汽车太阳能半导体制冷系统浅析

天津职业技术师范大学汽车与交通学院 季丽华

随着我国经济社会持续快速发展，机动车保有量继续保持快速增长态势。截至2017年底，全国机动车保有量达3.10亿辆，汽车保有量达2.17亿辆，从分布情况看，全国有53个城市的汽车保有量超过100万辆，24个城市超200万辆，7个城市（北京、成都、重庆、上海、苏州、深圳和郑州）超300万辆。在全球能源问题和环境问题日益严峻的情况下，使用新能源技术替换或改进旧技术设备已经成为汽车工业发展的一个新方向。汽车空调已经是汽车的标准配置，已成为衡量汽车功能是否齐全的标志之一，然而随着消费升级及节能减排政策缩紧，汽车空调涉及到节能减排、环境保护、车内空气质量和满足消费者个性化需求等，因此将太阳能半导体制冷技术应用到汽车空调上不失为有效的节能减排新方法。

1 传统汽车空调制冷系统及其弊端

如图1所示，传统汽车空调系统主要由空调压缩机、冷凝器、蒸发器、干燥器及管路等组成。启动汽车空调系统后，空调压缩机在发动机的带动下工作，驱使制冷剂在密封的空调系统中循环，空调压缩机将气态制冷剂压缩成高温高压的制冷剂气体后排出空调压缩机，并经管路流入冷凝器，在冷凝器内散热、降温，冷凝成高温高压的液态制冷剂流出；高温高压液态制冷剂经管路进入干燥储液器内，经过干燥、过滤后流进膨胀阀节流，状态发生急剧变化，变成低温低压的液态制冷剂进入蒸发器，在蒸发器内吸收流经蒸发器的空气热量，使空气温度降低，吹出冷风，产生制冷效果，制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成低温低压的气态制冷剂经管路被空调压缩机吸入，进行压缩，进入下一个循环，只要空调压缩机连续工作，制冷剂就在空调系统中连续循环，产生制冷效果；空调压缩机停止工作，空调系统内制冷剂随之停止流动，不产生制冷效果。可以看出传统汽车空调系统存在诸多缺点。

（1）传统汽车空调系统除了制冷系统外，还需要通风和空气净化装置，其系统组成庞大，需要复杂的管道网络和制冷剂，增加了汽车制造成本。

（2）独立式汽车空调需要2台发动机，燃油消耗高，成本高，维修及维护十分困难，额外的驱动发动机更增加了发生故障的概率。

图1 传统汽车空调制冷系统的组成和工作原理

（3）非独立式汽车空调系统运行直接利用汽车的行驶动力（发动机），需要消耗发动机10%～12%（其中空调压缩机占80%～85%，鼓风机占15%～20%）的动力，不但增加燃油消耗（实验表明，汽车安装非独立式空调后，耗油量平均增加10%～20%，且这一数据还会随着气温和车速的升高而增加），加大尾气排放，而且直接影响汽车的加速性能和爬坡能力。另外，其制冷量受汽车行驶速度影响，如果汽车停止运行，其空调系统也停止运行。

（4）汽车空调装置是移动式车载空调装置，由于道路不平，汽车在行驶中颠簸振动大，汽车空调运行时的振动较大。

（5）目前汽车空调采用的制冷剂有R12制冷剂和R134a制冷剂2种，现在基本都已使用R134a。制冷剂R12制冷剂是普通制冷剂，含有会破坏臭氧层的物质——氟利昂，且在明火下会生成对人体有害的物质。R134a制冷剂虽然不会对臭氧层造成破坏，且具有较强的热稳定性，无毒、不易燃、不易爆，但是其全球变暖潜值（GWP，是在100年的时间框架内，各种温室气体的温室效应对应于相同效应的二氧化碳的质量，按照惯例，以二氧化碳的GWP值为1，其余气体与二氧化碳的比值作为该气体GWP值）较高，可以达到1 300，可能会导致严重的温室效应。

