半导体制冷

半导体制冷（通用7篇）

半导体制冷 篇1

0 引言

早在1834年,法国物理学家帕尔帖就发现了帕尔帖效应[1]:当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时,节点上将产生吸热或放热的现象。帕尔帖效应发现之后并没有被人们很好地利用,直到20世纪50年代后,约飞等人发现了Bi2Te3、PbTe、SIGe等温差电性能较好的材料[2],20世纪70年代Ag0.58Cu0.29Ti0.94Te四元合金等优值系数较高的材料[3]被合成出来,使得热电效应的效率得到提高,半导体制冷的应用越来越广泛。

1 半导体制冷技术的研究

半导体制冷器具有体积小、没有振动和噪声、不污染环境、作用速度快、精度高、易于控制等优点[4,5],但也存在着制冷效率低等缺点,因此众多学者就致力于提高半导体制冷效率的研究。有人通过对半导体材料的研究,提高半导体制冷片本身的优值系数Z[6](Z=a2σ/λ,a为温差电动势率或seebeck系数,σ为材料的电导率,λ为材料的热导率),从而达到提高制冷效率的目的。同时还有很多人通过分析影响半导体制冷的性能参数,优化各制冷工况,提高热端散热效率等控制手段来提高制冷效率,使其工作在最佳制冷状态。

1.1 半导体制冷影响因素的分析

通过对半导体制冷性能的研究分析可知影响半导体制冷的各因素,优化对这些因素的控制方式,就可以提高半导体制冷的性能。学者们通过实验、数值分析、仿真等手段得出了影响半导体制冷性能的主要因素。

潘玉灼指出半导体内部的传热系数对效率的影响很大,当传热系数很小时,制冷效率很大[7]。李茂德等指出冷端负荷、半导体厚度、输入电压等因素对制冷效率的不同影响[8]:在有冷端负荷时进入稳态的时间比空载时要短;半导体厚度越大,稳定所需时间越长;电压增加越大,初始时温度变化越快。毛佳妮等采用数值分析与解析求解相结合的方法,综合讨论了稳态条件下冷端传冷与热端散热对制冷性能的影响[9]:当系统运行在较低工作电流区域时,增强冷端传冷强度对提高系统制冷性能的经济性较高;当系统稳定运行在最佳工况区域附近时,从增强热端散热强度出发,对进一步提高系统制冷性能的优势更突出。

1.2 制冷工况的研究

利用热电制冷器的冷端对环境介质进行冷却的工况称为热电制冷工况,常见的有最大效率工况、最大温差工况、最大制冷量工况和最大制冷系数工况,许多学者对制冷工况的设计和优化做了研究。

高远、蒋玉思对最大效率和最大温差工况进行了比较研究[10]:在相同的负载、温差、散热条件下,按最大效率工作状态设计时,效率高、耗电少,热节点放出的热量少,但需要的制冷元件多;按最大温差工作状态设计时,效率低、耗电多,热节点放出的热量也多,但需要的制冷元件少、省材料。李茂德、卢希红对半导体制冷的最大制冷量和最大制冷系数工况进行了分析[11]:在相同的设计条件下,最大制冷量工况,制冷系数较低、耗电较多、热端散热较多,但所用元件较少、体积较小、制造成本较低,能够适应许多特殊场合的要求,对便携式野外冷热箱等连续性工作的制冷器,通常采用这种设计方法,而最大制冷系数工况则相反。

但是不管采用哪种设计方法,都必须保证热端有较好的散热效果。若散热效果不好,势必会引起热端温度Th升高,进而影响温差△T,使△T逐渐增加,此时,制冷系数和制冷量都会下降。

1.3 散热的研究

半导体制冷过程中热端散热的效果将直接影响半导体的制冷性能,如果热端温度不能及时降下来,则势必会将热量传给冷端,进而使冷端的制冷效果降低。因此,热端散热很关键,减少冷、热端温差是提高半导体制冷性能的有效方法。半导体制冷的散热方式主要有空气自然对流散热、空气强制对流散热、水冷散热以及热管传热等。

1.3.1 各种散热方式的比较

空气自然对流散热是指散热器利用空气的自然对流把热量散到环境中去。空气强制对流散热,是指在自然对流散热的基础上,在散热片的端部安装轴流风机,其对流换热系数远高于自然对流换热。水冷散热是在半导体制冷器的热端连接一个冷却水箱,通过冷却水管中的水把热端的热量不断带走,其换热是空气自然对流散热的100倍[12]。热管散热器一般由热管和散热片两部分构成,它是一种高效率的散热装置,依靠相变过程换热,因此热管的传热效率很高。

张建成分析比较了翅片式和热管式散热器的传热性能,得出采用热管式散热器的优点[13]:只要有扩展空间,冷侧的换热面积就可以成倍地增加,传热量也大增;在相同的气流对流速度下,其有效面积是翅片式的近4倍;热管式散热器与制冷元件相接触的热端面温度比翅片式散热器的相应温度低得多。因此采用热管式散热器制作的半导体制冷组件具有降温速度快、制冷系数大、耗电量小的特点。

1.3.2 散热强度对制冷效率的影响

张小松、张奕等研究了冷端和热端传热对冷藏箱性能的影响。通过试验及计算,分析了冷藏箱性能与冷端风扇电压及热端冷却水温度的关系[14](见图1、图2)。冷端传热强化后,制冷温度及热端、冷端温度差降低,制冷性能上升。热端冷却水温度降低,制冷温度降低,半导体的热端、冷端温度差减小,运行性能提高。

代伟通过对半导体制冷电偶对进行传热分析,得到了制冷性能与热端散热强度之间的微分方程,得出了散热强度对制冷性能影响的曲线(见图3、图4)。由此得出[15]:随着散热强度的不断增强,热电制冷性能逐渐提高,然后就趋于缓慢。从经济性考虑,半导体制冷存在最佳热端散热强度,所以在实际应用中应合理优化设计和改进热端散热系统。

2 半导体制冷的应用

从出现半导体制冷技术至今,半导体制冷材料有了一次又一次的突破,半导体制冷效率也有了一次又一次的提高,虽然仍然存在着一些问题,但利用其优点,可以为我们的日常生活、科研军事等带来很大的方便,使得半导体制冷技术在当今世界具有越来越重要的地位。例如:在高科技和军事领域对红外探测器、激光器和光电倍增管等光电器件的制冷,利用半导体制冷器体积小的特点,使用方便;在医疗领域中,半导体温控系统的应用更为广泛,用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及半导体制冷探针等,利用半导体制冷速度快、无污染等特点,还可以制成低温的恒温箱,用来保存血浆等;在现代测温技术中,热电恒温器、零点仪的开发使用,使半导体制冷在测温技术上的使用成为可能,并得到了广泛应用;在日常生活方面,半导体制冷在空调、冷热两用箱、饮水机、电脑以及其他电器等设备中都有广泛的应用,为我们的日常生活带来极大的方便。

