太阳能半导体空调技术应用分析及前景展望

南昌大学机电学院热能与动力工程研究所 戴源德 雷强萍 古宗敏

一 引言

近年来随着经济的快速发展，我国用电缺口逐渐增大，很多城市在夏季用电高峰时期，电力供应不足，甚至出现拉闸限电的情况，这给人民生活和经济建设带来了严重的影响。据有关资料显示:中国的电力需求每年增长14%～15%[1]，建筑使用能耗已占国家总能耗30%左右，而制冷空调工程占建筑使用能耗80%以上[2]。可见空调用电在建筑能耗用电中占很大的比重，因此，做好空调系统的节能工作对缓解我国目前的供电紧张有着重要的意义。

太阳能是一种储量丰富、清洁安全的可再生能源，将太阳能应用于空调是未来绿色制冷技术的发展趋势之一。目前太阳能空调技术有两类:一类是利用太阳辐射的热能来实现空调；一类是利用太阳光转换为电能，经逆变后驱动传统压缩式空调。然而前者存在热源不稳定、需要辅助能源等问题，后者不仅制冷系数较低，还由于使用传统制冷剂和压缩机噪声对环境产生危害，难以推广应用。而将太阳能与半导体制冷技术结合的这一新型空调系统无需辅助能源，相比于光伏压缩式空调系统，此系统无需能量转换的中间环节，提高了系统运行的稳定性和可靠性，并且无需制冷剂，不存在运动部件，避免了传统空调产生的环境污染和噪声问题。基于此，国内外已有不少学者在开展太阳能半导体空调技术的研究，进一步推动了该技术的实用化进程。

二 太阳能半导体空调系统

1 基本组成

太阳能半导体空调系统主要由太阳能供电装置和半导体空调装置两部分组成。其中供电部分包括太阳能光电转换设备、控制器、蓄电池、整流器；半导体空调装置部分包括半导体热电堆、散热设备、空调送风机等，如图1所示。

2 太阳能半导体空调系统的工作原理

半导体空调系统是基于半导体制冷原理建立起来的空调系统。半导体制冷也称热电制冷，是利用特种半导体材料组成P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即当直流电通过半导体热电堆时能产生一端变冷、另一端变热的现象。太阳能半导体空调系统就是首先将由太阳能光电转换装置提供的直流电供给半导体热电堆，利用热电堆发生的冷热现象达到空调制冷或制热的目的。

系统运行时，白天光照下，太阳能光电转换器输出直流电，一部分直接供给半导体空调系统，另一部分进入储能设备储存，以供夜间或非正常日照条件下使用，使空调系统可以全天候正常运行。此外，为了避免个别极端天气(例如连续多天的阴雨天)影响装置的正常运行，还可将公共电网用电经系统中的整流器整流后作为辅助供电。其中控制器使整个空调系统的能量传输始终处于最佳匹配状态，从而提高系统的效率、降低系统的成本。

半导体空调装置由多块热电偶组成半导体热电堆，并外接电源线，通过电流方向的改变来实现冷热端的置换，从而完成夏季制冷和冬季供热。图2为半导体空调系统的结构示意图，半导体热电堆的一端置于空调区域内，夏季为冷端，对空调区域提供冷量，此时置于空调环境外的一侧为热端，向外界散热。

三 太阳能半导体空调系统的关键技术问题

太阳能半导体空调系统具有结构简单、无污染、寿命长、可靠性强、负荷可调性强、制冷制热速度快等优点，因而受到人们的广泛关注。但目前因系统的运行效率较低、成本高而严重影响了太阳能半导体空调系统在国防、工业、日常生活等各领域的应用和推广。为改善系统的制冷制热效率、降低系统成本，国内外一些学者对太阳能半导体空调系统展开了一系列的课题研究工作。从相关的研究内容可知，影响太阳能半导体空调系统运行性能的关键技术问题主要有以下几点:

1 太阳电池的光电转换效率

太阳能半导体空调系统是利用太阳能经光电转换得到的电能驱动半导体空调装置实现能量传递的一种特殊空调系统。系统中光电转换器太阳电池转换效率的提高可改善整个系统的运行效率和降低设备的成本。从目前太阳电池的研究现状看，主要从开发太阳电池新材料、新的太阳电池结构和工艺技术方面来改善太阳电池的转换效率；然而，当前晶体硅材料仍是制造太阳电池的主要材料，尚无大突破。在太阳电池结构和工艺技术方面，国内外一些公司通过自主研发取得了重大进展，如无锡尚德“冥王星”(Pluto)技术可将单晶硅太阳电池转换效率由17%提高到18.8%，多晶硅太阳电池转换效率由16%提高到17.2%；美国Innovalight公司开发出基于硅浆技术的高效晶体硅太阳电池，效率超过20%；日本三洋的超薄HIT电池，其转换效率达到23%；比利时的IMEC公司采用浅发射结技术和镀铜删线技术，开发出高效、低成本的太阳电池。上述新技术的开发，使太阳电池效率不断提高，一定程度上推动了太阳能半导体空调技术的发展，为系统的进一步实用化奠定了基础。

2 热电材料优值系数

热电材料的优值系数是衡量半导体空调器性能的一个关键技术指标，优值系数愈高，系统的运行性能愈好，效率也愈高，因此改善材料的优值系数是提高系统性能的关键方向。近年来主要从提高材料的优值系数Z和寻找大Z值的材料两个方向来获得性能优良的热电材料。有关数据显示，国内热电元件的优值系数在相当一段时间内维持在(2.5～3.0)×10−3K−1(见表1)，热电效率低，使得相同工况下，半导体制冷与压缩式制冷有一定差距。有研究显示，要使半导体制冷与压缩式制冷在经济上达到相当的水平，优值系数需达到13×10−3K−1[4]，即无量纲优值Z Tm要从现在的0.9提升到3。近年来随着世界各国半导体制冷学者对热电材料展开的一系列研究，Z Tm值取得了重大进展。Venkatasubramian等人报道[5]，室温条件下，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等人报道[6]，室温条件下，N型PbSeTe/PbTe量子点超晶格材料Z Tm≥2。半导体材料优值系数的提高，热电性能的改善，将加快太阳能半导体空调技术实用化的进程。

表1 热电器件用半导体材料的特性参数[3]

3 设计工况

按半导体制冷传统理论进行设计，半导体制冷器有两种工况，即最大制冷系数工况和最大制冷量工况。然而，制冷器实际运行时这两种工况并不能统一，设计时兼顾两者选择合适的设计工况，可得到较高的制冷效率。研究表明:按最大制冷量Qmax设计时，制冷系数较低，热端散热多，但所用元件少，体积小，制造成本低，能够适应较多特殊场合；反之，按最大制冷系数εmax设计，半导体制冷器制冷系数较高，运行经济性较好，但所需元件多，体积大，制造成本高；按最佳工作工况设计，制冷器产品成本与功耗总和最低；按等功率工况设计，此状态系统运行时是相对于Qmax，εmax较合理的状态。不管采用哪种设计方法，应根据实际用途来选择合理的设计工况，从而使半导体空调达到最优设计。

4 散热方式

半导体制冷效率的提高，除了其本身制造材料和制造工艺的因素外，主要取决于其散热、传冷方式及良好的结构设计，优化散热方式有助于改善整个系统的制冷效率。由于半导体空调热端散热量是冷端吸热量的2～5倍[7]，所以重点解决好其散热问题将对制冷效率的提高起到至关重要的作用。曾经有制冷学者对半导体制冷热端散热方式对系统制冷性能影响进行了理论分析和实验研究[8]，相同情况下，不同的散热方式半导体空调性能见表2。

表2 相同工况下热端散热方式性能比较

从表2中可以看出风冷散热形式半导体空调的能效比较低；而采用热管冷却优于强制对流空气冷却，但却无法超过水冷方式；采用水冷较理想，但水冷表面一旦积垢，传热性能会有所下降。由此可知，三种散热方式都存在不足之处，设计时应根据实际情况选择合理的散热方式。

