新型節(jié)能型太陽能半導(dǎo)體制冷制熱機構(gòu)的探究

金 碩，馮錦新，黃江常，郭 欣，方利國，賴劍威

( 華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510640 )

新型節(jié)能型太陽能半導(dǎo)體制冷制熱機構(gòu)的探究

金 碩，馮錦新，黃江常，郭 欣，方利國，賴劍威

( 華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510640 )

設(shè)計新型半導(dǎo)體制冷制熱機構(gòu)，能夠有效提高熱端散熱量，降低半導(dǎo)體冷熱端溫差，為現(xiàn)階段熱電制冷技術(shù)提供新的裝置思路。新型裝置在進行大量性能探究實驗基礎(chǔ)上，進行了FLUENT數(shù)值模擬以及實物建模，對裝置的整體性能進行了深入分析。研究表明新型裝置能夠應(yīng)用于實際生產(chǎn)與生活的中小型制冷場合，并以新型裝置為基礎(chǔ)設(shè)計出新型的節(jié)能型小型飲水機與節(jié)能型空調(diào)的模型。

半導(dǎo)體制冷；太陽能；節(jié)能；應(yīng)用模型；性能模擬

目前大多數(shù)制冷設(shè)備是靠電能驅(qū)動，不僅消耗電能，還對環(huán)境造成危害，因此諸多學(xué)者致力于尋找一種清潔制冷方式。半導(dǎo)體制冷作為新型制冷方式，不僅效益高，而且對環(huán)境無破壞，是近年來國內(nèi)外的研究熱點[1]。與現(xiàn)階段的機械制冷相比，半導(dǎo)體制冷更具特色，操作簡便，無噪音，極易控制，能快速制冷，緊湊占用空間很小[2]。

根據(jù)國內(nèi)外的研究成果，對于半導(dǎo)體制冷發(fā)展的研究方向主要可分為：理論方面[3]、熱電制冷材料[4-5]、裝置組合與設(shè)計優(yōu)化[6]、熱端散熱與冷量利用[7-8]等。而以太陽能為供電基礎(chǔ)的半導(dǎo)體制冷是值得關(guān)注的研究方向，王懷光等[9]設(shè)計出新型太陽能半導(dǎo)體制冷裝置并對其進行性能分析。此外，在半導(dǎo)體制冷實際應(yīng)用方面，設(shè)計新型的半導(dǎo)體制冷裝置進而應(yīng)用于實際小型制冷場合具有十分有希望的研究前景。盧鏡明等[10]對半導(dǎo)體制冷用于房間空調(diào)器進行了節(jié)能性研究，說明半導(dǎo)體制冷應(yīng)用于實際小型制冷場合的可行性與優(yōu)越性。

本項目為新型太陽能水冷式半導(dǎo)體制冷機構(gòu)，以太陽能供能，經(jīng)過光伏電池轉(zhuǎn)換得到直流電,與半導(dǎo)體熱電制冷直流供電模式相對應(yīng)。在實際應(yīng)用中，光伏電池與生活中的窗戶、墻壁等一體化，可以合理高效地利用太陽能，既實現(xiàn)制冷制熱，又能達到節(jié)能減排的目的。在本套裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計出的新型節(jié)能型飲水機、空調(diào)模型可進一步代替現(xiàn)有的飲水機及空調(diào)，不僅適用于小型制冷場合，更能有效利用太陽能，利用半導(dǎo)體制冷的優(yōu)勢，實現(xiàn)節(jié)能減排。

1 實驗系統(tǒng)的設(shè)計

本設(shè)計以太陽能為主要能源，核心部件為六邊形制冷器(見圖1)，將六塊半導(dǎo)體制冷片熱端固定于六邊形銅塊表面，六邊形銅塊的空心部分由循環(huán)水通過，整套裝置配有管道、循環(huán)水泵、小型冷卻塔、閥門和測溫系統(tǒng)，構(gòu)成一套循環(huán)水冷式散熱半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，整體裝置圖見圖2。