3 结论与展望

随着半导体制冷器由军用向民用的扩大,加之节能和限制采用氟里昂制冷剂的呼声提高,对半导体制冷器的需求也会越来越大,提高半导体制冷的效率也会被更多的人关注,提高半导体制冷性能的方法也会越来越多,其制冷效率也会越高,这必将为半导体制冷技术的应用提供了广阔的前景。我们今后的研究工作可以从以下几方面来着手:(1)新材料的发明和发现,仍然是影响半导体制冷至关重要的技术因素,热电材料的制取、焊接工艺还要努力提高[16];(2)提高半导体温度控制精度,如何确定一定条件下热电堆的最佳工作参数是影响半导体制冷的又一重要因素,该问题在后续工作中有待于进一步研究;(3)为了提高能源利用率,在对半导体制冷器的产冷量进行利用的同时,如何对其热端所散的热量也加以利用,可以作为今后研究的一个方向。

半导体制冷冰箱电源的设计 篇2

半导体制冷器件采用帕尔帖效应的制冷方法，将半导体器件作为新型绿色食品冰箱的制冷源，该冰箱具有无污染、制冷速度快、噪音低、体积小等优点。本文从半导体冰箱的电源设计方面入手，针对市场上已有的半导体冰箱，提出了一种半导体冰箱的电源设计方案。

因为半导体制冷器采用直流12V电源驱动，需要加入AC—DC变换器，考虑到所需电流比较大，所以采用高频开关电源将85VAC—265VAC市电变为12V的直流电源，以供半导体制冷器工作。半导体制冷电冰箱需要稳定的直流电源装置，无论是市电涨落，还是负载变化，输出的直流电压都需要是稳定的。该电源采用正激式变换器电路，具有输出纹波电压小的特性，依靠自馈电线圈泄放变压器中的磁场能量，实现磁通复位，可减少发热，提高效率。

一、开关电源的基本电路

其电路原理框图(图1)如下：

1. 交流输入，是经过由一次整流平滑部分(二极管整流桥与平滑电容器)转换为直流电力后供应至DC—DC变换器部分。

2. DC—DC变换器电路，是经由可使直流转换为高频交流的逆变器与再使高频交流二次整流平滑电路，即向负载中供应直流电。

3. 控制电路部分，是执行由“比较电路”、“放大电路”以及

“控制ON—OFF时间比的电路(可使相应信号控制脉宽的电路)”等所构成的逆变器部分的控制。

二、主要电路设计

电路设计原理图(图2)如下：

1. 自激振荡电路设计

电源工作时，220V的市电经D1—D4整流、C1滤波后，在电容C1的两端得到300V左右的直流电压。该电压一路经电阻R2、R3向开关管Q3注入一定的启动电流。另一路经开关变压器T1的初级线圈NP加到Q3的漏极，使Q3开始导通。与此同时，T1的反馈绕组NF感应电压的极性为上负下正，经R4、C2耦合到Q3栅极，加速了Q3的导通，并跃入饱和区。当Q3漏极电流的变化率趋于零时，反馈绕组上的感应电压随之消失，这样C2由刚才的充电转为放电，使得Q3的栅极电位逐渐下降，电流减小。随着Q3漏极电流的减小，在反馈绕组上感应出一个上正下负的电压，后经过R4、C2耦合到Q3的栅极，加速了Q3栅极电位的下降，使Q3很快进入截止状态。此时，漏极电流减小为零，C1上的300V直流电压又重新开始给Q3供电，这样周而复始，Q3便开始了自激振荡。

电路中的D5用来消除Q3在截止的瞬间产生的尖峰脉冲，以确保Q3不被击穿和磁通复位。由于尖峰脉冲的能量大小与负载的轻重有关，当负荷严重过载或短路时，往往会波及D5，过大的脉冲能量会把它击穿。

2. 电源稳压电路设计

电源的稳压环节由U1、U2、U3及外围元件构成。反馈绕组NF感应出的交流电压经D7整流，C3滤波之后作为光耦器U2的工作电源，开关电源的输出电压DC12V，既是光耦器的工作电压，又是稳压环节的取样电压。当+12V输出电压升高时，经R8、R9分压后得到取样电压，与U3 (TL431)中的2.5V带隙基准电压进行比较，使K点电位降低，U2中的LED的工作电流IF增大，光耦光敏控制端电流IC增大，此电流注入脉宽调制管Q12的射极电流又去控制Q13的基极，最终使Q3的输出占空比减少，使输出电压维持不变，达到稳压的目的，反之亦然。

调整R8的电阻值，可调节光耦U2内发光管电流的大小，继而调节Q12、Q13的导通量，并控制Q3的导通时间，最终实现对输出电压大小的整定。

Q3导通时，开关变压器传输能量，Q3截止时，T1通过回授绕组释放能量，磁滞回线返回起始位置。次级绕组感应出的低压高频脉冲经过二极管D8整流，C5滤波，得到一个12V左右稳定的直流电压，假负载电阻R10，一方面可以改善电源轻载时的电压调整率，另一方面电源关闭后可以泄放掉C5上的电荷。

参考文献

[1][日]原田耕介.开关电源手册.北京:机械工业出版社, 2004.

基于半导体制冷制热的护腕鼠标垫 篇3

随着计算机在生活中的普及, 人们因为工作, 学习, 娱乐等等原因每天花费在电脑上的时间越来越多。而在长时间的使用电脑打字及移动鼠标的同时, 手腕关节极易因长时间做重复运动而产生一系列毛病, 如“鼠标手”等。又由于许多地方冬夏季温差特别大, 人们使用鼠标时常常感觉冬冷夏热, 虽然现在市场上有卖保暖的鼠标垫, 但通常只能保暖, 夏天不能用, 使得人们不得不准备两个鼠标垫, 不够经济实惠, 也很不方便。

“鼠标手”的出现显然是鼠标的外形与鼠标垫之间的配合不够合适, 鼠标总是趴在桌面, 左右按键与桌面平行, 长期使用容易使手腕感到各种不适, 严重的话会使手部的神经和血管受损。不单单是腕部, 由于使用时肩部有一定外展角度, 前臂旋转扭曲, 长时间的操作也会导致肩颈和手臂的疲劳不适。

