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基于太阳能半导体制冷空气取水装置性能研究

2018-07-27历德义邓博文卢宏宇陈东生

实验室研究与探索 2018年7期
关键词:冷空气制冷系统半导体

历德义, 邓博文, 卢宏宇, 王 莹, 陈东生

(上海电力学院 数理学院,上海 200090)

0 引 言

利用太阳能发电[1]、半导体表面制冷和结露法相结合进行取水,这不仅不会产生环境污染,而且还能减轻二氧化碳、二氧化硫以及粉尘的排放。半导体制冷空气取水法不使用化学物质,凝结水的水质优良,非常适合在沙漠地区凝水或者进行海水淡化。沙漠地区白天一般日照充足,有利于太阳能发电,夜间温度较低且湿度较大,这种特殊的环境十分有利于半导体制冷空气取水。海上空气湿度较大,日照也相对充足,利用半导体制冷空气取水的可行性也较高。

1 系统原理

1.1 光伏发电的基本原理

太阳能电池是一种将太阳光能直接转换成电能的半导体光伏器件,它是基于半导体材料的光生伏特效应[2]。当光线照射到半导体的表面时,半导体吸收的光子能量大于半导体材料的禁带宽度时,原子中的价电子会受到激发,从价带跃过到导带,从而产生大量的电子-空穴对。它们在内建电场的作用下分离,电子和空穴分别在N区和P区积聚,从而产生光生电压。当电池正、负极接入负载时,负载上便有光生电流流过,即光生载流子反向越过势垒形成光生电流[5-6],从而实现了光能转换成电能[9]。

1.2 半导体制冷的基本原理

半导体制冷利用的是热电制冷效应[7]。热电偶对[8]是制冷材料的基本单元,它是将若干个N型半导体元件和一只P型半导体元件连接而成,如图1所示。

图1 热电制冷器件示意图

半导体两端接上直流电源时,P型半导体的电流方向是从N到P,电子在外电场力作用下做功,为了获得更多的动能,从周围环境吸热,P型半导体形成冷端;相反,对于N型半导体来讲,电流方向从P到N,电子克服外电场力作用下做功,动能减少,向周围环境放热,温度上升,N型半导体形成热端[9-11]。两端分别吸收热量和放出热量,将多对热电偶连接便构成常用的热电堆,就可以实现制冷的目的[12]。

2 系统的设计与构建

2.1 太阳能光伏系统的设计

实验采用太阳能光伏系统的简易模型,由太阳能电池、控制器、蓄电池等部件组成。控制器可以将直流电供于直流负载[13-14],也可调节电力存储与使用。连接逆变器后也可给交流负载供电,系统装置图如图2所示。

图2 太阳能光伏系统实物图[15]

2.2 半导体制冷系统的设计

半导体制冷系统由半导体制冷片、导冷块、散热片、隔热垫、散热风扇,电源控制器,温度计等部件组成,如图3所示。

此外,增加强迫风冷散热,在自然空气对流散热的基础上,热端增加散热风扇[16],使得制冷组件的工作环境为流动空气。通过提高空气流速来提升空气与热端接触面积,有效地提高了散热效果。散热风扇体积小,使用灵活,产品噪音也是可以接受的。总的实物效果图如图4所示。

图3 半导体制冷系统构成图

3 实验结果与分析

3.1 冷凝水的理论计算

太阳能半导体制冷空气取水的计算公式[17]:

mn=ms(d1-d2)

(1)

其中:mn为凝结水的质量;ms为湿空气的质量;d2为冷凝后饱和湿空气的含湿量;d1为初始状态的湿空气的含湿量[18]。

在稳定状态下制冷片结露取水的能量守恒方程为[19]:

Q=msΔh/t+ΔQ

(2)

其中:Q为制冷片的制冷能力;Δh为空气在通过制冷片前后的焓差[20];ΔQ为通过壁面的冷量损失;t为处理空气需要的时间。

通过实验所测的数据如表1所示。

表1 常压下制冷前、后的数据

实验装置采用的制冷箱内尺寸530 mm×420 mm×330 mm,其容积V=0.073 5 m3, 空气密度ρ=1.195 kg/m3。ms=Vρ=0.088 kg,mn=0.489 g。

4个制冷片组成装置的制冷能力Q=4×4.723×12.237=231.2 W,处理空气过程需要能量:ms·Δh=2 385.05 W·s,t=0.19 min。1 h内装置可生成水量m=0.088×60/0.19=27.68 g。

3.2 实验结果与分析

下述实验温度均保持20 °C,通过改变湿度进行探索,每隔1 h,采用天平称重收集到的冷凝水,实验数据与理论数据如图5所示。

图5 湿度维持在85%和60%的凝水结果

实验分析:

(1) 不同湿度下取水量之间的比较。根据上述提供的公式进行数值运算,实验温度为20 °C,湿度分别为85%和60%,计算太阳能半导体制冷取水的质量。从图5可以看出,湿度在较低情况下,装置的理论制水的质量较低。在温度一定时,湿度越高,装置的取水效率越高,取水的效果越好。这是因为在温度不变的情况下,露点温度随着空气湿度的增高而越高,若将已达到露点的空气继续降温,则空气中的水分开始凝结成水滴。所以,湿度越大的空气露点的温度越高,制冷设备的温度下降,就会制取更多的水。

(2) 湿度相同实验质量与理论质量之间的比较。试验中,测得装置的实际取水量,可以看出装置的取水效率是与湿度有关的,这点是与理论的计算一致的。但是从图中可以看出,湿度相同的情况下,理论的数据比实际的数据偏高。这是因为半导体的制冷效果是有一定限制的,受环境影响较大。其次太阳能电池板的能量转化率不高,导致蓄电池提供的能量不够,半导体的制冷效果不好。因此,半导体制冷取水的质量总是小于理论计算的数据。

3.3 日常生活中装置的运行结果

蓄电池白天通过太阳能发电进行充电,晚上为制冷组件供电。通过测量5月13日~5月22日夜间温度及湿度,温度一般位于18~24 °C,湿度一般位于70%~85%,十分利于制冷组件在理想的环境下工作。

5月13日测得晚间环境温湿度及制水量如图6、7所示。

本次实验,理论值选用22 ℃、75%湿度,20 ℃、80%湿度,20 ℃、85%湿度进行计算,实际值通过夜间

图6 湿度、温度变化图

图7 实际工作凝水图

记录的数据得出以下结论:

(1) 当温度高于24.2 ℃,湿度在64%以下,装置是没有水制出的。这个情况是与理论的结果相符的。

(2) 当温度位于18~24 ℃,湿度位于70%~85%时,这种环境十分有利于制冷取水。

(3)从本次的室外数据来看,理论数据和实际结果是比较接近的。理论值选用20 ℃、80%的湿度进行计算,实际实验过程中温湿度均存在变化,与理论计算结果存在偏差是必然的结果。但是本次室外的数据取得与理论计算相近的实验结果,进一步验证了太阳能半导体制冷空气取水的可行性。

4 结 语

太阳能半导体制冷空气取水装置利用白天太阳能进行发电和储存电,夜间制冷系统利用蓄电池中的电工作。在温度位于18~24 ℃,湿度位于70%~85%,这种理想的工作环境下,平均1 h制取水量为43 g,可见凝水效果明显。

近些年,随着我国太阳能光伏电站的规模不断增加,对于增设半导体制冷系统提供了有利的平台,将空气中水分提取出供人们使用提供了更多可能性。在提高新能源理念的同时,也改善人民生活水平。

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