P型硅，表面擴(kuò)散層是N區(qū)，在這兩個層的連接處就是所謂的PN結(jié)，太陽電池的頂部被一層減反射膜所覆蓋，以便減少太陽能的反射損失。被密封后具有一定的防腐、防風(fēng)、防雹和防雨等能力。
??? 本實驗裝置一個單元約能產(chǎn)生0.5V電壓，經(jīng)過串并組合，在足夠的光源照射下，能達(dá)到約4.5V電壓，2W左右的輸出。并能為蓄電池有效的充電。
??? 1.2.4??? 溫度控制電路
??? 1.2.4.1 硅二極管
??? 硅二極管又稱防反充二極管或阻塞二極管，考慮安裝它的主要作用是避免由于太陽電池方陣在陰雨天和夜晚不放電時或出現(xiàn)短路故障時，蓄電池組通過太陽電池方陣放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽電池方陣電路中，起單向?qū)ǖ淖饔?。它能承受足夠大的電流，而且正向壓降，反向飽和電流很小?
??? 實際上，在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽電池組件此時會發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴(yán)重的破壞太陽電池。有光照的太陽電池所產(chǎn)生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，最好在太陽電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被受遮蔽的組件所消耗。
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??? 1.2.4.2 蓄電池組
??? 蓄電池組的作用是貯存太陽電池方陣受光照時所轉(zhuǎn)換的電能，并隨時向負(fù)載供電。太陽電池發(fā)電系統(tǒng)對所用蓄電池最基本要求是：自放電率低，使用壽命長，深放電能力強(qiáng)，充電效率高，可以少維護(hù)或免維護(hù)，工作溫度范圍寬，價格低廉。
??? 制冷箱選的蓄電池組由3組6節(jié)2.4V可充電電池組成，其充電方式采用“半浮充電方式”進(jìn)行。即太陽電池方陣全部時間都同蓄電池組并聯(lián)浮充供電，白天浮充供電運(yùn)行，晚上只放電不充電。白天，當(dāng)太陽電池方陣的電勢高于蓄電池的電勢時，負(fù)載由太陽電池方陣供電，多余的電能充入蓄電池，蓄電池處于浮充電狀態(tài)，當(dāng)太陽電池方陣不發(fā)電或電動勢小于蓄電池電勢時，全部輸出功率都由蓄電池組供電，由于阻塞二極管的作用，蓄電池不會通過太陽電池方陣放電。
??? 1.2.4.3 溫度控制電路
??? 開關(guān)閉合時，將蓄電池接入電路，太陽電池開始為其供電，開關(guān)閉合時半導(dǎo)體制冷器開始工作。同時發(fā)光二極管閃動，表示一切工作正常。R1為負(fù)溫度系數(shù)5k熱敏電阻，即當(dāng)溫度上升時其電阻減小，它直接貼在半導(dǎo)體制冷器冷端上，當(dāng)制冷器開始工作時，冷端溫度下降，R1電阻上升，R4兩端電壓下降，2端電壓上升，當(dāng)升到2/3Ucc時輸出端為低電平，冷卻停止，此時，溫度略有回升，R1電阻開始下降，R4兩端電壓上升，2端電壓下降，當(dāng)降到1/3Ucc時，輸出為高電平，繼續(xù)冷卻，如此循環(huán)往復(fù)，達(dá)到溫度控制的目的，這樣，半導(dǎo)體制冷器也將間歇工作，可以節(jié)省部分電能。10 kΩ電位器R2的作用為微調(diào)器調(diào)節(jié)電阻的大小，改變電流來達(dá)到需要的溫度。電路中各晶體管均為放大電流作用。雙向開關(guān)K3通過改變電流流入制冷器的方向來控制制冷制熱。
??? 2 太陽能——半導(dǎo)體制冷箱樣機(jī)實驗報告
??? 實驗儀器：制冷藥箱、三用表、全數(shù)字式光照計、可調(diào)光強(qiáng)式臺燈和溫度顯示器等。
??? 實驗時間：2004年4月18日、5月14日
??? 實驗地點：北京
??? 實驗溫度：最低18℃ 、最高28℃
??? 2.1 下表為本實驗箱太陽電池工作的狀態(tài)圖3為4月18日實驗數(shù)據(jù)記錄??
??? 說明：開路電壓Voc在開關(guān)k1、k2 均打開時，有光照時太陽電池兩端的電壓，通過圖3可以看出太陽電池的開路電壓，有自己的定值，當(dāng)光照達(dá)到一定的強(qiáng)度時，不再隨光強(qiáng)的增大而增大。
??? 短路電流Isc在開關(guān)k1、k2 均打開時，從太陽電池正極直接流到負(fù)極的電流，從圖3可以看出，短路電流隨光照強(qiáng)度的增加而增大，基本上是線性的。
負(fù)載電壓Vf是k2閉合時，半導(dǎo)體制冷器兩端的電壓。
負(fù)載電流If是k2閉合時，流過半導(dǎo)體制冷器的電流。
工作電壓k2是閉合時，溫控電路的電壓。
??? 2.2 蓄電池工作狀態(tài)
??? 將k1、k2均閉合，測得工作電壓2.4V，工作電流500mA、負(fù)載電壓1.75V。圖4為制冷箱正常工作時溫度隨時間變化的曲線。
??? 從a圖可以看出，大約在50s左右，制冷箱就可以達(dá)到所設(shè)定的制冷溫度20℃。從b圖可以看出，可以長時間保持高精度的制冷溫度控制。通過調(diào)節(jié)溫控電路中電位器R2可以設(shè)定制冷溫度。
??? 2.3 制冷箱全天工作狀態(tài)監(jiān)測（5月14日）
??? 由圖5可知，由于將制冷箱的上限溫度設(shè)定在20℃，所以當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃時，半導(dǎo)體制冷器不工作，制冷箱內(nèi)溫度基本與環(huán)境溫度相同，當(dāng)外界溫度高于20℃，制冷器正常工作，基本恒溫在20℃，上下波動不大。另外在設(shè)計時，電池的功率滿足要求。所以無論是否有充足的陽光，制冷器在24小時內(nèi)均能正常工作。
??? 3 實驗不足
??? 由于條件所限，本實驗裝置沒能完全達(dá)到理想的設(shè)計狀態(tài)。
??? 1）由于未購置到設(shè)計所要求的足夠功率的太陽電池板，使得給蓄電池充電的能力不夠。
?? 2）散熱器未采用風(fēng)冷，所以加了熱倉，但由于隔熱系統(tǒng)不完善，影響了冷倉的工作。
?? 3）因為是實驗裝置，溫度控制電路不夠緊湊，占了較大的空間。在產(chǎn)品設(shè)計中，還可以改進(jìn)。
?? 4）制冷設(shè)定溫度是手動調(diào)整的，在產(chǎn)品設(shè)計中改成數(shù)字化調(diào)節(jié)也是可行的