而如果不能改变鼠标的基本外型, 就只能改变鼠标垫的外型以达到使用鼠标时手腕和肩部都处于一个比较舒适且对身体有利的姿势。采用冷热可调的鼠标垫也会更加的方便。

1 鼠标垫的整体设计

如图1, 在鼠标垫的上部是人机工程护腕, 鼠标垫的下部第一层中部是半导体制冷片, 制冷片的两端设计有放置电池的区域, 左边的电池放置区域电池与半导体制冷片正接, 用于制热;右边的电池放置区域电池与半导体制冷片反接, 用于制冷。第二层设计为散热片放置区域, 第三层设计为散热风机放置区域。二、三层的设计用于辅助半导体制冷片发挥作用。

2 半导体的制冷制热原理

2.1 帕尔帖效应

该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的。在2种不同导体连成的回路中, 当电流流经2种不同导体形成的接点时, 接点处会产生吸热和放热现象。吸热或放热会依电流方向不同而改变, 吸热和放热量的大小与电流大小成正比。此效应称帕尔帖效应 (Peltier effect) , 图2为帕尔帖效应原理图[1], X和Y是2种不同金属导线所组成的封闭线路。当回路通有直流电流时, 在两金属接触点处会出现冷、热端现象。

2.2 半导体制冷制热

把一个N型半导体和一个P型半导体的粒子连接成一个电偶对, 通以直流电源。如图3所示, 电流从N极流向P极, N型元件的载流子是电子, P型元件的载流子是空穴。当电流从N型元件流入, 从P型元件流出时, N型元件中的电子在电场作用下向下移动, 在下端与电源的正电荷聚合, 聚合时放热, 同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动, 在下端与电源的负电荷聚合, 下端聚合时放出热量;同时, 电子与空穴在上端分离, 上端分离时吸收热量。当改变电流的方向时, 吸热端会变为放热端, 放热端会变为吸热端。

3 人性化的护腕设计

3.1 人机工程学设计

人机工程学是研究人与系统中其他因素之间的相互作用, 以及应用相关理论、原理、数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的学科[2]。人机工程学讲究一切以人为中心的设计理念, 基于对人的因素良好知识的设计。通过考虑人的形体尺寸的不同而获得良好的身体适应性产品, 要求产品不仅要满足功能, 还要符合美观、使用方便、操作灵活、舒适和安全。

3.2 护腕的设计

人类的手是一个非常神奇的器官, 它能做各种各样的动作, 帮助完成许多事情, 最简单的就是吃饭了。可以说一个人要是失去双手, 会非常的不方便, 所以, 保护双手是非常重要的。在使用鼠标的时候, 有一个护腕的鼠标垫也是很重要的。一个真正护腕的鼠标垫要考虑到手的各个方面因素, 如通过人体的手部尺寸、手腕在平行桌面的受力情况以及肘与腕关节的活动范围等来确定鼠标垫的大小和护腕的大小与形状, 这样设计出来的护腕鼠标垫才算的上真正意义上符合人机工程学人性化的设计。下表分别是我国人体手部尺寸、肘腕关节的活动范围[3]。

由上表可知, 我国成年人男性“小”身材的人群有5﹪的人手长小于170 mm, 手宽76 mm;“中等”身材的人群有50﹪的人手长小于183mm, 手宽82 mm;“大”身材的人群有95﹪的人手长小于196 mm, 手宽89 mm。而女性手长与男性一样, 手宽则分别为70 mm、76 mm、82 mm。所以, 通过分析成年人体手部尺寸与肘腕关节的活动范围选择最适合的鼠标垫的宽度以及护腕的长度。

研究表明手在握持中, 手腕应尽可能保持伸直状态, 也即让手保持在它弯曲范围的中间位置, 以便确保施加在手上的任何力在传递到臂的时候不会产生绕手腕转动的较大力矩。经试验证明, 当人的手腕呈“仰起”状态时, 则“仰起”的夹角在15°~30°之间是最舒服状态, 超过这个范围, 则前臂肌肉处于拉紧状态, 而且也会导致血液的流动不畅。受其影响, 上臂的三头肌及三角肌也都会同时受到力牵拉的作用, 人的肩关节也会一直处于强直状态, 神经网络受阻[4]。

图5为所设计的冷热可调护腕鼠标垫的护腕部位的设计图。如图所示, 鼠标垫的突起部位中前部与手接触的位置设计为贴合手的弧状线条, 让手充分感受护腕的托起, 同时, 突起部位的高度为平行仰起15°~30°, 以此减缓疲劳。

4 人性化的温度设计[5]

4.1 人的冷热感觉

在人的皮肤上存在着许多温点和冷点, 当热刺激或冷刺激相应地作用于它们, 就会产生温觉和冷觉。如将手放在35℃的水里, 最初产生温觉, 浸入几分钟后就逐渐感受不到它;又如将手放在50℃以上或10℃以下的水里, 就会出现持续的温觉或冷觉, 这就是温度觉的适应。一般来说, 环境温度与正常的皮肤温度相差越大, 适应所需的时间越长。当较高的温度 (如45℃) 作用于皮肤时, 即可产生烫觉;当室温在20℃~25℃时, 烫觉阈限范围约为40℃~46℃。

4.2 最佳温度条件

关于最佳温度条件, 许多人都做过实验, 研究表明:在舒适的温度范围, 其有效温度约为23℃~27℃;而21℃~23℃是稍凉的舒适界限;27℃~29℃是稍热的舒适界限。比较而言, 在13℃以下的人会感到“不舒服的寒冷”, 36℃以上的人会感到“不舒服的炎热”, 而41℃以上则“难以忍受”。

4.3 材料的温度觉

万得尔海得曾测得:当皮肤接触物体时, 有时会产生不愉快的感觉, 这是由于接触的瞬间皮肤温度迅速下降所致。下降的程度因材料而异。实验表明, 皮肤的触感并不是单纯由材料表面的温度条件来决定, 材料表面的凹凸也有影响。比如, 粗糙的草垫子, 比起光滑的材料, 触感要好一些。

所以, 在设计鼠标垫的可调节温度时, 要根据人的冷热感觉、最佳温度条件以及材料的温度觉来确定最优温度范围。

5 总结

(1) 半导体制冷制热护腕鼠标垫集各种功能于一体, 冬季使用温暖, 夏季使用凉爽, 同时兼具护腕的功能, 方便用户的使用。

(2) 护腕方面, 通过人体工程学的分析, 护腕区的高度应相对于手部仰起15°~30°。此时, 鼠标垫完美适合每一个手腕, 缓解肩部酸痛。

(3) 温度方面, 人体对温度的感知又受到环境温度, 材料温度等的影响, 因此要比所得温度稍高或稍低1℃~2℃, 才是使人体感觉最舒适的温度。

摘要：设计了基于半导体制冷制热控温系统原理和人机工程学原理, 加以全新思考方向的多功能人性化冷热可调节护腕鼠标垫。以半导体制冷制热为核心, 用微型电风扇散热, 使其在寒冷的冬天, 可以让鼠标垫保持一定的温度, 不再让手感到冰冷;在炎热的夏天, 又能够使鼠标垫降到适宜的温度。人性化冷热可调节护腕鼠标垫符合人机工程学原理, 集多功能于一身, 更能迎合现代人的需求。

关键词：半导体,控温系统,人机工程学,多功能

参考文献

[1]唐春辉.半导体制冷——21世纪的绿色“冷源”[J].半导体技术, 2005, 30 (5) :32-34.