實際工作時，半導(dǎo)體制冷片在太陽能電池板供能下進行制冷制熱，半導(dǎo)體制冷片冷端通過大量翅片與周圍空氣換熱進行制冷。制冷片熱端在循環(huán)水的作用下進行冷卻，循環(huán)水在水泵閥門的作用下在裝置內(nèi)循環(huán)流動，并通過以噴頭和水箱構(gòu)成的小型涼水塔結(jié)構(gòu)進行循環(huán)水的冷卻。測溫系統(tǒng)可以實時測出半導(dǎo)體冷熱端溫度變化以及進出口水溫變化，并進行反饋。在本套制冷裝置中，由于在無限大空間內(nèi)制冷，冷端溫度在室溫溫度上下波動較小。實驗中，可選擇室溫恒定的條件下工作，因此熱端散熱問題是影響制冷效率的關(guān)鍵問題[11]，因此主要對熱端散熱問題進行了探究。

圖1 六邊形銅塊零件Fig.1 Hexagonal copper parts

圖2 整體裝置圖Fig.2 Overall layout

從流體力學(xué)和傳熱學(xué)的角度對設(shè)計裝置的性能進行初步預(yù)測：隨著電流的增大，半導(dǎo)體功率增大，產(chǎn)熱量增加，其熱端溫度也隨之增加。在水冷條件下，循環(huán)水處于層流狀態(tài)時，隨著流速的增加，其熱端溫度將會降低；當(dāng)循環(huán)水達到湍流狀態(tài)時，可以推測熱端冷卻可以達到很好的效果。根據(jù)以上推測，進行了下面的數(shù)值模擬。

2 實驗?zāi)M及優(yōu)化

2.1 FLUENT模擬結(jié)果

根據(jù)以上推測，對當(dāng)前裝置中的散熱銅塊結(jié)構(gòu)進行實物建模，對實物模型在不同條件下進行流體模擬分析。模擬主要分為不同冷卻方式、不同熱端熱流量、不同循環(huán)水流速等三個方面，模擬后根據(jù)模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行比對，對當(dāng)前裝置性能進行總結(jié)，對裝置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

在不同冷卻方式中，可以看出循環(huán)水冷的高效性，在水冷條件下，其熱端溫度可以顯著降低，從而降低冷熱端溫差，提高工作效率。如圖3、圖4。

圖3 風(fēng)冷V=10m/s 湍流 最高溫度T=333KFig.3 Air cooling V= 10m/s Turbulence Maximum temperature T=333K

另一方面，我們在不同熱端熱流量、不同循環(huán)水流速的參數(shù)下進行模擬，從中可以看出在湍流條件下，該裝置的高效性，熱端溫度與循環(huán)水溫度趨于一致。具體模擬結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 層流 熱流量q=30000W/m2 水速V=0.02m/s 最高溫度T=337KFig.5 Laminar Heat flux q=30000W/m2 Water speed V=0.02m/s Maximum temperature T=337K

圖6 湍流 熱流量q=30000W/m2 水速V=0.3m/s 最高溫度T=293KFig.6 Turbulence Heat flux q=30000W/m2 Water speed V=0.3m/s Maximum temperature T=293K

圖7 湍流 熱流量q=200000W/m2 水速V=0.3m/s 最高溫度T=293KFig.7 Turbulence Heat flux q=200000W/m2 Water speed V=0.3m/s Maximum temperature T=293K

通過模擬結(jié)果分析，可以深入了解其性能，其冷卻效率令人滿意，可以預(yù)測到制冷量將會達到較好效果，可滿足實際小型制冷場合，擁有應(yīng)有價值。

2.2 裝置優(yōu)化設(shè)計

在實驗和模擬得出相應(yīng)結(jié)論下，我們提出了三種優(yōu)化方案，分別是：內(nèi)置填充物(見圖8)，減少流動死區(qū)、內(nèi)凹槽(見圖9)，使傳熱均勻，以及內(nèi)螺紋(見圖10)，破壞邊界層。根據(jù)對三種優(yōu)化方式的模擬和計算，三種方案均可實現(xiàn)循環(huán)冷卻水與銅塊的高效換熱，證明了三種優(yōu)化方式的可行性。因此，對散熱銅塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，通過增加表面積、粗糙度等方式使循環(huán)冷卻水在流過散熱部件時達到湍流狀態(tài)，進而及時帶走半導(dǎo)體制冷片的熱端制熱量，有效降低熱端溫度，提高制冷效率。

