太阳能光伏半导体空调综述

李坤相 王汉青 汪婷婷 董菁菁



太阳能光伏半导体空调综述

李坤相1王汉青2汪婷婷1董菁菁1

（1.湖南工业大学土木学院 株洲 412007；2.南华大学土木学院 衡阳 421001）

太阳能光伏半导体空调作为一个全新的可再生的绿色清洁系统，利用太阳能光伏板转换电能，为半导体热电模块提供直流电源。根据帕尔贴效应，通电的半导体，可以用于室内制冷或制热，改变电流方向，可以切换冷却和加热模式，该系统几乎是零能耗，零污染，发展潜力巨大。介绍了太阳能光伏的转换效率，分析了汤姆逊效应，热电半导体冷热端温度，电接触电阻，热阻等因素对半导体热电空调的COP的影响。并提出解决的措施：主要是通过对热电模块的设计和优化；通过对冷却系统的热设计和优化；通过对热电冷却系统的工作环境的改善。

太阳能光伏；半导体热电模块；空调；性能效率

0 引言

随着我国经济的快速发展，我们面临着严峻的环境问题和资源过度开发问题，特别是大型建筑物的空调的使用，对能源消耗巨大。空调能耗的需求将从2000年的300TWh增加到2050年的4000TWh左右，而预计在2100年将增长约10000TWh[1]。而在建筑能耗中，空调能耗又占有重要比例，约为2/3，我国空调能耗相当于总能耗的22%左右。2014年，我国与美国就减排达成了全球气候变化协议，在这协议中，美国目标是到2025年减少四分之一的碳排放量。而中国设定2030年以后的碳排放量将会下降。欧洲将在2050年前削减温室气体排放高达95%，在2020年前减少30%。同时，传统空调系统的氟利昂制冷剂是温室气体的主要来源。那么，太阳能光伏半导体空调系统满足了绿色清洁环保等要求，可以取代传统HAVC系统，将会成为未来发展趋势。太阳能通过光伏板转换为电能，为半导体提供直流电源。根据帕尔贴效应，通电的半导体，可以用于室内制冷或制热，改变电流方向，可以切换冷却和加热模式[2-4]。如果按照覆盖地球表面0.16 %的陆地面积和10%高效的太阳能系统转换率来估算，那么将提供20TW能量，几乎是世界能源消耗的两倍[5]。因此太阳能光伏半导体空调系统发展潜力巨大，具有不可估量的优势。那么提高太阳能光伏半导体空调效率，主要从两个方面来进行综述。一是简单介绍太阳能光伏板的转换效率，另一个是重点阐述了半导体热电模块的工作效率。

1 太阳能光伏半导体空调系统的研究

图1 太阳能光伏半导体空调系统

太阳能光伏半导体空调系统，如图1所示，由太阳能光伏板，半导体热电堆组件，热交换器，储热箱等组成[6]。系统在运行过程中，由太阳能转换为电能，用于半导体空调的制冷制热，多出部分的电能被存储在蓄电池中，用于夜晚或阴雨天使用，为了保证太阳能光伏半导体空调能够持续正常的使用，可以将电网连接该系统中。与蒸汽压缩制冷系统不同，该系统不需要压缩机，膨胀阀，蒸发器，冷凝器或溶液泵等部件[7]。而且它不需要工作流体或使用任何移动部件。由于其具有可靠性高，布置灵活，无噪声等优点，太阳能光伏半导体空调被应用于绿色建筑中。He等人[6]通过实验研究了太阳能驱动的热电冷却和加热系统，实验首先在模型室进行，他们发现夏季热电冷却系统的平均COP为0.6。然后，对于一个普通的房间中，发现COP在夏季为0.45，在冬季为1.7。Cheng等人[7]开发了一种以太阳能驱动的热电冷却模块，该装置能够产生室内外温差16.3℃，其为0.2～1。太阳能热电空调与置换通风（DV）系统相结合，用于室内空气品质控制[8]。

Shen等人[9]研究了一种新型热电辐射空调系统，采用热电模块作为辐射板而不是传统的水循环面板，通过改变输入电流进行空间加热。基于对商用热电模块TEC1-12706的值为0.765的分析，当施加1.2A的电流并且将冷端温度保持在20℃时，它们获得了最大冷却为1.77。Riffat等人[10]比较了热电和传统蒸汽压缩空调的性能。结果表明，蒸汽压缩和热电空调的实际分别在2.6～3.0和0.38～0.45的范围内。Hermes和Barbosa[11]也得出结论，热电冷却器的热力学效率只有1%，而斯特灵往复式蒸气压缩制冷系统为14%。Mei等人[12]首先开发了太阳能辅助热电技术用于汽车空调。Mirand等人[13]通过实验研究了太阳能光伏半导体热电空调在电动汽车上的应用可行性，在制冷模式下约为0.5，温差约为13℃，侧面和热电空调的热端。加热模式下的为1.72，因为两边的温差是15℃。除了汽车空调系统外，研究人员还利用热电装置来控制汽车座椅的温度。Hyeung-Sik等人[14]开发了一种温控汽车座椅系统，利用热电装置来冷却或加热汽车座椅。控制方案采用单片微处理器实现，器件性能通过实验验证。Cheng等人[15]测试了一个太阳能热电冷却系统与废热再生装置的绿色建筑应用。Wahab等人[16]设计了一种便携式太阳能TE系统，发现系统性能强烈依赖于TE模块的热端和冷端温度。