[2]王继成.产品设计中的人机工程学[M].北京:化学工业出版社, 2010.

[3]刘刚田.人机工程学[M].北京:北京大学出版社, 2012.

[4]吴廷玉, 李雄.鼠标垫的人机工程学设计分析[J].科学之友:中, 2012 (3) :11.

半导体制冷 篇4

关键词：太阳能,半导体制冷,制冷性能,优值系数,热端散热

0 前言

目前, 大部分的制冷设备均是以电能驱动的。随着制冷技术的迅速发展, 传统的制冷设备不仅消耗了大量的电能, 同时也带来了制冷工质氟里昂对环境的污染和破坏 (温室效应和破坏臭氧层) , 因此制冷中的环保和节能问题成为人们关注的焦点。以太阳能作为主要驱动能源的太阳能制冷成为当前制冷研究领域的热点之一。

太阳能驱动制冷方式主要有光热转换、光化转换和光电转换三种。光热转换主要有吸收式制冷、吸附式制冷、除湿蒸发冷却式制冷、喷射式制冷;光化转换主要有化学热泵、氢化物制冷;光电转换主要有电能驱动传统制冷方式和热电制冷。其中太阳能热电制冷又称为太阳能半导体制冷[1]。

太阳能半导体制冷是由太阳光转换为直流电驱动半导体制冷系统, 无需电流逆变装置, 无能量多次变换引起的损失, 可以微型化, 同时因其无制冷剂和机械转动部件, 而具有无毒害、无污染和运行无噪音、无振动、无磨损等优点, 逐渐引起人们的关注。许多专家学者[2,3,4,5,6,7]对半导体制冷已经做了很多研究, 本文对影响太阳能半导体制冷性能的因素进行了综合分析, 主要有太阳辐射强度和电池板的光电转换效率、材料的优值系数、电臂的优化结构设计、热端强化散热以及半导体最优工况。

1 太阳能半导体制冷

1.1 太阳能半导体制冷原理

半导体制冷主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。图1为太阳能热电制冷原理示意图, 图中电偶对由一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连成, 当通以直流电时, 会发生能量的转移。把若干对热电偶连接起来就构成了热电堆, 将由太阳能光电转换装置所提供的直流电供给热电堆, 利用半导体的热电制冷效应, 借助各种传热器件, 使热电堆的热端不断散热, 把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热, 实现降温制冷, 这就是太阳能半导体制冷的工作原理[8]。

1.2 太阳能半导体制冷系统的结构

如图2所示, 太阳能半导体制冷系统由太阳能电池、数控匹配器、蓄电池及半导体制冷装置等构成。正常日照下太阳能电池接受太阳光照射, 通过光电转换效应将太阳光转变为电能, 输出直流电, 一部分可以直接供给半导体制冷装置进行制冷, 另一部分进入蓄电池储存, 以备非正常日照下及夜晚时使用。数控匹配器在整个电路中起到保护太阳能电池和蓄电池的作用, 使太阳能电池功率输出始终处于最佳状态。

2 太阳能半导体制冷性能影响因素

尽管太阳能半导体制冷有很多优点, 但仍然存在着制冷性能低的不足。制冷性能的优劣直接影响整个制冷系统的完善, 因此研究提高半导体制冷的性能因素尤为关键。

2.1 太阳能辐射强度及系统的能量优化

太阳能辐射强度的大小直接决定了太阳能电池的输出功率。当太阳能电池的倾角β=30°, 环境风速V=1 m/s, 环境温度Ta=298 K时, 系统工作电流和制冷量Q0与太阳辐射强度S存在一定的关系。从图3[9]可以看出随着太阳辐射强度的增加, 系统的工作电流也随着增加。而如图4所示[9], 系统的制冷量与太阳辐射有着近似抛物线的关系, 存在一个辐射强度使制冷量达到最大值[9]。因此适合的太阳辐射强度可以改善太阳能半导体的制冷性能。

由于太阳能电池的工作原理是半导体的光电效应。而衡量能量损失的一个重要指标就是光电转换效率, 但太阳光的辐射强度有时太低, 太阳能电池的光电转换效率也不高, 因此要对系统进行能量优化就要提高光电转换效率。学者周佑谟对电池的内部结构进行了改进, 并研制出一种新型太阳能电池—MINP太阳能电池, 使电池的转换效率从10%左右提高到17%[10]。而日本浜川圭弘教授研究的堆积型太阳能电池的光电转换效率达19.1%, 创世界记录[11]。因此进一步提高太阳能电池的光电转换效率并降低其成本将成为太阳能电池今后发展的趋势。

2.2 优值系数

优值系数Z是衡量热电材料性能优劣的重要参数, 也是影响太阳能半导体制冷性能的重要因素。优值系数Z越高, 制冷性能就越好, 制冷效率也就越高。

式中α—材料温差电动势率, V/K;

σ—电导率, 1/ (Ω·cm) ;

ρ—电阻率, Ω·cm;

K—热导率, W/ (cm·K) 。

由于半导体制冷效率通常较低, 要使半导体制冷效率能与机械压缩制冷相抗衡, 制冷材料的优值系数Z必须从目前普遍水平3.4×10-3K-1提高到13×10-3K-1[12], 从图5的不同Z值下的制冷系数-制冷温差曲线[13]中也看出, 材料的Z值至少大于10×10-3K-1才能和传统制冷相媲美。因此, 提高半导体制冷材料的优值系数对半导体制冷的发展具有重要意义。而通过改善材料性能以及完善材料的加工与制造工艺可以提高材料的优值系数。

2.2.1 热电材料性能

由公式 (1) 可以看出影响优值系数的主要因素有材料的温差电动势率α、电导率σ和热导率K, 他们都是载流子浓度n的函数。随着载流子浓度n的增大, 温差电动势率α将减小, 而电导率σ将增大。而热导率K包括晶格热导率Kp和电子热导率Ke, 晶格热导率Kp与n基本无关, 而电子热导率Ke与n成正比。因此必须选取适当的载流子浓度n, 使得Z=[α (1/n) ]2σ (n) /[Kp+Ke (n) ]达到最大值。