圖8 內(nèi)置填充物Fig.8 Built-in filler

圖9 內(nèi)螺紋管Fig.9 Internal thread pipe

圖10 內(nèi)凹槽管Fig.10 Inner groove tube

3 新型應(yīng)用設(shè)計

3.1 新型節(jié)能型飲水機模型設(shè)計

以已有新型節(jié)能型太陽能半導(dǎo)體制冷裝置為基礎(chǔ)，設(shè)計新型節(jié)能型飲水機模型。該模型以太陽能為主要能源，核心部件為六邊形空心銅塊，將六塊半導(dǎo)體熱端固定于六邊形銅塊表面，應(yīng)用于飲水機的制冷制熱部件中，模型如圖11。

圖11 新型節(jié)能型飲水機模型Fig.11 New energy-saving water dispenser model

如圖所示，在實際工作過程中，水桶中的水在壓力作用下進入儲水箱中，儲水箱中水從冷熱管道中進入半導(dǎo)體制冷裝置中。熱水管道通過與半導(dǎo)體熱端連接的翅片，水被半導(dǎo)體熱端熱量第一次加熱，第一次加熱后的水進入電加熱部分繼續(xù)加熱，直至合適溫度后進入熱水箱中儲存，可直接飲用，此時，該半導(dǎo)體制熱裝置主要起預(yù)熱作用，將常溫的飲用水首先通過半導(dǎo)體制熱裝置進行預(yù)熱，緊接著再進入下一部件進行進一步的加熱處理；冷水管道中的水通過六邊形銅塊的空心部分進行冷卻，冷卻后的水進入冷水箱中儲存，可直接飲用。該型飲水機適用的場合較廣，可用于偏遠(yuǎn)地區(qū)，也在城市中適用，較為節(jié)能。

3.2 新型節(jié)能型空調(diào)模型設(shè)計

在當(dāng)前裝置優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上，我們提出了空心半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(見圖12)。其中，該結(jié)構(gòu)內(nèi)部為半導(dǎo)體制熱端，外部為制冷端。我們通過對該結(jié)構(gòu)在空調(diào)上的應(yīng)用進行了實物建模。

如圖13、圖14所示，空調(diào)蒸發(fā)器以空心圓柱半導(dǎo)體為主要結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體外部裝有大量翅片；空調(diào)外機以熱管為主要部件，對循環(huán)水進行冷卻。工作過程中，半導(dǎo)體在太陽能供能下進行工作，半導(dǎo)體制冷端的冷量通過大量翅片以及風(fēng)扇的作用與周圍空氣換熱，進行制冷；半導(dǎo)體制熱端通過循環(huán)水的作用進行冷卻，同時，循環(huán)水通過外機中的熱管結(jié)構(gòu)進行散熱，當(dāng)循環(huán)水通過外部散熱機構(gòu)時與熱管進行換熱，熱管上裝有大量翅片與空氣進行換熱，可保證循環(huán)水溫度被快速降低。

圖12 空心圓管狀半導(dǎo)體Fig.12 Hollow circular tubular semiconductors

圖13 空調(diào)內(nèi)蒸發(fā)器模型Fig.13 Air conditioning evaporator model

圖14 空調(diào)外機熱管冷卻模型Fig.14 Air conditioning external heat pipe cooling model

該半導(dǎo)體內(nèi)部進行高效換熱的優(yōu)化設(shè)計，故循環(huán)水需采用高純水，避免結(jié)垢。該型空調(diào)主要用于偏遠(yuǎn)且太陽能充足的地區(qū)，且適用于小型制冷場所，例如汽車空調(diào)。

該新型節(jié)能型飲水機與新型節(jié)能型空調(diào)雖然是在理論上進行模型設(shè)計，但隨著半導(dǎo)體制冷技術(shù)、半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體制冷片制造技術(shù)[12-13]的不斷發(fā)展，其模型投入實際生產(chǎn)將逐漸成為可能，應(yīng)用于實際制冷場合當(dāng)中。同時，該模型設(shè)計也將為半導(dǎo)體制冷其他相關(guān)研究提供新的思路與理論支持。

