1、太阳能热电空调理论研究与性能分析 杜海龙 ， 齐朝晖， 匡骁 ( 中南大学 能源科学与工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5) 针 _ 。 ： 摘要 ：从能源利用及环境保 护角度 出发 ， 设计 了一种全新的太阳能热 电空调 ， 介绍 了它的 系 ： ：统组成特点、 工作原理 ， 并分析 了影响其性能的因素。 ： ： 关键词 ：太阳能； 热电制冷； 空调器 ： - 中图分类号 ：T U 8 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 6 8 4 4 9 ( 2 0 0 7 ) 0 3 0 0 2 2 0 4 0 引言 经济的快速发展和人们生活水平 的不断提高 ， 使 空调 的使用
2、越来越广泛 ， 对于原本 已经面临窘境 的能 源供应提出了更加严峻的考验。此外， 当前制冷系统 中使用的制冷剂 C F C s 和 H C F C s 等对大气臭氧层有 一定的破坏作用， 传统的制冷技术由于大量使用以上 两类制冷剂而面临新的抉择， 在寻找替代工质的同时， 人们也把 目光投向了新的制冷方法的研究 。 热电制冷具有无运动部件、 无污染、 无噪音 、 寿命 长、 结构简单、 体积小、 可靠性高、 负荷可调性强、 效率 不随体积变化、 直流供电、 可反向加热等独特的优点。 太阳能具有资源丰富、 取之不尽、 用之不竭、 无需开采 和运输 、 不会污染环境和破坏生态平衡等优点， 经光电 转
3、换得到的电能不但与热电制冷直流供电模式形成了 匹配， 而且综合改善了热电制冷转换效率， 降低了对原 有 电力能源供应方式 的过 于依赖所带来的潜在威胁 ， 扩展了能源供应品种。 据此，为利用热电制冷在环境友好性 、 制冷迅速 性 、应用灵活性等方面的优势 ，并充分利用太阳能这 一可再生的绿色能源 ，本文设计一种太阳能驱动的热电 空调器 。 1 工作原理及 系统构成 1 1太阳能热电空调工作原理 热 电制冷是利用热电效应而取得 ， 主要是帕尔帖 效应在制冷技术上的应用 。半导体材料因具有显著的 热电效应、 较高的热电制冷效率而广泛应用于热电制 冷中， 对半导体热电偶通以直流电即可达到制冷或产 热
4、 的目的。太阳能热电空调系统正是利用半导体的热 电制冷效应，并将由太阳能光电转换装置所提供的直 流 电供给热电堆 ， 从而达到制冷 、 供热空调的目的。 1 2 太阳能热电空调系统构成 该系统由太阳能光电转换设备、控制器、辅助电 源、 储能设备、 半导体制冷装置等构成， 见图 1 。 白天 ，正常 日照下太 阳能光 电转换设备接受 太 阳光照射 ， 通 过光电转换效应 将太阳光转变为 电能。输出直流 电，一部分可 以 直接供给半导体 空调 ，另一部分 图 1太阳能热电空调系统 示意 图 1 一太阳能光 电设备 2 一控制器 3 一蓄 电池 4 一整流器 5 一公共电 网 6 一热端散热设备 7
5、 一半导体热电堆8 一冷端换热肋 片 9 一空调送风风机 1 O 一空调 区域 进入储能设备储存， 以备夜晚及非正常日照下的使用。 此外还可以将公共电网用电经整流后作为辅助供电。 控制器使整个系统的能量供给始终处于匹配状态。 半 导 体 制 冷 装 置 由多块 热 电偶组成 ， 包 括 装 有散 热 装 置 的热 端 和 装 有送 风 风 机 的 冷端 ， 冷端置于 空调环境间内， ，I N f童 一 图 2 热电空调器结构示 意图 维普资讯 http:/ 专 题 研 讨 向空调 区域提供冷量 。散热装置置于空调环境外 ， 向 外界散热 。热电空调器的结构示意参见 图 2 。 2理论性能分析
6、2 1半导体制冷装置性能分析 衡量半导体制冷元件制冷效率的主要指标是制冷 系数 ， 它反映了制冷量与消耗的电能的比值 ， 即 ： ： ： 1 2丽R - K(广T h - T ) 式中 Q 0 一制冷量 ， W； 、 一输入功率， w； 。， 一 P型、 n 型半导体材料的温差电动势 率 ， V K； ， 一半导体元件冷、 热端的绝对温度， K ； K一半导体冷 、 热端之间的导热系数 ， W ( m K) ； ， 一电流 ， A； 尺一 电阻 ， Q。 由式( 1 ) 可见， 半导体制冷效率受到许多因素的影 响， 存在着最佳使用条件。当 、 一定时， 对式( 1 ) 中 的电流求导 ， 令
7、= 0 ， 可得最大制冷系数 及对应 的最佳电流 ， n ： ( 一 ) 一 2 ) ， 0 ： ( 3 ) 一 =T 一 =、 瓦 式中 优值系数 Z= ( 4 ) T m= 1 ( + ) 2 1 1热电材料对制冷装置性能的影响 在式( 2 ) 中 ( 一 ) 是理想制冷循环的效率， 则 ( 一 ) ( + 1 ) 相当于热力学中衡量热力循环完 善程度的指标一热力完善度 叼 。 可见， 优值系数的提高 使得热力完善度 ， 7 及制冷系数 8也随之提高。国内热 电元件的优值 系数相当一段 时间内维持在( 2 5 3 o ) x 1 0 K ( 见表 1 ) ， 这使得热电制冷系数较低 ， 对
