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【摘 要】 太阳能半导体制冷技术是在半导体制冷技术的基础上发展起来的一项新型制冷技术，其理论基础是热电制冷原理。由于其无需制冷剂，无噪音，无污染等优势，加上常规能源短缺和太阳能源的开发利用优势，使得太阳能半导体制冷技术受到越来越多的相关学者关注，并取得很大程度的突破。本文从提高太阳能半导体制冷仪制冷效率的目的出发，针对影响其制冷性能的几个问题进行分析和实验研究。
【关键词】 太阳能 半导体 制冷仪
随着社会发展和经济的发展，人们越来越注重生活品质，空调作为近代工业上发展起来，现如今无论是民用还是工业上都有广泛运用。由于广泛应用的氟利昂制冷工质对臭氧层有极大的破坏作用，寻求氟利昂的替代工质是大势所趋。太阳能半导体制冷是利用太阳能电池产生的电能来驱动半导体制冷装置，实现热能传递的特殊制冷方式，其工作原理主要是光伏效应和帕尔贴效应。本小组希望制作小型的、环保全自动太阳能半导体制冷仪，为环保型制冷仪的制作拓宽思路。
太阳能电池板：太阳能电池板是整个发电系统中的与太阳能接触最为紧密的部分，也是发电系统中最为核心的部分，既能将太阳的热辐射转化为电能，也能将吸收的太阳能输送至蓄电池中储存起来，还可以直接对负载进行供电使其工作。太阳能发电系统整体水平的高低很大程度上就由这块电池板决定。市面上太阳能电池板的售价根据功率的大小有几十到几百不等的规格，用户可以根据自己的需要进行选择。
太阳能控制器：太阳能控制器最主要的功能就是控制电路对蓄电池的充电以及对负载的供电，依据太阳能电池板电能的输出大小，合理有效地调整电路的开关状态，使整个系统达到最佳配置。当蓄电池充满或是负载过重时，控制器自动跳电，起到过电保护的作用。太阳能控制器目前常见的有12V、24V、220V这几个标称电压等级。
蓄电池：常用为铅酸电池，也可用镍氢电池或锂电池。用户在进行系统模拟实验中可以选择不同电压等级的蓄电池，通常为DC12V和DC24V，其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再取出，给负载供电。
由于在自然界中，太阳不同于煤炭等资源，人们一般难以对其进行有效控制。太阳的光照时间和强度都是不定的，所以如果单纯用太阳能进行供电，当雨季来临时，负载会因电源电能耗尽无法工作而成为一堆废铁。为此，作者建议在选择利用太阳能作为系统电源进行主供电时，不妨选择电能等可控能源作为辅助电源，在无日照的情况下，仍可对蓄电池进行充电或是直接给系统供电，从而达到既节约能源、保护环境，又能提高系统运行效率、降低系统的成本。
半导体制冷器中有许许多多的P型和N型颗粒，它们之间相互紧密排列，并且与普通的导体，比如铜、铝等金属导体相连接，形成通路，接着在外面夹上两片陶瓷片，将其包裹起来，对陶瓷片也有一定的要求，首先是绝缘性好，其次是导热性好。
另外，半导体制冷元件具有其他材料制成的制冷片所不具有的一些优势：（1）环保无污染，不破坏生态，不产生有毒有害物质。（2）半导体制冷器件功率低，量小质轻，适合人们对微型化的需求。（3）不受失重、超重影响。（4）只要交换电源接向，就能切换制冷与制热模式。（5）无压缩机，有效解决由于泵振动带来的噪声影响。
因为这些优势，半导体制冷技术在低温生物学、超导技术、低温外科学、低温电子学、通讯技术、红外技术、激光技术、以及空间技术等领域具有广泛的应用。
一个P型半导体元件与一个N型半导体元件结合，组成热电偶对，热电偶对是半导体制冷器的基本器件。P型材料缺少电子，电势为正；N型材料富余电子，电势为负。当电子从P型端穿过PN结点到达N型端时，电子能量，并且增加的能量等于PN结点消耗的能量。
将热电偶连接成闭合回路，接上直流电源通电后，上面接头的电流方向是N-P，此时温度降低，并且吸热，形成冷端，而下面接头的电流方向是P-N，此时温度则上升，
把若干对半导体热电偶对在电路上串联起来，而在传热方面则是并联的，这就构成了一个常见的制冷热电堆。接上直流电源后，通过借助各种传热器件，就能使热电堆的热端不断散热，并保持一定的温度，再把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热，从而产生低温，达到制冷。这就是热电制冷的工作原理。[3]
（1）由于非稳态的太阳能半导体制冷仪，在不同的光照和环境温度条件下，工作效率不同。所以如果能够研究在不同条件下，这两者以及其他因素对制冷箱制冷性能的影响，能将太阳能半导体制冷仪制冷情况更进一步反映出来，更能为其实际应用提供很好的依据；
（2）由于人体对环境感知不如仪表测量明显，所以笔者建议可以在实验电路中串联一个灵敏电表，实时反映太阳能辐射强度变化时，通过监控参数变化、用计算机模拟生成的办法，进一步弄清制冷箱的制冷情况；
（3）根据数字电子控置理论方面的知识，为太阳能半导体制冷仪提供可靠高效的数控装置，确保太阳能半导体制冷装置的高效率运行。
笔者相信随着科技的发展，太阳能半导体制冷仪这一新型产品，必然会像电子计算机一样，能走进千家万户，走进大众生活，成为人民日常活动中不可缺少的一部分。
参考文献：
唐春晖.半导体制冷——21世纪的绿色“冷源”[J].半导体技术，2005，30（5）：32～34.
