基于太阳能半导体制冷空气取水装置性能研究

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。