%aa阳能半导体冰箱实验研究与性能分析.pdf

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1、收稿日期：!#$%$#&文章编号：!#$!%&（!）!&$!#$!#太阳能半导体冰箱实验研究与性能分析代彦军，王如竹，倪靓（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海!）摘要：该文提出一种太阳能半导体冰箱并进行了实验研究与性能分析，它依靠太阳电池驱动，通过热电制冷效应制冷。实验表明，该装置能够维持冰箱内温度在()#*，!#约+。冰箱性能与太阳辐射和热电制冷元件冷热端温差等条件有很大关系，存在分别使!#和制冷量达到最大值的最佳太阳辐照度。该冰箱可用于边远地区或户外郊游、勘查及施工等缺电条件下食品和饮料的冷藏保鲜以及医用疫苗的保管等。关键词：太阳能；冰箱；半导体；!#中图分类号：,-(#./文献标识码

2、：0!引言半导体制冷方式由直流电驱动，无需电流逆变装置，没有能量多次变换产生的损失，且无机械转动部分，运行无噪音，无振动，无磨损，使用寿命长，维护简便#。这种装置用作小型冷藏用冰箱，易于携带，采用太阳电池作为动力源，驱动半导体制冷装置，可实现将半导体制冷装置用于缺电环境及偏远少电地区。此外，与以热制冷的太阳能制冷装置相比，光电制冷系统具有温度易于控制，可靠性高、稳定性好等优点!。,+1232等研究了太阳能半导体制冷帽。4+5+6789等对一种太阳能辅助半导体汽车空调进行了研究。我国甘肃自然能源研究所的邹今平(针对一种用于保存疫苗的太阳能电源冰箱系统电力匹配特性作了分析。本文提出一种适用于小团体

3、（!)人）户外食品饮料保鲜的太阳能半导体冰箱，侧重系统的制冷性能的分析研究。(系统及工作原理完整的系统由太阳电池阵列、控制器、蓄电池和半导体制冷装置等构成。白天，太阳电池阵列接受太阳光，通过光电转换效应将太阳光转变为电能。输出的直流电，一部分可以直接供给半导体冰箱，另一部分进入蓄电池储存，以备阴天或晚上使用，控制器使整个系统的能量传输始终处于最佳匹配状态。半导体制冷装置由多块热电对组成（如图#），包括分别装有散热片的一个冷端和一个热端，冷端置于冰箱体内，热端置于箱体之外。由于半导体的珀尔帖效应，冷端处通过半导体接头处的电流方向是由:型结到;型结，温度下降并吸收热量；热端处通过半导体接头处的电流

4、方向是由;型结到:型结，温度上升并向外释放热量。太阳电池容量可根据冰箱制冷量的大小进行配置。蓄电池作为储能设备是保证太阳能半导体冰箱连续运转的重要条件。控制器使太阳电池阵列输出阻抗与等效负载阻抗匹配，使功率输出始终处于最佳状态，同时对储能设备的过充、过放进行控制。图#太阳能半导体冰箱实验系统示意图+#?A7B2C=DE FD823 CA73BD787C3=37E3=732CD3选用太阳电池阵列，应满足半导体制冷装置输入功率和电压的需要，通常在输出功率一定的条件下，可通过将电池板串联或并联方式满足输出电压要求。这里主要关心太阳电池阵列的输出功率，#FD823G$%!;!，其中$太阳辐照度；%太阳

5、电池阵列的面积；!;!太阳电池的光电转换效第!卷第&期!年#!月太阳能学报05,0 HIHJKL0H?MN0JL?LIL504D8/!，ID/&O7+，!率。蓄电池输出电压应与选用的半导体制冷装置相匹配，蓄电池容量应能满足无日照条件下，一定时间内制冷装置的制冷要求!。!#$%!#$（%&）#$（%）其中，!蓄电池容量（&）；$半导体制冷装置运行一天耗电量（&()）；%冰箱无日照运行的天数（)）；!#$蓄电池最大放电深度；线路损失系数；#*蓄电池的安时效率；$温度校正系数。实验选用各部件参数如表%所示。表!太阳电池阵列、蓄电池及半导体制冷元件参数选择+#,-.%/0.12321#4256*53*