YAO J C Semiconductor refrigeration and its application[J].Electronic Engineer，1998，1：46～48（in Chinese）
[3]WANG S J Development of all refrigerator uses the semiconductor refrigeration piece[J].Experimental Science And Technology，2005，10：173～174（in Chinese）.
[4]ZHANG H、WANG M H、WU H、LI J X Discussion on the solar semiconductor refrigeration system[J].Energy Research And Utilization，2008，5：26～28（in Chinese）.
【关键词】 太阳能 半导体 制冷仪
随着社会发展和经济的发展，人们越来越注重生活品质，空调作为近代工业上发展起来，现如今无论是民用还是工业上都有广泛运用。由于广泛应用的氟利昂制冷工质对臭氧层有极大的破坏作用，寻求氟利昂的替代工质是大势所趋。太阳能半导体制冷是利用太阳能电池产生的电能来驱动半导体制冷装置，实现热能传递的特殊制冷方式，其工作原理主要是光伏效应和帕尔贴效应。本小组希望制作小型的、环保全自动太阳能半导体制冷仪，为环保型制冷仪的制作拓宽思路。
1 太阳能供电系统
利用太阳能原理发电的系统主要由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池三部分组成。太阳能电池输出为直流电，如需将其给家用电器供电，还需要配置逆变器，将输出电压转为为220V常用交流电。太阳能电池板：太阳能电池板是整个发电系统中的与太阳能接触最为紧密的部分，也是发电系统中最为核心的部分，既能将太阳的热辐射转化为电能，也能将吸收的太阳能输送至蓄电池中储存起来，还可以直接对负载进行供电使其工作。太阳能发电系统整体水平的高低很大程度上就由这块电池板决定。市面上太阳能电池板的售价根据功率的大小有几十到几百不等的规格，用户可以根据自己的需要进行选择。
太阳能控制器：太阳能控制器最主要的功能就是控制电路对蓄电池的充电以及对负载的供电，依据太阳能电池板电能的输出大小，合理有效地调整电路的开关状态，使整个系统达到最佳配置。当蓄电池充满或是负载过重时，控制器自动跳电，起到过电保护的作用。太阳能控制器目前常见的有12V、24V、220V这几个标称电压等级。
蓄电池：常用为铅酸电池，也可用镍氢电池或锂电池。用户在进行系统模拟实验中可以选择不同电压等级的蓄电池，通常为DC12V和DC24V，其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再取出，给负载供电。
由于在自然界中，太阳不同于煤炭等资源，人们一般难以对其进行有效控制。太阳的光照时间和强度都是不定的，所以如果单纯用太阳能进行供电，当雨季来临时，负载会因电源电能耗尽无法工作而成为一堆废铁。为此，作者建议在选择利用太阳能作为系统电源进行主供电时，不妨选择电能等可控能源作为辅助电源，在无日照的情况下，仍可对蓄电池进行充电或是直接给系统供电，从而达到既节约能源、保护环境，又能提高系统运行效率、降低系统的成本。
2 太阳能制冷仪制冷片构造说明
随着半导体材料的发展，1960年出现了半导体制冷器，它是由半导体所构成的一种冷却装置。半导体制冷器对材料的要求比较高，要同时具备N型和P型两种半导体特性，还要根据需要掺入杂质来改变半导体的温差电动势率、导电率和导热率，从而使这种特殊半导体能作为制冷的材料。我们现在在中国可以见到的半导体常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金。在碲化铋中混合不纯物之后经过一系列的特殊处理制成N型或P型半导体温度差原件，其中Bi2Te3—Sb2Te3的是P型，Bi2Te3—Bi2Se3的是N型。下图1是半导体制冷器的简单示意图。半导体制冷器中有许许多多的P型和N型颗粒，它们之间相互紧密排列，并且与普通的导体，比如铜、铝等金属导体相连接，形成通路，接着在外面夹上两片陶瓷片，将其包裹起来，对陶瓷片也有一定的要求，首先是绝缘性好，其次是导热性好。