（6）对于新能源汽车而言，使用汽车空调会消耗动力电池电能，影响新能源汽车的续航里程。

2 半导体制冷技术

2.1 热电效应

1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”。1834年，法国实验科学家帕尔帖（Peltier）发现两种不同的金属构成闭合回路（图2），当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓“帕尔帖效应”。1837年，俄国物理学家愣次又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比。1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆逊热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆逊效应，成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectric effect）。

2.2 半导体制冷原理

半导体制冷是利用半导体的塞贝克效应的逆效应——帕尔贴效应来实现制冷的一种热电制冷方式，因此又称为热电制冷或温差电制冷，就是利用直流电引起半导体材料的热量传输，从而引起两端温度的变化而达到制冷的效果。半导体制冷器的基本元件是热电偶对，即把一个P型半导体元件和一个N型半导体元件连成热电偶。如图3所示，当两种不同的N型半导体和P型半导体组成的电路通有直流电时，上接点附近产生电子-空穴对，上接点的电流方向是N→P，内能减小，温度降低，向外界吸热，形成冷端；下接点因电子-空穴对复合，下接点的电流方向是P→N，内能增加，温度升高，并向外界环境放热，形成热端；冷端和热端出现温差和热量转移从而达到制冷效果；把若干对热电偶连接起来就构成了常用的热电堆，借助各种传热器件，使热电堆的热端不断散热，并保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热，产生低温，这就是半导体制冷的工作原理。由于半导体制冷仅包括冷端、热端、电源、电路等，因此其体积小、质量轻、无噪声、无摩擦磨损、无振动，其制冷器件可以做成各种形状；半导体制冷不需要制冷剂，其工作介质是在半导体中传导的电子-空穴对，不存在工作介质泄漏的可能，对环境无污染，绿色环保；半导体制冷片的热惯性非常小，制冷（或制热）的时间非常快，在热端散热良好、冷端空载的情况下，通电时间不到1 min，制冷片便能达到最大温差；制冷功率范围较广，制冷量可在mW级到kW级变化，制冷温差可达20 ℃～150 ℃。

图2 帕尔帖效应

3 太阳能半导体制冷技术及其在汽车上的应用

3.1 太阳能电池技术

每年到达地球表面的太阳辐射能约为5.57×1024J，相当于1.9×1014t标准煤，约为目前全世界一次性能源消费总量的1.56×104倍。我国属于太阳能资源丰富的国家之一。太阳能的利用与开发已成为新型能源开发的主力。太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流，在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，缩写为PV），简称光伏。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。

太阳能发电有2种方式，一种是光-热-电转换方式，另一种是光-电直接转换方式。光-热-电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光-热转换过程，后一个过程是热-电转换过程，与普通的火力发电一样，其缺点是效率很低且成本很高，因此，只能小规模应用于特殊场合，而大规模使用，成本很高。而光-电直接转换就是太阳能电池发电，如图4所示，太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结内建电场的作用下，光生空穴流向P区，光生电子流向N区，接通电路后就产生电流，这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。对于太阳能电池来说最重要的参数是转换效率，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池的转换效率为25.0%，多晶硅电池的转化效率为20.4%，CIGS薄膜电池的转换效率为19.6%，CdTe薄膜电池的转换效率为16.7%，非晶硅（无定形硅）薄膜电池的转换效率为10.1%。简单地说，太阳光电的发电原理，是利用太阳能电池吸收0.4 μm～1.1 μm波长（针对硅晶）的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。太阳能电池产生的电是直流电。

3.2 太阳能半导体制冷技术

如今随着太阳能电池技术和半导体制冷技术的发展，新型薄膜技术和优值系数ZT（ZT值又叫热电优值，它是衡量热电材料热电性能的指标和量度，Z是材料的热电系数，T是热力学温度，ZT乘积用来表示热电性能的高低，ZT值越高，热电性能越好）高的材料的研发，太阳能光电转换效率及半导体制冷效率的提高，太阳能半导体制冷将成为绿色环保节能制冷的发展方向，并且随着环境问题的日益突出，温室效应的增强，以及节能减排的迫切需要，太阳能的利用和制冷具有更好的匹配性。