由上式优质系数公式中可以看出, 提高半导体材料优质系数的又一方法就是降低热导率, 对于材料的温差电动势率和电导率的研究已有一定的基础, 而如何降低热导率仍需进一步的研究。材料的热导率90%来自晶格热导率。而降低晶格热导率的方法之一是增加声子的散射机制[14], 现已成为目前材料研究的主要努力方向。

2.2.2 热电材料的加工与制造工艺

在热电材料的加工过程中, 由于附加传热温差、杂散热交换以及焊缝电阻均可能降低材料的性能。而通过减少电绝缘导热层厚度及钎料用量、检查元件的电阻值、保证夹具夹紧力、平面度和平行度和优化焊接工艺等措施可以减少在加工工艺方面造成的性能下降[15], 从而提高Z值。

另外从制造工艺方面来看, 可以通过选择合理的退火温度和退火时间, 减小材料的生长速率来提高Z值[13]。

2.3 半导体制冷结构优化

半导体制冷普遍使用的是等截面直电臂, 由于冷热端对称, 有一半的焦耳热流向冷端, 成为冷端的主要热耗。如图6所示为同轴环臂热电对结构示意图[16], 由于冷热端不再对称, 将有更多的焦耳热流向电臂的热端, 从而减少了冷端的热耗, 提高了制冷性能。

而“无限级联”热电对[17]结构, 电臂之间采用高电导、高热导的银膜短接, 形成类似多级半导体制冷器的级联式热电对, 使得电臂中的电流无限分流, 冷热源重新分配, 抵消了部分流向冷端的热量, 提高了制冷性能。

此外, ChungM提出的场致电发射结构[18]、KambeM提出的柔性功能梯度材料作绝缘层[19]、GhoshalU提出的热电偶冷端点阵接触结构[20]以及MinerA提出的悬臂热接触结构[21]等, 均可达到优化半导体热电堆的电臂结构, 减少热损失, 从而提高半导体热电堆的热电性能。

2.4 半导体制冷的热端散热

通过降低热端的温度, 可以减少热端向冷端的传热, 因此热端散热很关键, 减少冷热端温差成为提高热电制冷性能的又一个重要因素。

目前, 半导体制冷的散热方式主要有:空气自然对流、空气强制对流散热、水冷散热、环流散热、利用物质的溶化潜热散热以及热管传热等。

其中, 空气自然对流的效率低, 一般不予采用;强制对流换热系数比自然对流高很多;水冷散热比较理想, 但水冷表面容易积垢, 使传热性能有所下降;环流散热实际上是空气自然对流散热与水冷散热的结合;利用物质的溶化潜热散热适用于间歇工作的场合;而热管式散热可获得较大的散热面积, 制冷系数大, 且重量轻, 热阻小[22], 适合于连续工作的场合。

2.5 半导体制冷工况

半导体制冷存在着两种极限工况:最大制冷量工况和最大制冷系数工况。在最大制冷量工况中, 虽然得到最大的制冷量, 但消耗了较大的功率, 得到较小的制冷系数;在最大制冷系数工况中, 虽然经济性好, 耗电少, 但获得的制冷量却很小。而最优工况[23]弥补了传统极限工况的不足。

由图7[23]可以看出, 定存在一特殊点, 既能获得较小的电耗, 又获得较大的制冷量, 制冷系数达到最大值, 其工作电流处于I0 (最大制冷系数工况) 到Im (最大制冷量工况) 之间。其制冷性能优于最大制冷量工况和最大制冷系数工况的性能。因此, 按此点设计半导体制冷器产品, 可以使其功率及成本达到最低, 从而使综合效益达到最佳状态, 提高了半导体制冷器的制冷性能。

3 结论

太阳能半导体制冷性能影响因素主要有太阳辐射强度和电池板的光电转换效率、材料的优值系数、电臂的优化结构设计、热端强化散热以及半导体最优工况。

(1) 太阳辐射强度与制冷量呈抛物线关系, 即存在最优太阳辐射强度使制冷量最大。同时, 太阳能电池的光电转化效率对系统的性能也有所影响。

(2) 优值系数是半导体制冷的关键, 选择高Z的热电材料以及精细的加工工艺均可获得好的制冷效果。

(3) 良好的结构设计优化了电臂的传热性能, 减少了热端向冷端的热传递, 提高了制冷性能。

(4) 采用合理的散热方式对热端散热, 降低冷热端温差, 强化热端散热, 可以提高制冷性能。热管具有良好的散热效果, 很好的提高了制冷效率。

(5) 最优工况弥补了传统理论工况的不足, 既具有较小的电耗, 又具有较大的制冷量, 优化了半导体制冷器的设计, 得到了较好的制冷性能。

半导体制冷 篇5

传统的制冷技术一般采用压缩式制冷,即用化合物制剂(如氟利昂等)来做冷媒,通过压缩机对冷媒气体的压缩使其液化放热或使冷媒液体气化吸热实现制冷的原理,制造的电气产品如空调和冰箱等,已大量地使用在人们的生产和生活中,并且使用的数量逐年还在增加。但化合物制剂的泄漏,对周围环境会造成大量的污染,更重要的是这些制冷剂对大气臭氧层具有强烈的破坏作用,如氟利昂已经被我国政府限制使用了。近年发展起来的半导体制冷技术,不需任何制冷剂,仅仅利用半导体材料的热电效应就能实现制冷,这是一种性能优越、对环境无害的全新制冷技术。

半导体材料的热电效应主要包括:塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效应。本文所研究的冷暖控制器就是利用了半导体材料的珀尔帖效应原理。

2 珀尔帖效应及半导体材料制冷片工作原理

电荷载体在不同的材料中处于不同的能量级,其在导体中运动会形成电流,法国人珀尔帖在1834年试验发现,当电荷从高能级向低能级运动时,就会释放出多余的热量(即表现为制热);反之,当电荷从低能级向高低能级运动时,就需要从外界吸收热量(即表现为制冷)。放热或吸热大小由电流的大小来决定,这一现象称为珀尔帖效应。珀尔帖效应所产生的热量称为珀尔帖热,其大小与回路的电流强度成正比,方向可随着电流方向的改变而发生变更,即冷端与热端可实现互换,从而实现了制冷或制热效果。

珀尔帖热量公式为:

