南昌大學(xué)機電學(xué)院熱能與動力工程研究所 戴源德 雷強萍 古宗敏

一 引言

近年來隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國用電缺口逐漸增大，很多城市在夏季用電高峰時期，電力供應(yīng)不足，甚至出現(xiàn)拉閘限電的情況，這給人民生活和經(jīng)濟建設(shè)帶來了嚴(yán)重的影響。據(jù)有關(guān)資料顯示:中國的電力需求每年增長14%～15%[1]，建筑使用能耗已占國家總能耗30%左右，而制冷空調(diào)工程占建筑使用能耗80%以上[2]?？梢娍照{(diào)用電在建筑能耗用電中占很大的比重，因此，做好空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能工作對緩解我國目前的供電緊張有著重要的意義。

太陽能是一種儲量豐富、清潔安全的可再生能源，將太陽能應(yīng)用于空調(diào)是未來綠色制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。目前太陽能空調(diào)技術(shù)有兩類:一類是利用太陽輻射的熱能來實現(xiàn)空調(diào)；一類是利用太陽光轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)逆變后驅(qū)動傳統(tǒng)壓縮式空調(diào)。然而前者存在熱源不穩(wěn)定、需要輔助能源等問題，后者不僅制冷系數(shù)較低，還由于使用傳統(tǒng)制冷劑和壓縮機噪聲對環(huán)境產(chǎn)生危害，難以推廣應(yīng)用。而將太陽能與半導(dǎo)體制冷技術(shù)結(jié)合的這一新型空調(diào)系統(tǒng)無需輔助能源，相比于光伏壓縮式空調(diào)系統(tǒng)，此系統(tǒng)無需能量轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，并且無需制冷劑，不存在運動部件，避免了傳統(tǒng)空調(diào)產(chǎn)生的環(huán)境污染和噪聲問題?；诖耍瑖鴥?nèi)外已有不少學(xué)者在開展太陽能半導(dǎo)體空調(diào)技術(shù)的研究，進(jìn)一步推動了該技術(shù)的實用化進(jìn)程。

二 太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)

1 基本組成

太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽能供電裝置和半導(dǎo)體空調(diào)裝置兩部分組成。其中供電部分包括太陽能光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、控制器、蓄電池、整流器；半導(dǎo)體空調(diào)裝置部分包括半導(dǎo)體熱電堆、散熱設(shè)備、空調(diào)送風(fēng)機等，如圖1所示。

2 太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)是基于半導(dǎo)體制冷原理建立起來的空調(diào)系統(tǒng)。半導(dǎo)體制冷也稱熱電制冷，是利用特種半導(dǎo)體材料組成P-N結(jié)，形成熱電偶對，產(chǎn)生珀爾帖效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過半導(dǎo)體熱電堆時能產(chǎn)生一端變冷、另一端變熱的現(xiàn)象。太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)就是首先將由太陽能光電轉(zhuǎn)換裝置提供的直流電供給半導(dǎo)體熱電堆，利用熱電堆發(fā)生的冷熱現(xiàn)象達(dá)到空調(diào)制冷或制熱的目的。

系統(tǒng)運行時，白天光照下，太陽能光電轉(zhuǎn)換器輸出直流電，一部分直接供給半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)，另一部分進(jìn)入儲能設(shè)備儲存，以供夜間或非正常日照條件下使用，使空調(diào)系統(tǒng)可以全天候正常運行。此外，為了避免個別極端天氣(例如連續(xù)多天的陰雨天)影響裝置的正常運行，還可將公共電網(wǎng)用電經(jīng)系統(tǒng)中的整流器整流后作為輔助供電。其中控制器使整個空調(diào)系統(tǒng)的能量傳輸始終處于最佳匹配狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的效率、降低系統(tǒng)的成本。

半導(dǎo)體空調(diào)裝置由多塊熱電偶組成半導(dǎo)體熱電堆，并外接電源線，通過電流方向的改變來實現(xiàn)冷熱端的置換，從而完成夏季制冷和冬季供熱。圖2為半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，半導(dǎo)體熱電堆的一端置于空調(diào)區(qū)域內(nèi)，夏季為冷端，對空調(diào)區(qū)域提供冷量，此時置于空調(diào)環(huán)境外的一側(cè)為熱端，向外界散熱。