2 太阳能光伏半导体空调关键技术的研究

2.1 太阳能光伏转换效率的研究

市场光伏（PV）技术分为基本型（第一代光伏）和薄膜电池（第二代光伏）两大类。第一代主要属于晶体硅（c-Si）（单晶和多晶）。2015年，太阳能市场的晶体硅约占90%。对于第二代太阳能电池，薄膜非晶硅（a-Si）或非晶硅和微晶硅（a-Si/μc-Si），化合物半导体碲化镉（CdTe），铜，铟，镓和硒（CIS或CIGS）和III-V材料[17]。薄膜技术的光伏市场主要是CdTe和CIGS太阳能电池，2015年薄膜太阳能电池占所有薄膜技术方面的份额10%[17]。第三代太阳能电池（新兴技术），仍然是广泛研究的主题，但迄今尚未在光伏市场上使用。

目前，由法国Soitec公司CEA-LETI和德国弗劳恩霍夫ISE共同合作，使太阳能电池效率达到46%的世界记录，实现多结聚光太阳能电池[18]。最新研究表明，通过吸收损失的较长波长的光谱分量，将太阳能电池能量转换效率提高到50%以上[19]。太阳能电池效率从非晶体硅太阳能电池的6%到多结点生产电池的44.0%，多模的组装成混合封装的44.4%。在2014年，晶体电池的效率达到了25.6%[20]。砷化镓（GaAs）单晶薄膜太阳能电池，使单结太阳能电池的效率达到世界纪录的28.8%[21]。虽然单晶体太阳能电池转换效率高，但受材料和工艺的限制，导致成本过高，使得应用受限。非晶硅薄膜太阳能电池具有吸光率高、重量轻、工艺简单、低成本和低能耗等优点，但是转换效率较低，并随着时间推移转换效率在衰退。

市售的多晶硅太阳能电池的能量转换效率约为14-19%。未掺杂的晶体硅器件正在接近29.4%的理论极限效率[22]。提高太阳能光伏转换效率和稳定性是关键，同时也要考虑生产成本和能耗。随着对低成本、高效率且稳定的半导体材料的深入研究，这对解决能源衰竭和环境的污染有着巨大推动作用，对太阳能光伏半导体空调在新能源建筑中应用占有重要的作用。

2.2 半导体热电材料的研究

2.2.1 热电半导体工作原理

图2 半导体热电模块结构[24]

早在19世纪初就首次发现帕尔帖效应（Peltier effect）和塞贝克效应（Seeback effect），在过去的50多年中，热电半导体器件已经广泛应用于各个领域。太阳能光伏半导体空调系统是基于半导体制冷原理基础上建立的，半导体制冷也称热电制冷，根据帕尔贴效应，如图2所示，半导体热电模块是由多个热电偶串并联组合而成，改变电流方向，冷热端面将发生互换，从而达到空调制冷或制热的目的[2-4]。作为固态器件，它没有移动部件，因此非常可靠，几乎免维护，此外无噪音和振动，结构紧凑，重量轻，精确的温度控制能力[23]。

2.2.2 热电半导体材料的研究

1911年，Altenkirch推导出热电效率，即热电品质因数。热电效率可以通过乘以绝对温度进行无量纲化，最常见的无量纲的品质因数。

=2/

图3 三个主要参数及载流子浓度之间的关系[25]

图4 每年典型的热电材料ZT值的大小[29]

其中，是塞贝克系数，是电导率，是热导率。在能带结构中，这三个输出参数相互依赖的，图3说明了三个主要参数及载流子浓度之间的关系[25]。和之间变化相互作用，使得改善值都是困难的[26]。此外，电导率和塞贝克系数是密切相关的，所以通常不可能将散热材料的热电功率因子提高到特定的最佳值以上[27]。然而，理想的热电材料将具有较高的电导率以允许传导电，这将产生电位差，并且具有低热导率以保持热和冷侧之间的温度梯度[28]。早期的热电工作导致值非常小，因为所使用的材料（主要是金属）不具有理想的热电性质，即金属具有高导电性和高导热性。大多数传统材料表现出电导率和导热率之间的相关性。传导良好的金属也能很好地传导热量，绝缘热量的材料（如玻璃或陶瓷）也使电绝缘，多年来努力提高尚未从根本性上得到突破。热电材料从历史的进展来看，如图4所示[29]，Bi2Te3是最常用的热电材料。因此，对于在室温下工作的器件（TE300 K），传统的热电材料（如碲化铋（Bi2Te3）和碲化铅（PbTe））的值≈1[30]。