6、5-#7 1.-)728.6，4.75.-.14721 7.3729.7#457太阳电池阵列蓄电池半导体制冷元件(:;:!(&?!?;!%(AB%;=#0!;%C(&)B%:#*;D!)(:!=!%():$;E*4(F AB%;=E!#$;DG(HB%I.B C试验测试与分析#!实验测试该装置对重量有严格要求，而蓄电池是最重的部件，为了便于携带，建议采用的运行方式为：晴空条件，白天只带半导体冰箱和太阳电池板，夜间则依靠蓄电池和整流器带动冰箱（图%虚框所示），这样可使系统的轻便性得到充分保证。测试主要针对日间工况进行。主要测试的物理量包括太阳辐照度、半导体制冷装置两端电压、环境温度、冰箱内热电堆

7、冷端温度、冰箱内冷藏物体温度等。采用 A.4J-.K:?;型数据采集仪，电压数据可直接测量，温度测量采用+型热电偶，通过计算机进行实时监控。图%中所示，#通道用于测量电压，,通道用于测量冷端温度，1 通道用于测量环境温度，)通道用于测量冰箱内物体温度。分析方法由于没有直接测量热电制冷元件热端温度、系统制冷量和工作电流，需要通过测量的电压及其它温度值换算求得，进而可确定系统的制冷性能系数和制冷量等性能指标。这里假设热端与环境之温差为%CH，忽略了外界向冰箱内部的热传导。需要计算的参数为I，工作电流：+L,B%（-MB-1）)（:）式中%单级热电堆的总赛贝克系数，(A；)热电堆的总电阻；-M和-1

8、 分别表示热电堆热端和冷端的温度。输入功率：.L%+（-MB-1）N+:)（C）冷端制冷量：/1L%+-1B%:+:)B*4（-MB-1）（=）*4 热电堆的总热导率，F(A。制冷性能系数为：!0.L/1.（!）半导体制冷元件优值系数：1 L%:*4)（I）#$实验结果及分析图:所示为晴空且冰箱内没有放任何东西的条件下，冰箱内冷端温度与环境温度的动态变化曲线，图 C 为对应时刻太阳电池表面的太阳辐照度和冰箱两端电压的变化。工作过程中没有调整太阳电池阵列的方位角。由图 C 可以观察到随着太阳高度角的变化，在%!内照射在电池阵列表面的太阳辐照度有所减少，由约 DD;F(:降低到?;F(:。冰箱两端

9、电压比较恒定，稳定在%:;O%:=范围之内。环境温度变化不大，冷端温度在最初的:;26内迅速下降，%!后，基本稳定在!H以下，温度变化趋势十分平缓。图=所示为系统制冷量与制冷性能系数随时间的变化关系。随着冷端温度的下降，系统瞬态制冷量与!0.均呈下降趋势，!0.在;:!O;!之间变化，制冷量从最初的:IF 下降到实验终了时刻的%:F。图!所示为冰箱内放置了盛有!;P 水的烧杯情况下，冰箱内冷端温度、水温，以及环境温度的动态变化。在约 C 的时间内，冷端温度下降到了!H左右，水温也由原来的:H下降到了接近%;H，并且还呈继续下降的趋势。图 I 所示为对应太阳辐照度和冰箱两端电压的变化。该运行工况

10、下，系统!0.大约稳定在;:C，而制冷量则稳定在%:F（如图?）。!?I 期代彦军等：太阳能半导体冰箱实验研究与性能分析图!晴空、空负荷条件下冷端温度和环境温度变化#$%!&(#)#*+,*-.*/0,#01!.+0!2#)3*4)/*0图 5晴空、空负荷条件下冰箱电压和辐照度变化#$%5&(#)#*+,*-+0#+,4+6 06,图 7晴空、空负荷条件下$%&和制冷量变化#$%7&(#)#*+,*-$%&+0.2#)3*4)/*0图 8899:;水负荷下冷端温度和水温变化#$%8&(#)#*+,*-.*/0,#01!.+0!2#)3*4)899:;2)1(图 899:;水负荷下电压和辐照度变

11、化#$%899:;水负荷下$%&和制冷量变化#$%=(#)#*+,*-$%&+0.2#)3 899:;2)1(在以上各种情况中，尽管工况?和 5 中冰箱两端电压比较恒定，太阳辐照度波动也不大，但系统制冷量与$%&仍然出现了较大的变化，表明这两个参数还与通过半导体制冷元件的工作电流有关。!理论分析可通过上面介绍的有关计算公式对典型的太阳能热电制冷装置进行分析，计算时需要考虑以下限定条件。最大温差：!:A(!.!（）最大制冷性能系数：$%&:)!.!B*!.（?+(!C）?,!*!B,!.（?+(!C）?,!+?（D）其中，!CA!BE!.!（F）最大制冷量：-:A.)（!:G!）/0（?9）!#