8、比同样 工况下半导体制冷与蒸汽压缩式制冷，发现半导体制 冷与压缩制冷性能有一定差距 。 要使半导体制冷的经济性达到与压缩式制冷相当 的水平 ， 则优值系数须达到 1 3 1 0 K， 所 以改善热电 材料 的性能是提高半导体制冷系数的方向。 表 1 热电器件用半导体材料的特性参数 表 2 半导体制冷与压缩式制冷的性能比较 性能 半导体制冷压缩 制冷理论循环 压缩 制冷实际循环 工质 R 7 1 7 工质 R 2 2 工质 R 7 1 7 工质 R 2 2 制冷系数 8 1 1 2 6 6 4 4 5 6 3 3 4 8 6 4 8 0 热力学完善度 ， 1 4 1 8 8 1 1 7 9 7
9、6 1 1 5 6 0 4 2 注： Z= O 0 0 4 K， 空调工况 ： t h = 4 0 C， t = 5 因每种热 电材料有各 自的适宜工作范围，习惯上 也常用优值系数与温度之积( ) 这一无量纲量来描 述材料的热电性能。近年来 Z 值的研究有了重大突 破， 如“ 声子玻璃电子晶体” 块体材料、 低维热电材料 、 氧化物热电材料等几种 ，材料 的 值在 3 0 0 K左右 时可达到 = 3 ， 打破了近 4 0年来 = 1 的限制。相 信随着材料科学的迅猛发展，高热电性能的材料不久 就会问世， 随之而来的便是热电制冷效率的显著提高。 2 1 2 送风温差、 传热温差对制冷装置性能的
10、影响 通常空调环境与外界温差仅为 3 1 5 ， 而半导体 制冷采用空调工况设计 时( 一 ) 达 3 5 K， 其中有 2 0 K 以上是用于送风和传热温差。因此提高 和减小( 一 ) 成为提高其效率的有效办法。 表 3比较了改变送风 温差及( ) 后半导体制冷 、 值的变化。 表 3 改变送风温差及( 一 ) 时半导体制冷 、 ， 的值 可见 ， 如将送风温差 、 传热温差减小 5 - 2 0 ， 可使 得最大制冷系数从 1 7 7 7提高到 3 2 9 5 ， 制冷效率提高 5 7 8 1 9 2 6 。 表 3数据是在优值系数取为最佳 ，传热条件设为 理想状态下计算得到的， 实际中因为
11、接触热阻、 元器件 漏热 、 材料性能随温度变化等因素是较难达到的。 2 1 3散 热方式对制冷装置性能的影响 从热力学分析 ，在热 电制冷过程中焦耳效应将电 l 2 3 维普资讯 http:/ 能直接转换为热能， 傅立叶导热为存在有限温差传热， 两者都是不可逆过程；此外制冷器件热端温度与环境 温度也存在有限温差，因而热端的散热过程也是导致 可用能下降的不可逆过程， 并使制冷效率降低。 热端换热系数越大越好， 较大的换热系数可降低 热端温度， 还可以同时减小热端散热时的可用能损失 和提高冷端制冷效果。故在半导体制冷中， 采用合理 的散热方式是十分必要的。 Q =Q 。 +N= ( T h )
12、( 5 ) Q o = n 1 ( p - O ln ) 1 T o- 下1 ， 。 R - K ( 一 ) l= L 厶 J ( 一 ) ( 6) 式中 Q 一热端散热量 ， w； 一系统消耗电功率 ， w； n P n 节对数； 凰， 一热端、 冷端传热系数， W ( m K ) ； 凡， 一热端 、 冷端换热面积 ， m ； ， 一外界环境温度、 空调环境 温度 ， K。 由式( 5 ) 、 式 ( 6 ) 可见 ， 当 K、 F值较 大时 ， 可获得较高的 、 较低 的 、 较大 的 。 但 、 ，值不可能无限扩大， 其值 与散热方式有关 。 在热电空调中冷端可 以采用强制对流换热方式
13、， 强化热端散 热成为改善制冷性能的重点 。 表 4对比 了在相同工况 下几种热端散 热方式 的 性能 。 由表 4可见 ， 对于热端散热水冷是 表 4 相同工况下热端散热方式性 能比较 度 、 ， 以满足空调环境对负荷的需求。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 ， 。 。 因为工作电流的提高，一方面带来冷端制冷量的 增加， 使得冷端温度有下降趋势； 另一方面又带来焦耳 热的增加并导致热端温度的上升 ，使得冷端温度又有 升高趋势。 这两种趋势存在一个平衡点， 所以对应有一 个最佳工作电流 ， 。 。这种趋势的拟合使得电流对制冷 量影响近似为抛物线关系。 2 2
14、 太阳能光电装置对 空调性能的影响 太阳辐照度的大小，直接决定了太阳能光电装置 的输 出功率 ，同时也影响太阳能半导体制冷系统的工 作性能。 当半导体制冷系统的结构确定后， 半导体制冷 元件 的输入功率决定 了系统的工作 电流的大小。图 3 给出了太 阳辐照度与系统工作 电流及制冷量的关系。 由图 3 a ) 可知工作电流起初与辐照度呈抛物线变 1 4 量l1 02 ： 0 0 2 0 o 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 太阳辐 照度 W m 2 太阳辐照度 m a ) b ) 图 3 太阳辐照度对空调 系统 的影响 a ) 太阳辐照度与 系统工作 电流的关 系 b ) 太