热电材料的优质系数很大程度决定了太阳能光伏半导体空调的效率，的值越大，系统运行的效率就越高，当今最好的商用半导体热电模块，的值约为1.0，而在空调应用中约为传统R-134A系统效率的0.25[24]。理想的热电系统效率与是非线性增加的，为了提高效率，的值必须增加2.2倍。为了实现当前的两相制冷剂的效率，的值需增加到大约9.2倍[24]。

2.3 影响半导体材料性质的因素的研究

2.3.1 汤姆逊效应的影响

汤姆逊效应就是，当电流通过有温度梯度的导体，就会在导体和周围环境之间发生能量交换。对于一个正的汤姆逊系数，汤姆逊效应使最大减少约7.1%，同时将冷却能力降低约7%。相反，如果汤姆逊系数为负，和制冷量都可以提 高[31]。Yamashita[32]研究一些材料属性并不是温度的函数，对温度依赖性大的材料，以设计热电冷却器装置的提高性能。Cherkez[33]描述了用热电效应和焦耳-汤姆逊效应共同作用来改善热电空调。所获得的结果表明，与常规热电系统（不可渗透的热元件冷却器）相比，增加了60-70%，与具有较小焦耳-汤姆逊效应的可渗透热元件相比，增加了5-8%。Chen等人[34]研究冷却功率的分布和三种不同的热电冷却模块和两种温度差异，考虑或忽视汤姆逊效应。汤姆逊效应对温度分布的影响很大，特别是汤姆逊效应相对于热电冷却器的N型元件对P型元件具有更大的影响。

2.3.2 温度对热电材料性质的影响

为了获得能够保证相关性能的热电装置的合适设计，在文献[32]中将对热电材料的特性的温度依赖性的分析考虑为重点。Mitrani等人[35]基于模拟的研究中得出热电元件参数对温度依赖性。Huang等人[36]表明，在塞贝克系数的等式中，可以通过控制费米能量来控制塞贝克系数（以及汤姆森系数）的温度依赖性。热侧的散热器性能比冷侧的散热器更重要，因为热侧的热流密度较高。传热面积的分配及热端和冷端之间的传热系数尤为重要。对于具有给定冷却能力的热电模块，存在用于实现最大的最佳分配比，一些典型的分配比例在0.36-0.47左右[37]。

2.3.3 电接触电阻的影响

对大尺寸热电模块的的估计，其中忽略了电接触和热接触电阻。在短热电模块的情况下进行相同的分析（忽略电接触电阻和热接触电阻），但结果不足。Min和Rowe[38]提出了一个有效的简化模型，考虑了热阻和电接触电阻，对小尺寸热电冷却模块进行建模，这些模块有利于分析和优化设计。

2.3.4 热阻的影响

Pettes等人[39]采用常见的单级热电制冷器理论来证明存在热和电接触电阻。他们计算最佳热元件长度，以使指定冷却能力的最大化。通过减少10%的热接触电导，可以减少至少10%的峰值热量，并且通过增加互连导体来减少至少50%，最大电阻大于等于热电偶腿部电阻的十倍。Jeong[40]提出了一种考虑接触电阻的新的一维分析模型，在冷却能力增加的同时获得最佳电流的提高，并且降低冷热侧的温差，也获得了随着冷却容量增加的同时，最佳热电偶元件长度得到减小。

3 改善太阳能光伏半导体空调的效率措施

3.1 热电模块的设计和优化

从半导体热电模块自身结构着手，如热电元件长度，热电偶个数，热电元件长度与截面面积比，长细比和具有非恒定横截面面积的热电元件等设计和优化。

3.2 优化散热

Astrain等[41]开发了一种基于相变热虹吸器的装置，目的是将热流分配到散热片表面的珀尔帖模块的热端。改善传热是增加的关键方面。Riffat和Ma[42]指出，当温差大约为20℃时，热电制冷器的通常小于0.5。Rowe[43]报道了热电制冷系统能够以高于1的运行的的存在，提供相对于环境的20℃或更高的温差。已经开发了多种传热技术，包括空气冷却散热器，液体冷却微通道散热器以及涉及热管或双相热敏元件的系统[44]。可以改变热电冷却系统的工作条件（即电流输入），散热器冷却剂和冷却剂质量流量，其中包括散热器的几何形状，冷热侧散热器传热面积和传热系数，热和电接触电阻与界面层的分析。