其中,Qπ为放热或吸热功率,与(2)中同为比例系数,称为珀尔帖系数,I为工作电流,a为温差电动势率,Tc为冷接点温度。

通常金属材料的珀尔帖效应较微弱,而半导体材料的珀尔帖效应则强很多,本机使用的是采用半导体材料做成的制冷片。

图1是一个采用半导体材料做制冷片的工作原理图,它由两片陶瓷片组成,其中间有N型和P型的半导体材料(碲化铋),这个半导体元件在电路上通过串联形式连接组成。

半导体材料制冷片的工作原理是:当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时,在这个电路中接通直流电流后,就能产生能量的转移,当电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量,成为冷端;当电流由P型元件流向N型元件的接头释放热量,成为热端。吸热和放热的大小通过电流的大小以及半导体材料N、P极的元件对数来决定。当制冷片内部由上百对电偶联成一热电堆同时工作时,就能达到我们所需要的制冷或制热效果。

3 主机组成

主机主要由以下部分组成,外观如图2所示。

(1)专用电源接头。主机使用电源为12V或24V直流电源,采用可与汽车点烟器相连的接头,可方便的在汽车上使用。

(2)主机。主要由电子控制电路、半导体制冷片、温度传感器、散热器、风机、水泵和保温蓄水槽组成。纯净水(或饱和盐水)在主机中作为传热介质。控制器主机上设有制冷/制热模式选择开关、手动/摇控选择开关及电源指示、工作指示和警报指示灯等。

(3)PU连接软管。用于主机蓄水槽传热介质进、出口与外部热交换器进、出口的连接。

4 主机主要工作流程

主要工作流程如图3所示。

(1)给主机接通电源,电源指示亮绿灯。

(2)通过主机上的选择开关手动选择制冷或制热模式,相应指示亮绿灯。

(3)然后通过控制方式选择开关选择手动或摇控控制,相应指示亮绿灯。选择手动时主机立刻启动。通过摇控器控制时,摇控器上设有启/停键和强、中、弱三档调节键,分别控制主机的启/停和控制电路输出到半导体制冷片上的电流大小,以调节主机功率。

(4)在控制电路未接收到超温信号,蓄水槽中的温度传感器传回温度信号未达到设定值时,半导体片开始工作,进行制冷或制热。水泵开始工作,使蓄水槽中的传热介质在水泵的作用下流入外部热交换器进行热交换。水泵采用间歇方式工作,间歇时间由控制电路自动控制。

(5)当控制电路接收到温度传感器传回传热介质或散热器超温度信号时,半导体制冷片立刻停止工作,并通过主机上的警报灯发出警报信息。

(6)当电源电压小于设定的低电压保护值时控制器主机立刻停止工作,电源指示亮红灯。

5 基本参数

主机的基本功能及参数见表1。

注:半导体制冷片工作时是无噪声、无震动的,本机的噪声主要来源于风机。

6 效率分析

测试时将主机PU管进出口通过连接器短接,蓄水槽传热介质采用纯净水。水泵泵水时间设为25s,间隔时间设为35s循环运行。测温计放于蓄水槽传热介质中。测试结果如下(测试时采用强档进行)。

(1)制冷:环境温度36℃,传热介质达到制冷温度上限(30℃)时间约3分钟;

(2)制热:环境温度10℃,传热介质达到制热温度下限(30℃)时间约2分钟。

从测试结果看,该主机的效率很高,可以在较短的时间内达到所需的温度值。

7 结束语

本文设计的控制器主机与压缩式制冷机相比,具有以下特点:

(1)不需要任何制冷剂,没有污染源,无泄漏、无污染,是环保产品;

(2)没有旋转部件,工作时没有震动、无磨损、噪音小,可连续工作;

(3)作用速度快、工作可靠、使用寿命长;

(4)容易控制,方便调节。

参考文献

[1]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海:上海交通大学出版社,1992.

半导体制冷 篇6

每年由于人为, 以及自然原因所引起的海难事故时有发生。据统计, 2011年全球海难事故约26起。当发生海难事故时, 救生艇是船员逃生的工具。在救生艇内, 除了少量的食物外, 还配备有淡水, 但淡水量非常少。按《国际救生设备规则》中所规定的救生艇携带淡水量仅供艇上人员6d的基本生活用水。一旦6d内救生艇内人员得不到及时救援, 这些人员将可能因为缺水而导致生还的可能性大大降低。如果在救生艇内安装造水装置就能够提供足够的淡水, 以延长待救人员等待救援的时间, 增加他们存活的机会。

目前, 国内外造水机的原理主要有蒸汽制淡装置、真空制淡装置、反渗透制淡装置等。但这些装置由于体积大、对设备性能要求高, 以及设备维护保养复杂等原因不适合在救生艇上使用。而半导体制冷由于体积小和维护保养少的原因适合于救生艇造水。但现有的半导体造水装置只是通过冷凝空气中的水分, 产水量低, 不能很好的应用于救生艇。其中叶继涛等[1]提出了1种太阳能半导体制冷结露法空气取水方法, 该方法相对于其他半导体制淡方法可以大幅度提高产水率。

笔者在叶继涛等设计的造水装置基础上进行改进, 设计了1种通过加湿除湿的方法来进一步提高半导体制冷造水机产水率的装置。

1 救生艇造水机的工作过程

救生艇造水机由进排水阀、海水加热室、水泵、空气入口、加湿罐、海水喷头、挡水板、填料函、风机、回热器、半导体、冷凝室、凝水室、积水室和压水器组成。造水机的系统结构原理见图1。

该系统工作过程分3步进行:加湿、预冷、冷凝。首先, 海水通过进排水阀进入海水加热室, 通过半导体热端对其加热, 加热后海水通过水泵和海水喷头进入加湿罐对风机吸入的空气进行加湿。然后, 将加湿的空气通过回热器进行预冷, 从而达到回收冷量的目的, 间接提高产水率。最后, 预冷后空气流入制冷室, 通过半导体冷端对制冷室进行降温, 从而将空气的温度降到露点以下达到凝水目的。凝结的淡水在积水室汇集。当需要使用淡水时, 可通过压水器将水压出。

当系统运行一段时候后, 通过进排水阀将浓度提高的海水排出海水加热室, 同时进入浓度较低的海水。其中进排水阀靠救生艇重力往海水加热室压水。

2 救生艇造水机的产水率计算

产水率的计算模型包含空气质量流量计算模型、含湿量与温度的计算模型和加湿罐空气温度与含湿量计算模型3个部分。空气质量流量计算模型根据太阳能电池板产能情况计算能够处理的空气质量流量, 加湿罐空气温度与含湿量计算模型根据给定的空气质量流量确定经过加湿罐处理后的空气的温度和含湿量, 含湿量与温度计算模型计算经过加湿罐处理后的空气的温度和含湿量。该产水率模型相对于传统的产水率模型增加了加湿罐空气温度与含湿量计算模型。其中, 半导体制冷结露法空气造水装置单位面积太阳能电池薄膜单位能量产水率的表达式为[1]

