太阳能半导体制冷装置设计与性能分析

　　1 引 言

　　半导体制冷也叫温差制冷、热电制冷或电子制冷，是利用“珀尔帖效应”进行制冷的一种方法[1]。与传统的制冷技术相比，热电制冷具有结构简单、无任何机械运动部件、无噪声、无磨损、可靠性高、寿命长、维修方便、体积小、重量轻、启动快、控制灵活、操作具有可逆性等特点[2]。中国早在60年代初，开始了半导体制冷技术的研究，设计并制造出了多种半导体制冷装置，主要应用于石油化工、航天航空、医疗卫生、电子技术等领域[3]。但由于半导体制冷材料性能的限制，致使半导体制冷目前还不能与机械式制冷相抗衡，在应用方面仍存在很多问题需要解决。

　　通过一种小型太阳能半导体制冷装置的设计与实验，对半导体制冷片的安装方法、控制匹配器和温度控制电路的设计方法进行了研究，对半导体制冷片制冷性能的影响因素进行了分析，为太阳能半导体空调装置的研制奠定理论基础。论文的研究成果，可以推广到制冷帽、制冷衣、冷藏箱等其它领域。

　　2 太阳能半导体制冷装置的设计

　　2.1 总体设计

　　太阳能半导体制冷系统由制冷部分和温度测量控制部分组成，如图1所示[4]。制冷部分由太阳能电池、控制匹配器、储能设备和半导体制冷装置组成。温度测量与控制部分由温度传感器、温度采集电路、PC 机组成。

　　太阳能电池输出直流电，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，以供阴天或晚上使用，使系统可以全天候正常运行。太阳能电池选择单晶硅太阳能电池，按照制冷装置所需功率选择电池板的数量与型号。控制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( 蓄电池) 的过充、过放进行控制，并可以调节供电时间，从而控制半导体制冷量。

　　利用串口通信和单片机控制技术，在PC 机上设定和实时显示温度。系统上电初始化后，单片机采集来自温度传感器的温度值，经串口送往PC机实时显示。当需要把温度控制在某一定值时，可以在PC 机上的用户软件中设定一温度值，再通过串口传送给单片机。单片机程序计算温度的测量值和预设值的偏差，控制驱动电路的导通时间，也就控制了半导体制冷器的输出功率，达到温度控制的效果。

　　2.2 半导体制冷片的安装设计

　　太阳能半导体制冷系统自身存在着能量损失，如何减少这些损失，保证系统稳定可靠地运行是十分重要的问题。对于任何制冷系统来说，制冷效率COP是最重要的运行参数。经过实验研究发现，半导体制冷片冷、热端温差对于半导体制冷的效率有很大的影响，通过强化热端散热方法能使半导体制冷系统性能得到很大的改善[5]。