4 節(jié)能分析

通過對整套裝置的模擬、實驗和分析，對整套裝置的基本性能有了全面的了解，該設(shè)計的核心部件六邊形銅塊設(shè)計新穎巧妙，能夠有效的導(dǎo)熱，實現(xiàn)空間的利用。在半導(dǎo)體制冷領(lǐng)域有一定的發(fā)展前景。同時由六邊形銅塊衍生出的八邊形，十二邊形以及球形銅塊也能夠在空間上實現(xiàn)極大化，能夠?qū)Ξ?dāng)前裝置進行優(yōu)化。

目前，國內(nèi)幾家主流飲水機廠家的飲水機產(chǎn)品，加熱功率平均約為500W，制冷功率平均約為70W(電子制冷式)和90W(壓縮機制冷式)。按上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測，常規(guī)飲水機制熱耗電量平均約為0.6～0.8kW·h/24h，制冷耗電量約為0.7～0.9kW·h/24h，即一臺常規(guī)冷熱飲水機的耗電量約1.3～1.7kW·h/24h。而常用小型車用空調(diào)功率為500W，假設(shè)每小時間歇工作30min，一天運行2h(以夏天為準(zhǔn))，則耗電量約0.5kW·h/24h。根據(jù)現(xiàn)階段我國火力發(fā)電，生產(chǎn)1kW/h電能相當(dāng)于向大氣排放0.997kg的CO2，即一臺家用飲水機一天約產(chǎn)生1.2961-1.6949kg CO2，一臺家用空調(diào)一天約產(chǎn)生0.4985kg CO2。若采用我們設(shè)計的新型太陽能節(jié)能型冷熱兩用飲水機及新型太陽能節(jié)能型空調(diào)，將采用太陽能供電，且通過半導(dǎo)體制冷方式，提高效率，降低能耗，實現(xiàn)CO2低排放甚至零排放，達到節(jié)能減排的效果。

實際應(yīng)用中，可適用于中小型制冷場合，其節(jié)能與減排效果仍然顯著。其中，對于新型太陽能節(jié)能型冷熱兩用飲水機，其同時利用了半導(dǎo)體制冷片熱端的制熱量和冷端的制冷量，使其獲得的總能量大于半導(dǎo)體制冷片所消耗的能量。即飲水機的總能效系數(shù)=(制熱量+制冷量)/所消耗的電能，顯然其數(shù)值超過了100%[14]。

5 結(jié)論

本裝置在以上實驗探究及模擬中，可以看出該半導(dǎo)體制冷裝置在中小型制冷領(lǐng)域中具有極大的發(fā)展?jié)摿?，隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，有望成為制冷領(lǐng)域的新興力量。該套裝置主要在以下方面有所亮點：

(1)本裝置通過對六邊形空心零件的合理設(shè)計，使得整套系統(tǒng)緊湊合理，在有限的空間內(nèi)可以實現(xiàn)多塊半導(dǎo)體制冷片的同時工作，極大的提高工作功率；

(2)本裝置中六邊形空心零件可以設(shè)計為八邊形、十二邊形等等，在此基礎(chǔ)上，將半導(dǎo)體與零件一體化，設(shè)計出空心圓柱形半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其有望成為未來半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢；

(3)在實驗和模擬的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前裝置進行了高效換熱的優(yōu)化設(shè)計，進一步提高當(dāng)前裝置的散熱結(jié)構(gòu)性能，提高制冷效率，為半導(dǎo)體制冷的進一步發(fā)展提供了有效的基礎(chǔ)；

(4)在當(dāng)前結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出新型太陽能節(jié)能型冷熱兩用飲水機結(jié)構(gòu)，對該結(jié)構(gòu)實行初步建模，該飲水機結(jié)構(gòu)極具發(fā)展?jié)摿Γ诓糠值貐^(qū)有望替代當(dāng)前飲水機；

(5)通過對半導(dǎo)體與六邊形零件的一體化設(shè)想，項目組設(shè)計出了新型太陽能節(jié)能型空調(diào)結(jié)構(gòu)，對該結(jié)構(gòu)進行了初步建模，該模型為半導(dǎo)體空調(diào)提供了方向。