式中:ηq为单位面积太阳能电池薄膜单位能量的产水率;qm为单位时间内空气的质量流量;w1为加湿罐加湿后空气含湿量;w3为凝水室出口处空气含湿量;S为太阳能电池薄膜的面积;E为单位面积上太阳能辐射功率。

2.1 空气质量流量计算

半导体所消耗的功率P3一部分用于对制冷室空气进行制冷, 另一部分通过隔热层损失。因此, 半导体的能量平衡方程为

式中:ε为半导体的制冷系数;P3为半导体的功率;ΔH为空气在取水器进出口的焓差;Q为通过隔热层冷量损失。

半导体制冷系数的计算公式[2]

式中:Z为半导体的优质系数;TH为半导体的热端温度;T0为半导体冷端温度。目前, 半导体的热端与冷端最大温差可以达到60℃, 在该设计中取热端与冷端温差为30℃。同时为了保证热端可靠散热, 设计中通过海水加热室中的海水对半导体热端进行散热。

假设不考虑系统能量传递过程中的能量损失。根据能量守恒, 系统能量平衡方程为

式中:P1为太阳能电池薄膜的功率;P2为风机的功率;P4为水泵的功率。

2.2 含湿量与温度的计算

当空气温度在0~200℃时, 饱和水蒸气分压力与温度关系式的数学关系如下[4]。

式中:p1为饱和蒸汽分压力;c1, c2, c3, c4, c5, c6, c7为常数。

空气中水蒸气的分压力p2为

式中:Φ为空气是相对湿度, 空气中的水蒸气的分压力为饱和蒸汽分压力与空气相对温度的乘积。

空气的含湿量w的计算公式[4]:

式中:B为取水时的大气压力。

2.3 加湿罐空气温度与含湿量计算

将系统中加湿罐的模型简化为如下模型 (见图2) , 其中假设[6]:1系统处于稳态运行;2质量流量为常数;3在同一个热交换面上海水温度等于湿空气温度;4加湿罐绝热;5热传递系数和质量传递系数为常数。

式中wai, Tai, qma分别为dz填料函进口空气的含湿量、温度、干空气质量流量;wao, Tao分别为dz填料函出口空气的湿度和温度。其中:Twi, qmwi分别为dz填料函进口海水的温度和质量流量;Two, qmwo分别为dz填料函出口海水的温度和质量流量。

2.3.1 湿空气的质量平衡模型

在填料函中, 空气从加湿罐中穿过时与海水进行热量与质量的传递。从而导致海水蒸发, 增加空气的含湿量。质量守恒模型方程如下。

式中:Ma为干空气的摩尔质量;ky为填料函的传质系数;a为单位填料函的传热面积;wsat为饱和湿空气的含湿量。该方程的边界条件是:w (0) 为环境的空气含湿量w0。

2.3.2 湿空气的能量平衡模型

由于加热后的海水温度较环境温度高, 故在填料函中, 空气与海水进行热传递。能量守恒方程如下。

式中:hy为填料函热传递系数;Tw为海水温度;cpa干空气的定压比热容;cpv水蒸气的定压比热容。该方程的边界条件是:T (0) 为环境的空气温度T0。

3 数值分析

应用以上救生艇空气造水模型对某救生艇的造水装置进行了设计和产水率的计算。在计算过程中, 所选用的救生艇为无锡海鸿制艇有限公司生产的HH50C/HH50T救生艇。救生艇及模型中所用参数见表1。

根据已经建立的数学模型, 用Matlab软件对造水装置的产水率进行计算。计算结果见图3。根据计算结果当回热器出口温度为288K, 凝水室温度为283K, 夏季的产水率为0.112g/kJ, 冬季的产水率为0.06g/kJ。故夏季1d可以得到17.28kg淡水, 冬季可以得到8.64kg淡水, 对于1个能承载21个人的救生艇来说, 基本可以满足乘员的用水。相同条件下如果不采用该改进方案, 夏天制冷获得10.8kg淡水, 冬天获得淡水的量不足1kg。

4 结束语

通过在半导体制冷结露空气造水装置上应用半导体热端加热海水来增加空气湿度从而提高造水装置的产水率。在相同的实验条件下, 该方法相对于传统方法在夏季可以提高产水率67.4%, 冬季可以提高产水率600%。该装置可用于救生艇, 提高救生艇的供水量, 延长艇内乘员等待救援的时间。但是由于该设计只是理论上的分析, 真实的产水率还需进一步实验论证。同时由于采用海水加湿空气, 可能会导致产生的淡水中含有少量盐分。但是, 被誉为“海军的榜样”的法国博士阿兰·邦巴尔证实, 饮用含有少量盐分的淡水也是1种应急的办法。

参考文献

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半导体制冷 篇7

关键词：太阳能,半导体制冷,电冰箱

光伏发电是根据光生伏特效应原理, 利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是分布式发电还是并网发电, 光伏发电系统主要由太阳电池板 (组件) 、控制器和蓄电池等主要部分组成, 它们主要由电子元器件构成, 不涉及机械部件。当前, 这种发电技术的关键元件在于光伏组件的优劣。光伏组件 (即太阳能电池) 经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件, 再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电是太阳能发电的一种形式, 它容易实现、成本低廉、运行可靠, 已经在电力能源中占有一定的比率。在倡导节能、减排、低碳、环保的主旋律下, 绿色、清洁、可持续发展的太阳能是今后能源的主要来源。太阳能将在各个领域得到广泛应用。其中, 太阳能半导体制冷冰箱就是光伏发电的应用形式之一。无论从世界还是从中国来看, 常规能源都是很有限的, 中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平, 大约只有世界总储量的10%。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源, 具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点, 在长期的能源战略中具有重要地位。但是, 太阳能电池板的生产却具有高污染、高能耗的特点, 这是制造领域需要解决的关键问题。在整个太阳能电池板的制造过程中, 将消耗大量的电能和水, 污染了环境也损耗部分能源。同时, 对于中国这样的制造大国来说, 电池板出口越多对国内的环境影响就越大。在今后的十几年中, 中国光伏发电的市场将会由分布式发电系统转向并网发电电系统, 包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。中国太阳能光伏发电电发展潜力巨大, 配合积极稳定的政策扶持, 到2030年光伏装机容容量将达1亿千瓦, 年发电量可达1 300亿千瓦时, 相当于少建30多个个大型煤电厂。国家未来三年将投资200亿补贴光伏业, 中国太阳能能光伏发电又迎来了新一轮的快速增长, 并吸引了更多的战略投资资者融入到这个行业中来。光伏发电的各种衍生产品也陆续产生生, 满足了工业生产和人们的日常生活需求。