15、阳辐照度与 系统制冷量 的关系 效果最佳的， 但采用水冷也必将影响空调的尺寸及使 用维修。热管冷却换热效果明显优于强制对流空气冷 却， 但与水冷相比仍有差距， 另外热管换热器结构紧 凑 、 形式多样 、 布置灵活， 但热电空调应用这种散热方 式其经济性不高。 2 1 4 工作 电流对制冷装置性能的影响 在前文中当 和 一定 时 ，我们导 出一个与最 佳制冷系数 一对应 的最佳电流 ， 0 。热电空调工作并 非在某一固定不变工况下， 随着工况的改变、 负荷的 变化， 我们需要通过调节工作电流来调节冷、 热端温 化关 系， 之后按线性规律变化。热端温度越低 ， 温差越 小则系统制冷量越大 ； 随太
16、阳辐照度 的变化 ， 系统制冷 量呈抛物线规律，辐照度存在使系统获得较大制冷量 时辐照度的范围。可见辐照度对工作电流及制冷量的 关系满足前文 中工作 电流对系统性能的分析。 当一天中太阳辐照最强时 ，也是空调负荷最高之 时。太阳能光电装置能够为空调系统提供可靠的工作 电流 ， 外加太阳能光电装置 的直流供电， 使得太 阳能与 空调系统问达到了很好 的性能匹配。 2 3 系统综合制冷系数 分析 目 前应用较为广泛的太阳能电池光电转换效率在 1 1 1 5 之间， 结合本文在较为理想状况下的算得的 半导体热 电空调的效率 ，得到太阳能热 电空调系统的 综合制冷系数 8 = 0 2 0 5 。这与制
17、冷系数 e = O ， 0 5 0 0 8 的太阳能吸附制冷相比对太阳能的利用更为灵活主动 和充分， 效率的优势更是显而易见。 维普资讯 http:/ 专 题 研 讨 3 结语 在日后的后续工作中还需做进一步的研究。 ( 1 ) 热 电材料的性 能与成本 限制了热电空调的发 展与应用，要使热电空调的经济性达到与压缩式制冷 相当的水平 ， 优值系数须达到 1 3 x 1 0 - 3 K。 ( 2 ) 降低送风温差 、 传热温差 ， 减少接触热阻 ， 强化 热端散热可以得到理想的系统制冷效率 ；如将送风温 差 、 传热温差减小 5 - 2 0 ， 可使得制冷系数从 1 7 7 7提 高到 3 2
18、9 5 ， 效率提高 5 7 8 1 9 2 6 ， 对热端冷却 的三 种方式中采用热端水冷方式拥有最佳的冷却效果 。 ( 3 ) 在空调系统 中当热电制冷装置结构一定时 ， 工 作 电流的选取存在一个最佳值 。 ( 4 ) 太阳辐照对系统性能的影响呈动态变化 ， 但太 阳能光电装置直流供 电模式与热电装置达到 了较好 的 匹配 。 本文仅对太 阳能热 电空调做 了理论的研究 与分 析 ，对于改善热电空调系统效率的措施 ：减少接触热 阻、 强化热端散热 、 确定最佳工作电流 、 空调性能非稳 态分析 、 光电转换装置与热电制冷装置的匹配等问题 ， 参考文献： 1 张华俊， 陶文铨， 冯倩莹 风
19、冷热电空调器的研制 f J 】 半导体学报， 2 0 01 ， 2 2： 2 2 02 2 3 2 徐德胜， 刘贻苓， 何i 项文 半导体制冷与应用技术 M 上海： 上海交 通 大学 出版社 ， 1 9 9 9 3 许志浩， 陈桔 半导体制冷在空调中应用的研究 J 1 1 t J I I 制冷， 1 9 9 6 ， ( 3 ) ： 2 52 7 4 】代彦军 ， 王如 竹 ， 倪靓 太 阳能半导体 冰箱 试验研究与性 能分析 l J 】 太 阳能学报 ， 2 0 0 2， 2 3 ： 7 5 4 7 5 8 5 任欣， 张鹏 有限散热强度下半导体制冷器性能的实验研究 J 1 低 温工程 ， 2
20、 0 0 3 ， ( 4) ： 5 76 2 6 马国远 半导体电动汽车空调系统的研究 J 1 - l t J I I 制冷， 1 9 9 8 ， ( 3 ) ： 51 0 7 宋福元 ， 张 富珍 ， 孙 宝芝 热 电制冷装 置在船用 空调系统 中的应用 f J 应用科技， 2 0 0 2 ， 2 9 ： 4 8 5 0 ( 8 】吴业正 ， 韩宝琦 制冷原理及 设备 I M】 西安 ： 西 安交 通大学出版社 ， 1 9 9 7 收稿 日期 ： 2 0 0 6 1 0 1 2 修回 日期 ： 2 0 0 6 1 2 2 1 Th e o r e t i c a l I n v e s t
21、i g a t i o n a n d An a l y s i s S o l a r Th e r mo e l e c t r i c Ai r - c o n d i t i o n e r DU Ha i l o n g ， OI Z h a o h u i ， KU ANG Xi a o ( C o l l e g e ofE n e r g y S c i e n c e a n d E ， nee r i n g ， C e n t r a l s o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ， C h i