三 太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題

太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、無污染、壽命長、可靠性強、負(fù)荷可調(diào)性強、制冷制熱速度快等優(yōu)點，因而受到人們的廣泛關(guān)注。但目前因系統(tǒng)的運行效率較低、成本高而嚴(yán)重影響了太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)在國防、工業(yè)、日常生活等各領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。為改善系統(tǒng)的制冷制熱效率、降低系統(tǒng)成本，國內(nèi)外一些學(xué)者對太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)展開了一系列的課題研究工作。從相關(guān)的研究內(nèi)容可知，影響太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)運行性能的關(guān)鍵技術(shù)問題主要有以下幾點:

1 太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率

太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)是利用太陽能經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到的電能驅(qū)動半導(dǎo)體空調(diào)裝置實現(xiàn)能量傳遞的一種特殊空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)中光電轉(zhuǎn)換器太陽電池轉(zhuǎn)換效率的提高可改善整個系統(tǒng)的運行效率和降低設(shè)備的成本。從目前太陽電池的研究現(xiàn)狀看，主要從開發(fā)太陽電池新材料、新的太陽電池結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)方面來改善太陽電池的轉(zhuǎn)換效率；然而，當(dāng)前晶體硅材料仍是制造太陽電池的主要材料，尚無大突破。在太陽電池結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)方面，國內(nèi)外一些公司通過自主研發(fā)取得了重大進(jìn)展，如無錫尚德“冥王星”(Pluto)技術(shù)可將單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率由17%提高到18.8%，多晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率由16%提高到17.2%；美國Innovalight公司開發(fā)出基于硅漿技術(shù)的高效晶體硅太陽電池，效率超過20%；日本三洋的超薄HIT電池，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23%；比利時的IMEC公司采用淺發(fā)射結(jié)技術(shù)和鍍銅刪線技術(shù)，開發(fā)出高效、低成本的太陽電池。上述新技術(shù)的開發(fā)，使太陽電池效率不斷提高，一定程度上推動了太陽能半導(dǎo)體空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，為系統(tǒng)的進(jìn)一步實用化奠定了基礎(chǔ)。

2 熱電材料優(yōu)值系數(shù)

熱電材料的優(yōu)值系數(shù)是衡量半導(dǎo)體空調(diào)器性能的一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，優(yōu)值系數(shù)愈高，系統(tǒng)的運行性能愈好，效率也愈高，因此改善材料的優(yōu)值系數(shù)是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵方向。近年來主要從提高材料的優(yōu)值系數(shù)Z和尋找大Z值的材料兩個方向來獲得性能優(yōu)良的熱電材料。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)熱電元件的優(yōu)值系數(shù)在相當(dāng)一段時間內(nèi)維持在(2.5～3.0)×10?3K?1(見表1)，熱電效率低，使得相同工況下，半導(dǎo)體制冷與壓縮式制冷有一定差距。有研究顯示，要使半導(dǎo)體制冷與壓縮式制冷在經(jīng)濟上達(dá)到相當(dāng)?shù)乃剑瑑?yōu)值系數(shù)需達(dá)到13×10?3K?1[4]，即無量綱優(yōu)值Z Tm要從現(xiàn)在的0.9提升到3。近年來隨著世界各國半導(dǎo)體制冷學(xué)者對熱電材料展開的一系列研究，Z Tm值取得了重大進(jìn)展。Venkatasubramian等人報道[5]，室溫條件下，P型Bi2Te3/Sb2Te3超晶格材料Z Tm=2.4；N型超晶格材料Z Tm=1.2。Harmon等人報道[6]，室溫條件下，N型PbSeTe/PbTe量子點超晶格材料Z Tm≥2。半導(dǎo)體材料優(yōu)值系數(shù)的提高，熱電性能的改善，將加快太陽能半導(dǎo)體空調(diào)技術(shù)實用化的進(jìn)程。

表1 熱電器件用半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)[3]

3 設(shè)計工況

按半導(dǎo)體制冷傳統(tǒng)理論進(jìn)行設(shè)計，半導(dǎo)體制冷器有兩種工況，即最大制冷系數(shù)工況和最大制冷量工況。然而，制冷器實際運行時這兩種工況并不能統(tǒng)一，設(shè)計時兼顧兩者選擇合適的設(shè)計工況，可得到較高的制冷效率。研究表明:按最大制冷量Qmax設(shè)計時，制冷系數(shù)較低，熱端散熱多，但所用元件少，體積小，制造成本低，能夠適應(yīng)較多特殊場合；反之，按最大制冷系數(shù)εmax設(shè)計，半導(dǎo)體制冷器制冷系數(shù)較高，運行經(jīng)濟性較好，但所需元件多，體積大，制造成本高；按最佳工作工況設(shè)計，制冷器產(chǎn)品成本與功耗總和最低；按等功率工況設(shè)計，此狀態(tài)系統(tǒng)運行時是相對于Qmax，εmax較合理的狀態(tài)。不管采用哪種設(shè)計方法，應(yīng)根據(jù)實際用途來選擇合理的設(shè)計工況，從而使半導(dǎo)體空調(diào)達(dá)到最優(yōu)設(shè)計。