另外，半导体制冷元件具有其他材料制成的制冷片所不具有的一些优势：（1）环保无污染，不破坏生态，不产生有毒有害物质。（2）半导体制冷器件功率低，量小质轻，适合人们对微型化的需求。（3）不受失重、超重影响。（4）只要交换电源接向，就能切换制冷与制热模式。（5）无压缩机，有效解决由于泵振动带来的噪声影响。
因为这些优势，半导体制冷技术在低温生物学、超导技术、低温外科学、低温电子学、通讯技术、红外技术、激光技术、以及空间技术等领域具有广泛的应用。
3 太阳能制冷仪工作原理
在热电效应的基础上形成的半导体制冷技术被称为热电制冷，也叫做温差制冷。目前，市场上有许多种制冷的方法，常见的有：液化气体制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷这四种。热电效应的理论基础是固体的热电效应，包括塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆逊效应，焦耳效应以及傅里叶效应五个效应。其中前三种效应是电和能的相互转化，且可逆，后两种效应是热的不可逆效应。一个P型半导体元件与一个N型半导体元件结合，组成热电偶对，热电偶对是半导体制冷器的基本器件。P型材料缺少电子，电势为正；N型材料富余电子，电势为负。当电子从P型端穿过PN结点到达N型端时，电子能量，并且增加的能量等于PN结点消耗的能量。
将热电偶连接成闭合回路，接上直流电源通电后，上面接头的电流方向是N-P，此时温度降低，并且吸热，形成冷端，而下面接头的电流方向是P-N，此时温度则上升，
摘自：毕业论文www.udooo.com
并且放热，形成热端。把若干对半导体热电偶对在电路上串联起来，而在传热方面则是并联的，这就构成了一个常见的制冷热电堆。接上直流电源后，通过借助各种传热器件，就能使热电堆的热端不断散热，并保持一定的温度，再把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热，从而产生低温，达到制冷。这就是热电制冷的工作原理。[3]
4 太阳能制冷仪应用面临的问题
在我们研究太阳能半导体制冷仪的过程中，为了进一步了解太阳能半导体制冷箱的性能方面的影响，还遇到了一些问题，例如：（1）由于非稳态的太阳能半导体制冷仪，在不同的光照和环境温度条件下，工作效率不同。所以如果能够研究在不同条件下，这两者以及其他因素对制冷箱制冷性能的影响，能将太阳能半导体制冷仪制冷情况更进一步反映出来，更能为其实际应用提供很好的依据；
（2）由于人体对环境感知不如仪表测量明显，所以笔者建议可以在实验电路中串联一个灵敏电表，实时反映太阳能辐射强度变化时，通过监控参数变化、用计算机模拟生成的办法，进一步弄清制冷箱的制冷情况；
（3）根据数字电子控置理论方面的知识，为太阳能半导体制冷仪提供可靠高效的数控装置，确保太阳能半导体制冷装置的高效率运行。
笔者相信随着科技的发展，太阳能半导体制冷仪这一新型产品，必然会像电子计算机一样，能走进千家万户，走进大众生活，成为人民日常活动中不可缺少的一部分。
参考文献：
唐春晖.半导体制冷——21世纪的绿色“冷源”[J].半导体技术，2005，30（5）：32～34.
YAO J C Semiconductor refrigeration and its application[J].Electronic Engineer，1998，1：46～48（in Chinese）
[3]WANG S J Development of all refrigerator uses the semiconductor refrigeration piece[J].Experimental Science And Technology，2005，10：173～174（in Chinese）.
[4]ZHANG H、WANG M H、WU H、LI J X Discussion on the solar semiconductor refrigeration system[J].Energy Research And Utilization，2008，5：26～28（in Chinese）.