討論太陽能制冷的可行性

　　太陽能驅(qū)動的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，可以根據(jù)用戶需要做成小型化的專用制冷裝置。它具有使用維護(hù)簡單，安全性能好，可分散供電，儲能比較方便，無環(huán)境污染等特點(diǎn)。另外，利用帕爾貼效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)與一般的機(jī)械制冷相比，它不需要泵、壓縮機(jī)等運(yùn)動部件，因此不存在磨損和噪聲。它不需要制冷劑，因此不會產(chǎn)生環(huán)境污染，也省去了復(fù)雜的傳輸管路。它只需切換電流方向就可以使系統(tǒng)由制冷狀態(tài)變?yōu)橹茻釥顟B(tài)。這些無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，使得人們對太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

　　目前太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的效率還比較低，系統(tǒng)的一些重要技術(shù)問題還有待深入研究。

　　1 太陽能半導(dǎo)體制冷的工作原理和基本結(jié)構(gòu)

　　半導(dǎo)體制冷是利用熱電制冷效應(yīng)的一種制冷 方式，因此又稱為熱電制冷或溫差電制冷。半導(dǎo)體制冷器的基本元件是熱電偶對，即把一個(gè)p 型半導(dǎo)體元件和一只 n型半導(dǎo)體元件連成的熱電偶。

　　當(dāng)直流電源接通，上面接頭的電流方向是n-p，溫度降低，并且吸熱，形成冷端;下面接頭的電流方向是p-n，溫度上升，并且放熱，形成熱端。把若干對熱電偶連接起來就構(gòu)成了常用的熱電堆，借助各種傳熱器件，使熱電堆的熱端不斷散熱，并保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱，產(chǎn)生低溫，這就是半導(dǎo)體制冷的工作原理。太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)就是利用半導(dǎo)體的熱電制冷效應(yīng)，由太陽能電池直接供給所需的直流電，達(dá)到制冷制熱的效果。

　　太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)由太陽能光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)控匹配器、儲能設(shè)備和半導(dǎo)體制冷裝置4部分組成。太陽能光電轉(zhuǎn)換器輸出直流電，一部分直接供給半導(dǎo)體制冷裝置，另一部分進(jìn)入儲能設(shè)備儲存，以供陰天或晚上使用，以便系統(tǒng)可以全天候正常運(yùn)行。

　　太陽能光電轉(zhuǎn)換器可以選擇晶體硅太陽能電池或納米晶體太陽能電池，按照制冷裝置容量選擇太陽能電池的型號。晴天時(shí)，太陽能光電轉(zhuǎn)換器把照射在它表面上的太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能，供整個(gè)系統(tǒng)使用。

　　數(shù)控匹配器使整個(gè)系統(tǒng)的能量傳輸始終處于最佳匹配狀態(tài)。同時(shí)對儲能設(shè)備的過充、過放進(jìn)行控制。

　　儲能設(shè)備一般使用蓄電池，它把光電轉(zhuǎn)換器輸出的一部分或全部能量儲存起來，以備太陽能光電轉(zhuǎn)換器沒有輸出的時(shí)候使用，從而使太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)達(dá)到全天候的運(yùn)行。

　　2 太陽能半導(dǎo)體制冷的關(guān)鍵問題

　　太陽能制冷系統(tǒng)最大的不足是制冷效率較低，同時(shí)成本也較高。這嚴(yán)重影響了太陽能制冷系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。若提高和改善太陽能制冷系統(tǒng)的性能，要從下列幾個(gè)關(guān)鍵問題入手

　?。?）改善半導(dǎo)體制冷材料的性能

　　太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的核心在于半導(dǎo)體制冷材料，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)效率較低的主要原因在于半導(dǎo)體制冷材料熱電轉(zhuǎn)換效率不高。

　　最終決定熱電材料性能優(yōu)劣的是優(yōu)值系數(shù) Z

　　其中：α—半導(dǎo)體制冷元件的塞貝克系數(shù);

　　R—制冷元件的電阻;

　　Kt—制冷元件的熱導(dǎo)率。

　　優(yōu)值系數(shù)Z和溫度T的乘積ZT，是評價(jià)材料 性能的常用參數(shù)。就半導(dǎo)體制冷而言，如果其制冷性能要達(dá)到能和機(jī)械制冷相媲美，無量綱參數(shù)ZT， 要達(dá)到3以上。目前各國普遍使用的半導(dǎo)體材料遠(yuǎn)達(dá)不到這種水平。室溫下最常用的熱電材料（Bi-Sb-Te-Se系列固溶體）的ZT值大約為1。因此，如何改進(jìn)材料的性能，尋找更為理想的材料，成為了太陽能半導(dǎo)體制冷的重要問題。

　?。?）系統(tǒng)的能量優(yōu)化

　　太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)自身存在著能量損失，如何減少這些損失，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行是十分重要的問題。光電轉(zhuǎn)換效率和制冷效率是衡量能量損失的主要指標(biāo)。光電效率越高，在相同的功率輸出情況下，所需的太陽能電池的面積越小，這有利于太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的小型化。目前普遍使用的太陽能電池的光電效率最高為17%。對于任何制冷系統(tǒng)來說，制冷效率COP是最重要的運(yùn)行參數(shù)。目前，半導(dǎo)體制冷裝置的COP一般約0.2～0.3，遠(yuǎn)低于壓縮式制冷。經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，冷、熱端溫差對于半導(dǎo)體制冷的效率有很大的影響，通過強(qiáng)化熱端散熱方法能使半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)性能得到很大的改善。