半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理, 该效应是在11834年由J.A.C帕尔帖首先发现的, 即利用由两种不同的导体A和和B组成的电路且通有直流电时, 在接头处除焦耳热以外还会释放出出某种其它的热量, 而另一个接头处则吸收热量, 且帕尔帖效应所引引起的这种现象是可逆的, 改变电流方向时, 放热和吸热的接头也随随之改变, 吸收和放出的热量与电流强度成正比, 且与两种导体的性性质及热端的温度有关。半导体制冷片不需要制冷剂, 没有污染源源, 工作时没有震动、噪音、寿命长;作为一种电流换能型片件, 通过过输入电流的控制, 可实现高精度的温度控制。半导体制冷已经在航航空航天、医疗技术、生物工程等领域得到广泛的应用。

夏天是阳光充足的季节, 也是冰箱使用最为频繁的时间。如何将将大量的太阳能利用起来达到制冷的效果?答案就是将太阳能发电电与半导体制冷联系起来, 设计出智能型半导体制冷冰箱, 方案可可行, 效果理想。以下是设计的主要内容和制作的实物样机。

1半导体制冷冰箱总体设计

冰箱箱体由内胆、隔热层、门外壳等组成。为了便于携带, 设计的箱体体积较小。考虑到现有光伏电池板的尺寸, 设计冰箱的大小为600 mm×540 mm×400 mm。半导体制冷冰箱系统由太阳能电池板、蓄电器、控制器、半导体制冷片、散热器、检测和显示电路构成, 其结构如图1所示。太阳能电池板 (Solar panel) 是通过吸收太阳光, 将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置, 大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”, 但因制作成本很大, 以至于它还不能被大量广泛和普遍地使用。相对于普通可循环充电的电池来说, 太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。因此, 选用太阳能电池板作为动力源是可以达到低碳、环保的效果。要想达到很好的制冷效果, 对材料的保温性能有一定的要求。在参照现有冰箱的保温材料的同时, 选择以泡沫盒作为内壳, 外加聚氨酯材料作为内外层填充物, 增强保温效果。冰箱门采用有机玻璃, 透过其可以看到物体在冰箱内制冷的情形。

2半导体制冷冰箱硬件设计

系统能够可靠运行, 硬件设计是保证。该设计包含的硬件有控制器、半导体制冷片、散热装置、温度传感器、检测电路和蓄电池等。核心器件是控制器, 考虑到成本和通用性, 该设计选用的是单片机作为微处理器。选择MC9S12XS128微处理器为核心控制处理单元, MC9S12XS128单片机是Freescale系列中高性能低功耗的16位处理器, 处理速度较51单片机要快, 内部集成很多资源, 有ADC转换模块、存储器、脉宽调制输出PWM, 具有高可靠性、实时性好、抗干扰能力强、成本低等优点。

供电电路是保证半导体制冷器正常运转的关键。根据电池板的规格参数和蓄电池的充放电电压, 选用的半导体制冷片的型号为TEC1-12705, 其正常工作电压为12 V, 最大工作电流为5 A, 最大温差67℃, 尺寸为40 mm×40 mm×4 mm。半导体制冷片一般都是由直流电流提供电源, 可以实现制冷又可以实现制热, 通过改变直流电流的极性来改变制冷片实现制冷或制热, 最大制冷量为40 W。图2为半导体制冷器的供电电路及充电电路。该设计主要是利用半导体制冷片的制冷效果, 采用MC9S12XS128单片机芯片的PWM功能, 通过光耦开关控制Q3的通断, 以达到对制冷片输入电压的控制, 进而控制其冷端的工作温度。

如图2所示, 其中ZLP为半导体制冷片。在实际的电路工作时, 为保证制冷效果, 将Q3的集电极电流保持在5 A以上, 以满足制冷片的工作电流, 达到充分制冷。后续电路是一个充电电路, 可以为手机、PAD、充电宝等充电。R5、R6、D2、Q2等组成限压电路, 以保护电池不被过充电, 这里以3.6 V手机电池为例, 其充电限制电压为4.2 V。在电池的充电过程中, 电池电压逐渐上升, 当充电电压大于4.2 V时, 经R5、R6分压后稳压二极管D2开始导通, 使Q2导通, Q2的分流作用减小了Q1的基极电流, 从而减小了VT1的集电极电流Ic, 达到了限制输出电压的作用。这时电路停止了对电池的大电流充电, 用小电流将电池的电压维持在4.2 V。

半导体制冷片冷端的制冷效果与热端的散热有着密切的关系, 热端的散热越好, 制冷片的制冷效果就越好。该设计中采用风冷。在制冷片热端加装风扇, 利用空气流动加强散热, 改善制冷效果。经过重复实验证明, 该方式散热效果良好。

3半导体制冷冰箱系统软件设计

系统软件设计流程如图3所示, 上电初始化后接着控制器启动内部A/D转换器, 采样制冷片前段的输入电压。若电压稳定且能保证制冷片工作, 则半导体制冷片首先工作。控制器通过检测电压和电流, 计算出相应的功率与制冷器比较, 当制冷稳定工作, 电能有富余时, 启动蓄电池进行充电。同时自带的智能充电电路也开始工作。蓄电池充电有防过充措施, 智能充电可以方便于手机、PAD、MP3等设备的充电。

系统中有温度检测模块, 该模块除了显示温度, 还为控制器提供温度数据。当温度值大于设定值时, 控制器调节PWM, 加大制冷效果, 直到温度值达到平衡为止。

通过设计和制作一台智能型光伏半导体冰箱样机, 实验装置如图4所示。实验装置的顶端是太阳能电池板, 主要提供动力能源。四根螺杆作为支撑柱子, 具有一定抗压能力。中间有分隔板将冰箱空间分成两部分, 制冷片、散热器、蓄电池及控制器等安装在一端, 另一端作为储藏空间。整个内部空间用保温材料保护, 最外层用有机玻璃, 透过其可以看见内部结构。

对该装置进行简单的实验, 可以得到以下结论。

(1) 在室外环境为25℃的气候条件下, 样机无负荷运行, 箱内制冷温度可以达到10℃, 可以达到一般的冷藏效果。

(2) 智能型光伏半导体冷箱替代传统冷藏箱, 具有方便携带、无毒、无噪音、无制冷剂污染、不消耗电网电能、运行稳定和可靠性高等优点。

(3) 光伏半导体制冷系统可解决偏远山区、日照充足的高原、沙漠地区以及夏日沙滩等缺电条件下食品、药品、饮料等的冷藏保鲜问题。尽管当前设计该产品成本相对较高、效率较低, 但随着光伏转换效率的提高以及技术的不断进步半导体制冷效率不断提升, 制造出完美的智能型光伏半导体冰箱是完全可以实现的。

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