5 工作电流

当热电单元冷热端温度TC、TH一定时，还存在一个与最佳制冷系数C O Pmax对应的最佳电流I0。半导体空调工作并非在某一固定不变的工况下，随着工况的改变和负荷的变化，需要通过调节工作电流来调节冷热端温度TC、TH，以满足空调环境负荷的需求。当冷热端换热系数一定时，空调工作电流的选取存在另一个最佳值I0。

四 太阳能半导体空调系统的技术现状及应用前景

半导体制冷技术是20世纪50年代才发展起来的新技术，与实用的晶体硅太阳电池研制成功的时间差不多。现在，太阳电池的效率已由20世纪50年代初的6%提高到目前的17%(单晶硅太阳电池)、16%(多晶硅太阳电池)、9%～11%(非晶硅太阳电池)。与此同时，随着半导体生产技术的提高，半导体制冷技术取得了长足的进步，半导体制冷器的制冷系数也有了很大的提高。20世纪50年代初为0.9，目前已大于2.0[4]，接近于现在的常规压缩式空调，其制冷系数为2.5～2.8。目前，研究部门正在加大力度研究半导体制冷材料及其生产技术，其制冷系数即将大幅度提高，可与常规空调的制冷系数相比拟。

在太阳电池研究方面，纳米晶体化学太阳电池(简称NPC电池)转换效率的稳定性已达11%以上，其廉价的成本和简单的制作工艺以及稳定的性能令人鼓舞，其制作成本仅为5～7元/Wp，是硅太阳电池的1/5～1/10，其寿命在20年以上，估计今后几年该电池将逐步走上市场[9]。这样，太阳能半导体空调系统的电源——太阳电池阵列的成本将会大幅度下降，为太阳能半导体空调技术的实用化奠定了基础。届时，高效率低成本的太阳能半导体空调系统也将投放市场，安全、节能、清洁、无噪音的太阳能半导体空调系统将为千家万户带来舒适的生活环境，同时还减少空调的使用成本。

五 结语

太阳能半导体空调技术是一种新型的制冷技术，因其具有节能、环保、结构简单等特点而受到世界各国的重视，然而关键技术存在的问题和成本较高一直是制约太阳能半导体空调系统应用的两大瓶颈。随着世界各国制冷学者加大对太阳能半导体空调系统的研究，尤其是对半导体制冷关键技术的研发、新材料及相关技术的发展、热电效率的改善、系统成本的降低，将会大大推动太阳能半导体空调系统在国防、工业、农业及日常生活中的应用。相信在不久的将来，这项环保节能的新技术产品，将会给国家和人民带来巨大的经济效益和社会效益。

[1]郭裕亮. 能源挑战促进技术创新[J]. 电子技术, 2005, 32(11):80.

[2]黎洪. 制冷空调工程节能技术的发展前景[J]. 能源与环境, 2007,(6): 32－33.

[3]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, 1999.

[4]杜海龙, 齐朝晖, 匡骁. 太阳能热电空调理论研究与性能分析[J]. 制冷空调与电力机械, 2007, 28(3): 22－25.

[5]VenkatasubramanianR, Siivola E, Colpitts T, et al. Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit[J]. Nature, 2001, 413(6856): 597－602.

[6]徐亚东, 徐桂英, 葛昌纯. 新型热电材料的研究动态[J]. 材料导报, 2007, 21(11): 1－3.

[7]陈桔. 散热方式影响半导体制冷效率的实验研究[J]. 实验科学与技术,2005, 3(4): 27,4.

[8]许志浩, 陈桔. 半导体制冷在空调中应用的研究[J]. 四川制冷,1996, (3): 25－27.

[9]刘向阳, 孙国锋, 尚仲伟. 染料敏化太阳电池的研究现状及发展趋势[J]. 洛阳师范学院学报, 2006, 25(2): 51－55.