12、工作电流在输入功率一定的条件下，工作电流对系统$%&的影响如图 D 所示。相对于$%&，存在着使系统性能最优的工作电流 1:。冷端温度一定的条太阳能学报!5 卷件下，!#与热端温度有关，热端温度越高，!#越大，但系统#$越低，表明冷热端温差增加对提高系统经济性是不利的。在热端温度为$%&时，最大#$约为%(。对本文所建立的系统，在设定冷端温度为)&，环境温度*%&的情况下，工作电流在*+,-范围内取值是较合理的。图.工作电流对系统制冷性能系数的影响/01.0!234 56 78734903 3:997;4 5;#$!太阳辐照度及冷热端温差太阳辐照度的大小，直接决定了太阳电池的输出功率，出于轻便

13、性的考虑，同时也为了考虑太阳辐射对太阳能半导体制冷系统工作性能的直接影响，分析时忽略了蓄电池对输出电压的调节作用。图?!*的范围内变化时，不同冷热端温差作用下，系统#$随辐照度的变化。在结构确定的前提下，半导体制冷元件的输入功率决定了系统工作电流的大小。比较图.和图?!*时，工作电流随辐照度增长呈抛物线规律增加，大于*%?!*以后，近似按线性规律增长。系统制冷量与太阳辐照度的变化关系示于图=，首先可以观察到的是，热端温度越低，温差越小，系统制冷量越大；其次是随太阳辐照度的变化，系统制冷量呈抛物线规律变化，在辐照度为)%+.%?!*的时候，可使系统获得较大的制冷量，辐照度太大或太小都不利于系统制

14、冷量的增加。这个结论对系统工作电流也是适用的，同样存在着使系统获得最大制冷量的工作电流。#结论图 太阳辐照度与系统#$的关系/010!234 56 589 0;58405;947 5;#$图=%太阳辐照度与系统工作电流的关系/01=%A78405;B02 C74D77;!;E%图=系统制冷量与太阳能辐照度的关系/01=F!234 56%5;#$=）所提出的太阳能半导体冰箱可使箱内温度控制在)+=%&，#$约%*)+%$，可用于户外缺电条件下食品饮料的冷藏保鲜。*）直接依靠太阳电池驱动条件下，存在使系统#$和制冷量分别取得最大值的太阳辐照度。$）所用的实验和分析方法可用于太阳能光伏驱动的热电制冷

15、装置研究和开发，进一步的分析和优化工作应从半导体制冷系统优化和光伏系统与制冷系统的匹配两方面开展。G)G(期代彦军等：太阳能半导体冰箱实验研究与性能分析致谢：本实验得到了上海交大太阳能研究所崔容强教授的热情帮助和指导，在此深表感谢。参考文献!#$%&()*+,-./0(.&.12/#1 1("%35 6(7./4.3./%2#(3*，81#.31.，!999，:;?=+:A%3$%&B C，D%/2#3 E+F(06%/%2#.$2G5H(I%6(/1(0J6/.$#(3，2-./0(.&.12/#1%35%K$(/62#(3/.I/#4./%2#(/$*+L32./3%2#(3%&*(

16、G/3%&(I M3./4H N.$.%/1-，:，:O：9?!=+?P%/%,，EQG0%P+F(" 6./I(/0%31.(I$(&%/1.&5/#J.3，2-./0(.&.12/#1 1(" 6/(2(2H6.-.%54.%/*+E66&#.5,-./0%&M34#3./#34，!99;，!;：!9!9+O D.#R F，F-.3)F，D%2-#6/%S%$%0 A.2%&+82G5H(I$(J&%/J%$#$2.5 2-./0(.&.12/#1 2.1-3(&(4H I(/%G2(0(K#&.%#/1(35#2#(3#34*+*(G/3%&(I 8(&%/M3./4H M3

17、4#3./#34，,/%3$%12#(3$(I 2-.E8DM，!99?，!:+邹今平+太阳能电源冰箱系统的研究*，农村能源，!999，;，:?：:;:!;+=吴业正主编+小型制冷装置设计指导 D+北京：机械工业出版社，!99;：!:?，/3%-）)4567896：MY6./#0.32%.$2#4%2#(3%35 6./I(/0%31.%3%&H$#$(3%$(&%/1.&5/#.3，2-./0(.&.12/#1/.I/#4./%2(/7%$1(35G12.5+N.$.%/1-#32./.$2 I(1G$.5(3 2.$2#34 2-.$H$2.0 6./I(/0%31.G35./$G3

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