尚劍鋒，史湘?zhèn)?，劉雪林，陳文?/p>

（中國石油大學（華東）理學院，山東青島 266555）

材料是當今世界的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，半導體制冷材料就是一種新興的熱門材料。自1834 年法國物理學家Peltier發(fā)現(xiàn)帕爾帖效應［1］至今，半導體制冷技術得到了長遠的發(fā)展，憑借其綠色環(huán)保、安全可靠、使用便捷等優(yōu)點，現(xiàn)已成功應用于電子、軍事、醫(yī)藥等領域，成為未來制冷技術發(fā)展的重要方向。對于半導體制冷材料而言，其自身存在與帕爾貼效應工作過程相反的塞貝克效應［2］，即溫差發(fā)電效應。目前，單獨的半導體制冷實驗儀和半導體溫差發(fā)電實驗儀研究較多，且均使用普通直流電源。本文率先提出了利用太陽能供電在同一塊半導體制冷片上實現(xiàn)制冷與溫差發(fā)電雙重實驗現(xiàn)象的演示，這對提高學生對半導體材料制冷和溫差發(fā)電現(xiàn)象的認識以及綜合利用太陽能技術與半導體制冷技術有著積極的意義［3］。

1 實驗原理

1.1 半導體制冷原理

半導體制冷又稱溫差電制冷，它是利用帕爾帖效應來達到制冷目的的。半導體的重要特性就是在半導體中摻入一定數(shù)量的某種雜質后可以使其導電能力大大提高。

圖1 半導體制冷原理

圖1是半導體制冷原理，P 型半導體和N 型半導體夾在金屬板間形成通路，在外電場作用下，P型半導體中的空穴從正極流向負極，在a 處需要從金屬片上吸收一定的能量，用以提高自身的勢能，才能進入P型半導體，因此該接點處溫度會降低形成制冷點；而在b點處的空穴需要釋放多余的能量才能進入金屬片中，該接點溫度上升，形成放熱點。相反，N 型半導體中的自由電子從負極流向正極，在c處電子吸收能量形成制冷點，而在d處電子釋放能量形成放熱點，多對電熱對串聯(lián)后就能在其制冷面取得較好的制冷效果［4－5］。

1.2 半導體溫差發(fā)電原理

半導體溫差發(fā)電是塞貝克效應的體現(xiàn)，與帕爾帖效應相反，塞貝克效應是將熱能轉化為電能，圖2為半導體溫差發(fā)電原理。

圖2 半導體溫差發(fā)電原理

如圖2所示，在一對電熱對的兩端建立一個溫差，使高溫端保持Th，低溫端保持Tc，則高溫端就會向低溫端傳導熱能并產(chǎn)生熱流，一部分熱能在器件內部傳導過程中變成電能通過導線輸出，將多對電熱對串聯(lián)便可獲得更多電能［6－7］。

2 實驗裝置結構原理

半導體制冷與溫差發(fā)電演示儀結構原理框圖見圖3，裝置主架為有機玻璃。通過太陽能光伏電池發(fā)出的直流電驅動系統(tǒng)，并以可充電的鎳氫電池作為積蓄太陽能發(fā)電板的剩余電力的設備。在電路中設置一換向開關，可將半導體制冷片分別與2個不同的回路相接，分別實現(xiàn)制冷和溫差發(fā)電的演示。

圖3 裝置原理框圖

演示時，打開電源開關，將換向開關撥向制冷端，半導體片在外電場的作用下，內部熱量轉移實現(xiàn)制冷。由DS18b20溫度傳感器采集制冷端表層空氣溫度信號［8］，通過液晶屏顯示溫度動態(tài)變化。DS18b20數(shù)字溫度計以9位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值，只需要通過一個單線接口發(fā)送或接收信息，用于讀寫和溫度轉換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無需外部電源。其溫度測量范圍為－55～＋125 ℃，因此可以很好地滿足測量需要。半導體散熱手段是影響其制冷效果的重要因素，采用導熱硅膠將制冷片與散熱鋁片粘合在一起，裝置兩側設為開放式結構，通過散熱風扇加快空氣對流速度實現(xiàn)更好的散熱效果。制冷演示結束，將換向開關撥向另一端，則半導體與靈敏電壓表串聯(lián)。對半導體一端加熱，熱能在半導體內轉移過程中產(chǎn)生電能，電壓大小可由電壓表顯示［9］。