22、 n a ) Ab s t r a c t ： C o n s i d e r t h e e n e r g y u t i l i z a t i o n a n d t h e e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n ， o n e k i n d o f s o l a r t h e r mo e l e c t r i c a i r c o n di t i o n e r i s d e s i g n e d， i t s s y s t e m c o mp o s i t i o n c ha r a c t e r i
23、s t i c， wo r ki n g p r i nc i p l e i s i n t r o d u c e d， a n d t h e f a c t o r s t h a t a f f e c t i t s p e r f o r ma n c e h a v e b e e n a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y Ke y wo r d s ： s o l a r e n e r g y ；t h e r mo e l e c t r i c r e f r i g e r a t i o n； a i r c o n d
24、 i t i o n e r 作者简介 ： 杜海龙( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 河南人 ， 硕士研 究生。 ( 上接 第 3 6页) Re s e a r c h S i t ua t i o n o f Pe r f o r ma nc e o f Fr o s t Fo r m a t i o n Pr o c e s s o f W a t e r Ca t c he r Us e d by Va c uu m Fr e e z e dr y i ng M a c h i ne YU J i n g ， S UN Yi n g ， MI AO Yu - t a o ， Z HAN
25、G Gu i - f a n g ( T i (m j i n U n i v e r s i t y o fC o m me r c e ， i n 3 0 0 1 3 4 ， C h i n a ； 2 H e b e i U n i v e r s it y ofT e c h n o l o gy ， T i a n j i n 3 0 0 1 3 0 ， C h in a ) Ab s t r a c t ： S u b l i me d wa t e r fr o m f r e e z e d r y i n g ma t e r i a l s fro s t o n c o
26、l d t r a p c o n t i n u o u s l y b y v a c u u m p u mp o n v a c u u m fre e z e- d r y i n g p r o c e s s T h e a r r e s t i n g e f f i c i e n c y o f c o l d t r a p b e c a me w o r s e a n d w o r s e a l o n g wi t h fro s t c o a g u l a t i ng， a n d i t wo u l d b e b a d t o v a c u
27、 u m p umpBu t a t p r e s e n t ， i n v e s t i g a t i o n a bo ut fro s t i n g me c h a n i s m u n d e r l o w t e mp e r a t u r e a n d l o w p r e s s u r e c o n d i t i o n i s l i mi t e d I n t h i s p a p e r t h e s t u d y s t a t e o f t h e fro s t f o r me d o n c o l d w a l l w a
28、 s i n t r o d u c e d ， t h e p r o b l e m o f c o l d w a l l fro s t i n v a c u u m f r e e z e - d ryi n g s y s t e m wa s a l s o a n a l y z e d Ke y wo r ds ： wa t e r c a t c h e r ； fro s t ；h e a t a nd ma s s t r a n s f e r 作者简介 ： 于静( 1 9 8 1 一) ， 女 ， 山东人 ， 硕 士研 究生。 I 2 5 维普资讯 http:/