图3 半导体制冷技术

图4 太阳能电池发电

太阳能半导体制冷系统就是利用半导体的热电制冷效应，由太阳能电池直接供给所需的直流电，达到制冷制热的效果。如图5所示，太阳能半导体制冷系统由太阳能光电转换器、储能设备、半导体制冷装置和数控匹配器等4部分组成。太阳能光电转换器可以选择晶体硅太阳能电池或纳米晶体太阳能电池，可以按照制冷装置容量选择太阳能电池的型号。晴天时，太阳能光电转换器把照射在它表面上的太阳辐射能转换成电能，供整个系统使用。太阳能光电转换器输出直流电，一部分直接供给半导体制冷装置，另一部分进入储能设备储存。储能设备一般使用蓄电池，它把光电转换器输出的一部分或全部能量储存起来，以备太阳能光电转换器没有输出时使用，从而使太阳能半导体制冷系统达到全天候的运行。数控匹配器使整个系统的能量传输始终处于最佳匹配状态，同时对储能设备的过充、过放进行控制。数控匹配器只要控制切换电流方向变可以使系统由制冷状态变为制热状态。

3.3 太阳能半导体制冷技术在汽车上的应用

在汽车天窗玻璃下方设置太阳能电池，利用内置在天窗内部的太阳能电池板产生的电力，驱动鼓风机，将车厢外的冷空气导入车内，驱除车内热气的“太阳能天窗技术”，目前在国内销售的车型当中，奔驰E级车，奥迪A8、A6L和A4轿车、大众途锐车等部分车型都已配备，但其只是利用太阳能电力驱动风扇交换气流，当天气或环境恶劣，特别是空气污染严重时，达不到理想的降温效果，但其在驻车通风和驻车加热仍需要消耗蓄电池电能，驻车加热还要消耗部分燃油。随着太阳能电池技术和半导体制冷技术的发展，太阳能光电转换效率及半导体制冷效率的提高，太阳能驱动的半导体制冷技术能很好地解决以上问题。太阳能驱动的半导体制冷系统在汽车上可以减轻发动机负荷和降低燃油消耗，部分替代日益枯竭的化石燃料，且可以减少CO2和有害气体的排放，减少危害性的废弃物，防止地球环境恶化，有效减小日益增大的汽车保有量对环境的影响。如图6所示，汽车太阳能半导体制冷系统由太阳能电池、蓄电池、半导体制冷装置和控制器组成，根据太阳能电池组的物理性能，将其安放于车顶或贴于汽车玻璃上，制冷系统则可置于车首或车尾。系统利用太阳能光电转化原理，将接收到的太阳能转化为电能，再驱动半导体制冷，从而调节汽车的内部温度。在阴雨天，太阳能发电量不足以全天候驱动汽车空调工作时，才需辅助汽车空调工作，可在一定程度上减轻发动机负荷、降低燃油消耗和减少废气排放，当光照强度合适时，独立驱动汽车空调工作。但是，目前多数的半导体制冷装置的制冷程度要远远小于压缩式制冷，无法满足高制冷量的要求，因此需要通过对半导体制冷系统中的冷端和热端的散热方法进行强化，提高其制冷能力，改善制冷系统性能；由于太阳能半导体制冷系统仍处在萌芽阶段，系统运行工况不太稳定，故多数的太阳能半导体制冷系统的供电设备需要兼备太阳能电池和蓄电池，且蓄电池在保证整个系统稳定运行上具有非常重要的作用；多数太阳能半导体制冷系统的制冷效率低的主要原因是半导体制冷材料性能差，无法满足高热电转换效率要求所致，因此需要选择合适的材料以提高整个半导体制冷系统的运行效率，研究表明，若半导体制冷系统的的制冷性能能够等于或者近于机械制冷性能的话，便可解决半导体制冷效率低的问题，但目前我国太阳能半导体制冷系统材料的性能距离这一要求存在很大差距，因此寻找合适的半导体材料将成为汽车太阳能半导体制冷系统急需要解决的问题。

图5 太阳能半导体制冷系统

图6 汽车太阳能半导体制冷系统