3.3 减少电接触和热阻

文献[16]指出了提高太阳能热电冰箱增加的接触电阻的必要性，特别是热电偶界面层的热接触电阻，这对热电冷却能力和都是至关重要的。只要界面层的存在，热电材料的的增加不一定意味着热电元件的增加，散热器在冷热侧的效率对冷却有很大的影响。空气冷却散热器（风扇强制对流，热阻为0.54-0.66K/W和0.5K/W），水冷散热器（热阻为0.108K/W）和热管集成的散热器（热阻为0.11K/W）是常用的技术。研究发现，散纳米流体的散热器显示出降低热阻的潜力[45]。

3.4 使用新的材料

为了提高半导体热电工作效率，有必要找到具有良好电导体的材料，通过用重掺杂的半导体碲化铋或硅锗实现最高的性能。对于半导体，希望有一种可以掺杂P型和N型的基础材料，从而可以在结的两侧使用相同的材料系统。近年来，Venkatasubramanian等人[46]和Haman等人[47]，基于这些材料的超晶格和量子点已经将它们的室温提高到2～2.4。这些性能的提高主要是由于晶格热导率降低，而热电功率因子（2）基本没有变化。为了达到实际的目的，高性能TE材料值应大于4，并且实现这个目标仍然是一个巨大的挑战[48]。

4 结论和展望

太阳能光伏半导体热电空调的性能目前还不能与蒸汽压缩技术相抗衡，但是通过改进和优化热交换器结构和操作参数，还要考虑系统的输出功率，进而提高太阳能半导体热电空调整体的效率。有三条途径可使热电冷却装置的性能提高：通过热电模块的设计和优化；通过冷却系统的热设计和优化；通过热电冷却系统的工作环境的改善。由此得出以下结论：

（1）通过选用性能较高的半导体热电材料和太阳能系统，商业光伏发电的效率一般为15%-20%，与最大光伏发电效率46%相比，还有很大的提升空间。

（2）受成本和技术的限制，研究使用的值约为0.6～0.7，其值并不太高，现阶段难以有较大的突破，可以从热电模块冷热侧的温度，热电元件的热导率和电导率着手。

（3）TEC冷侧冷却装置表面，TEC热侧的散热片热阻和施加的电流等参数着手优化。

（4）系统必须根据所需的冷却能力设计适当的性能系数（）。

（5）太阳能光伏半导体空调是通过散装元件组合的，常见市售的TE和PV系统。随着新材料的出现，尤其是纳米技术显著提高了因子，这必定能促进半导体热电和光伏产业迅速发展。

（6）通过降低材料的成本，提高的热力学循环效率，优化散热器的结构，再进行商业化生产，这对建筑、工业和汽车空调等将产生巨大影响，太阳能光伏半导体空调不仅能降低燃料的消耗和二氧化碳排放量，而且它是安全可靠、清洁环保的。

（7）未来的研究方向，提高半导体材料的值，材料研究仍然是重要的；提高太阳能光伏转换效率和优化设备的结构也是今后的研究方向。随着材料和系统设计的进一步发展，太阳能光伏半导体空调的前途十分光明。

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Review of Solar Photovoltaic Semiconductor Air Conditioning

Li Kunxiang1Wang Hanqing2Wang Tingting1Dong Jingjing1

( 1.School of cicil engeering, Hunan University of technology, Zhuzhou, 412007; 2.School of cicil engeering, University of South China, Hengyang, 421001 )

Solar Photovoltaic Semiconductor Air-Conditioning as a new, renewable green cleaning system, solar energy is converted into electrical energy by photovoltaic panels to provide DC power to the semiconductor thermoelectric modules. According to the peltier effect, the energized semiconductors can be used for indoor cooling or heating, changing the current direction, switching between cooling and heating modes, and the system has almost zero energy consumption and zero pollution with great potential for development. In this paper, the conversion efficiency of solar photovoltaic is introduced. The influence of Thomson effect, temperature of hot and cold side of thermoelectric semiconductors, electrical contact resistance, thermal resistance and other factors on the COP of semiconductor thermoelectric air conditioner is analyzed. The measures to solve these problems are proposed. The design and optimization of the thermoelectric module are mainly carried out. The thermal design and optimization of the cooling system are adopted. The working environment of the thermoelectric cooling system is improved.

solar photovoltaic; semiconductor modules; air conditioner; COP

TU834

A

1671-6612（2018）02-189-07

李坤相（1989.11-），男，在读硕士研究生，E-mail：lkx0008@163.com

王汉青（1963-），男，博士，教授，E-mail：hqwang2011@126.com

2017-12-18