3 電路組成

3.1 太陽能供電電路

供電電路由太陽能電池、太陽能控制器、直流蓄電池、穩(wěn)壓輸出電路組成。太陽能控制器以LM7815集成穩(wěn)壓器為核心組成穩(wěn)壓電路，控制蓄電池對電能的采集，肖特基二極管防止電壓反沖，保護蓄電池［10－11］。

3.2 降壓電路

溫度顯示電路控制核心為AT89S52單片機，其工作電壓為5V，選用LM7805集成穩(wěn)壓器將直流蓄電池12V 輸出電壓降為5V，降壓電路如圖4所示。

圖4 LM7805穩(wěn)壓電路

3.3 溫度顯示電路

溫度顯示電路可顯示制冷過程溫度變化和穩(wěn)態(tài)時制冷片表層空氣溫度。顯示模塊控制核心為AT89S52單片機，其P2.2引腳與DS18b20數(shù)據(jù)線相連接、接收溫度傳感器溫度信號，對信號進行處理后將其溫度值通過LCD1602液晶屏顯示。溫度顯示電路原理圖如圖5所示。

圖5 溫度顯示電路

AT89S52單片機是一個低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大，適合于許多較為復雜控制應用場合。LCD1602液晶屏是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊，其使用較為普遍。液晶屏第3腳接一個10kΩ 的電位器，使用過程中可以通過電位器來調節(jié)液晶屏的對比度來實現(xiàn)良好的顯示效果，圖6為溫度顯示電路實物圖。

圖6 溫度顯示電路實物圖

4 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 制冷溫度變化

接通電源后半導體開始制冷，LCD1602液晶屏將其表層空氣溫度定量顯示，得到如圖7所示的溫度變化曲線，可以看到溫度在降至約2 ℃后不再變化。

圖7 制冷面表層空氣溫度變化曲線

電源接通后，半導體上下兩端會產(chǎn)生熱量轉移，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端［12］。但是半導體自身存在電阻，當電流經(jīng)過半導體時就會產(chǎn)生熱量，從而會影響熱傳遞，而且2個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡點，正逆向熱傳遞相互抵消。此時冷熱端的溫度就不會繼續(xù)發(fā)生變化。如果采取更好的散熱方式降低熱端的溫度就可建立新的平衡點，實現(xiàn)更為理想的制冷效果。

4.2 溫差發(fā)電數(shù)據(jù)與分析

為了探究半導體發(fā)電片的發(fā)電性能，進行了相關實驗。在室溫為23.3℃的情況下，用不同溫度的熱源對熱端加熱，得到如圖8所示的發(fā)電數(shù)據(jù)。

圖8 溫差發(fā)電的電壓－溫度曲線

從圖9中可以看出，在散熱端溫度基本不變的情況下，發(fā)電電壓與發(fā)電片兩端溫度成線性關系［9］，關系式［5］為

其中Th為熱端溫度，Tc為冷端溫度，αs為半導體材料塞貝克系數(shù)。由圖8曲線可看出，溫差對塞貝克系數(shù)有一定影響［13］，溫差較大的情況下塞貝克系數(shù)較大。

5 結束語

研制的演示儀綜合了半導體制冷及溫差發(fā)電兩種效應，對其制冷效果及發(fā)電性能進行了定量顯示，演示效果明顯。裝置采用太陽能供電，無需外加電源，展現(xiàn)了太陽能技術與半導體制冷技術聯(lián)合利用的技術優(yōu)勢，對于綠色環(huán)保的新技術的認識和推廣有著積極意義。

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