车载太阳能制冷空调可行性报告

车载太阳能半导体制冷片空调可行性报告

深圳大学机电学院樊玉龙

简介：

车载系统中空调系统一般采用发动机带动压缩机进行制冷，制冷剂在车体空间内蒸发汽化吸热制冷，在车体外部空间经压缩机压缩液化放热，利用热泵原理工作。

半导体制冷(即热电制冷或温差电制冷)与传统制冷方法不同的是既没有制冷剂,也没有复杂的机械设备和管路系统,只要给热电制冷器接上电源,就可以制冷.其主要优点是外形尺寸小、重量轻、无摩擦、无噪声、能精确控制和平稳调节温度工况与制冷量,不存在制冷剂泄漏而引起的空气污染问题,无需经常维修,管理方便.在国防、工业、农业和医疗等领域中有广泛的应用前景,特别适用于一些特殊场合的制冷,如潜艇空调、加压舱空调、军用通讯车和地下工程等.

制冷片的介绍

半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。

半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，以下的图就是一个单片的制冷片，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是用串联形式连结组成

半导体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，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定，以下三点是热电制冷的温差电效应。

1、塞贝克效应（SEEBECK EFFECT）

一八二二年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：ES=S.△T

式中：ES为温差电动势

S（?）为温差电动势率（塞贝克系数）

△T为接点之间的温差

2、珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）

一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。

Qл=л.I л=aTc

式中：Qπ为放热或吸热功率

π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

3、汤姆逊效应（THOMSON EFFECT）

当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：

Qτ=τ.I.△T

Qτ为放热或吸热功率

τ为汤姆逊系数

I为工作电流

△T为温度梯度

以上的理论直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。

约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体制冷材料的优值系数，才达到相当水平，得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体制冷片件。

中国在半导体制冷技术开始于50年代末60年代初，当时在国际上也是比较早的研究单位之一，60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体制冷片技术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体制冷材料的优值系数提高，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力和物力，获得了半导体制冷片，因而才有了现在的半导体制冷片的生产及其两次产品的开发和应用。

制冷片的技术应用

半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：

1、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。

2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。

3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。

6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

7、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：

1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。

2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。

3、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。

4、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。

5、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了。

缺点

效率低。

按照制冷量与单位输入功率的比值（效能比）来算，半导体制冷仅为0.6左右，而一般国内家用空调为2.8-3.2，日本的家用空调效能比可达4-5。半导体制冷片的循环效率在制冷系数达到最佳值时也只有12%。远不及压缩制冷的理想循环效率。

网上摘录的关于半导体制冷效率的叙述。

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即使用水冷却能效比也就是0.5左右，比较低，建议使用压缩冷凝制冷。

（/link?url=4hFD0TIRYem89GNtDNrFvDy5FMZa8fPaLpy-oxm1-BQ6yJMFUjxTWLDBZVwIj4qezKZpF9TsDeDQ5GfJtACMiq）

注：空调器的能效比，就是名义制冷量（制热量）与运行功率之比，一般家用空调的效能比在2.8-5.0之间。

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导体制冷片是一种热泵，没有滑动部件，可以应用在一些空间受到限制、可靠性要求高以及无制冷剂污染的场合，而制冷压缩机是空调系统的核心部件，具有结构紧凑、高效节能以及微振低噪等特点。

半导体制冷片既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热。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，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。

压缩机制冷机从蒸发器中吸m蒸气，以保证蒸发器内一定的蒸发压力，提高压力以创造在较高温度下冷凝的条件，输送制冷剂，使制冷剂完成制冷循环。

二者相比较，压缩机制冷机能效远远高于半导体制冷片，半导体制冷片的循环效率在制冷系数达到最佳值时也只有12%，远不及压缩制冷的理想循环效率，但是半导体制冷可应用在特殊的场合。

（/news/GongSiXinWen/119.html）

实验

实验说明