本套循環(huán)水冷式散熱半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)通過控制不同循環(huán)水流量、工作電流等變量進行大量實驗，進而得出在循環(huán)水達湍流狀態(tài)下裝置達到最好的水冷散熱效果。因此，為使循環(huán)水達湍流狀態(tài)，將散熱部件內(nèi)部進行優(yōu)化，并進行大量Fluent數(shù)值模擬，得出最佳的工作性能、提出新型的裝置設(shè)計。以此基礎(chǔ)設(shè)計出新型節(jié)能型半導(dǎo)體制冷小型飲水機、空調(diào)設(shè)計模型，其擁有十分可觀的應(yīng)用前景。據(jù)報道，現(xiàn)階段人們對飲水機及空調(diào)的使用十分巨大，且現(xiàn)階段的技術(shù)能耗較高，且有些小型制冷場合難以達成想要的產(chǎn)品，而本節(jié)能模型，恰能解決這些疑難。

[1] 周興華.半導(dǎo)體制冷技術(shù)及應(yīng)用[J]．電子世界，2000，(9):52-53

[2] Mathiprakasam B，editor.Thermoelectric cooling technology.In:Proceedings of the 1993 non-fluorocarbon refrigeration and air-conditioning technology workshop;1993.p.C211-C214

[3] 王炯．半導(dǎo)體制冷器載流子的輸運機理研究[D]．河南：河南工業(yè)大學(xué)，2016

[4] 李翔，周園，任秀峰，等．新型熱電材料的研究進展[J]．電源技術(shù)，2012，36(1)：142-145

[5] 嚴(yán)瀟，袁波．Half-Heusler熱電材料的研究進展[J]．西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016，35(1)：29-34

[6] 廖陽明．基于半導(dǎo)體制冷的小型保溫箱設(shè)計[J]．廣西民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，19(1)：82-85

[7] 戴源德，溫鴻，于娜，等．熱管散熱半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的實驗研究[J]．南昌大學(xué)學(xué)報：工科版，2013，35(1)：54-57

[8] 黃煥文，馮毅．半導(dǎo)體制冷強化傳熱研究[J]．低溫與超導(dǎo)，2010，38(8)：60-63

[9] 王懷光，范紅波，李國璋．太陽能半導(dǎo)體制冷裝置設(shè)計與性能分析[J]．低溫工程，2013，(1)：50-55

[10] 盧鏡明，張鵬娥，王銘坤，等．半導(dǎo)體制冷用于房間空調(diào)器的節(jié)能性研究[J]．制冷與空調(diào)，2015，15(4)：5-8

[11] 安景飛.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)性能的研究[D].四川：西華大學(xué)，2013，06

[12] Mahder Tewolde，Gaosheng Fu，David J.Hwang，et al．Thermoelectric Device Fabrication Using Thermal Spray and Laser Micromachining[J]．Journal of Thermal Spray Technology，2016，25(3)：431-440

[13] Margaret Antonik，Brendan T.O′Connor，Scott Ferguson．Performance and Design Comparison of a Bulk Thermoelectric Cooler With a Hybrid Architecture[J]．Journal of Thermal Science and Engineering Applications，2016(8)：1-13

[14] 周倩，黃曾新，劉志強.新型節(jié)能冷熱溫飲水機[J].制冷技術(shù)，2013，33(2)：69-72

ResearchonRefrigerationandHeatingMechanismofNewEnergy-savingSolarSemiconductor

JIN Shuo，F(xiàn)ENG Jinxin，GUO Xin，HUANG Jiangchang，F(xiàn)ANG Liguo，LAI Jianwei

( Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China )

a new type of semiconductor refrigeration and heating mechanism is designed，which can effectively improve the heat dissipation of the hot end and reduce the temperature difference between the hot and cold side of the semiconductor，and provide a new idea for the thermoelectric refrigeration technology.Based on the large number of performance exploration experiments，the FLUENT numerical simulation and physical modeling are carried out，and the overall performance of the device is analyzed deeply.It can be seen that the device can be applied to the production and living of small and medium-sized refrigeration occasions，and the device based on the design of a new type of energy-saving small drinking fountains and energy-efficient air-conditioning model.

Semiconductor refrigeration；Solar energy；Energy saving；Application model；Performance simulation

2017-6-27

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助(201610561092)

金碩(1996-)，男，本科生，研究方向：能源化工。E-mail：1447421429@qq.com

ISSN1005-9180(2017)04-012-06

TB66文獻標(biāo)示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.003