4 散熱方式

半導(dǎo)體制冷效率的提高，除了其本身制造材料和制造工藝的因素外，主要取決于其散熱、傳冷方式及良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化散熱方式有助于改善整個系統(tǒng)的制冷效率。由于半導(dǎo)體空調(diào)熱端散熱量是冷端吸熱量的2～5倍[7]，所以重點解決好其散熱問題將對制冷效率的提高起到至關(guān)重要的作用。曾經(jīng)有制冷學(xué)者對半導(dǎo)體制冷熱端散熱方式對系統(tǒng)制冷性能影響進(jìn)行了理論分析和實驗研究[8]，相同情況下，不同的散熱方式半導(dǎo)體空調(diào)性能見表2。

表2 相同工況下熱端散熱方式性能比較

從表2中可以看出風(fēng)冷散熱形式半導(dǎo)體空調(diào)的能效比較低；而采用熱管冷卻優(yōu)于強制對流空氣冷卻，但卻無法超過水冷方式；采用水冷較理想，但水冷表面一旦積垢，傳熱性能會有所下降。由此可知，三種散熱方式都存在不足之處，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合理的散熱方式。

5 工作電流

當(dāng)熱電單元冷熱端溫度TC、TH一定時，還存在一個與最佳制冷系數(shù)C O Pmax對應(yīng)的最佳電流I0。半導(dǎo)體空調(diào)工作并非在某一固定不變的工況下，隨著工況的改變和負(fù)荷的變化，需要通過調(diào)節(jié)工作電流來調(diào)節(jié)冷熱端溫度TC、TH，以滿足空調(diào)環(huán)境負(fù)荷的需求。當(dāng)冷熱端換熱系數(shù)一定時，空調(diào)工作電流的選取存在另一個最佳值I0。

四 太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

半導(dǎo)體制冷技術(shù)是20世紀(jì)50年代才發(fā)展起來的新技術(shù)，與實用的晶體硅太陽電池研制成功的時間差不多?，F(xiàn)在，太陽電池的效率已由20世紀(jì)50年代初的6%提高到目前的17%(單晶硅太陽電池)、16%(多晶硅太陽電池)、9%～11%(非晶硅太陽電池)。與此同時，隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)的提高，半導(dǎo)體制冷技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，半導(dǎo)體制冷器的制冷系數(shù)也有了很大的提高。20世紀(jì)50年代初為0.9，目前已大于2.0[4]，接近于現(xiàn)在的常規(guī)壓縮式空調(diào)，其制冷系數(shù)為2.5～2.8。目前，研究部門正在加大力度研究半導(dǎo)體制冷材料及其生產(chǎn)技術(shù)，其制冷系數(shù)即將大幅度提高，可與常規(guī)空調(diào)的制冷系數(shù)相比擬。

在太陽電池研究方面，納米晶體化學(xué)太陽電池(簡稱NPC電池)轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定性已達(dá)11%以上，其廉價的成本和簡單的制作工藝以及穩(wěn)定的性能令人鼓舞，其制作成本僅為5～7元/Wp，是硅太陽電池的1/5～1/10，其壽命在20年以上，估計今后幾年該電池將逐步走上市場[9]。這樣，太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)的電源——太陽電池陣列的成本將會大幅度下降，為太陽能半導(dǎo)體空調(diào)技術(shù)的實用化奠定了基礎(chǔ)。屆時，高效率低成本的太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)也將投放市場，安全、節(jié)能、清潔、無噪音的太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)將為千家萬戶帶來舒適的生活環(huán)境，同時還減少空調(diào)的使用成本。

五 結(jié)語

太陽能半導(dǎo)體空調(diào)技術(shù)是一種新型的制冷技術(shù)，因其具有節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單等特點而受到世界各國的重視，然而關(guān)鍵技術(shù)存在的問題和成本較高一直是制約太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的兩大瓶頸。隨著世界各國制冷學(xué)者加大對太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)的研究，尤其是對半導(dǎo)體制冷關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)、新材料及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、熱電效率的改善、系統(tǒng)成本的降低，將會大大推動太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活中的應(yīng)用。相信在不久的將來，這項環(huán)保節(jié)能的新技術(shù)產(chǎn)品，將會給國家和人民帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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