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1、太阳能半导体空调的硬件设计摘 要随着世界经济的发展和技术的进步以及人口的增长和生活水平的提高，石油、煤炭、天然气等常规化石能源的消费量迅速增加，能源价格不断加速上涨，温室气体排放量迅速增长，能源危机和环境恶化日益突出。面对能源和环境恶化问题，世界各国都在千方百计地寻找出路，多方采取措施。而开发清洁的可再生能源，是解决问题的根本。太阳能作为取之不尽的清洁能源越来越受到人们的重视。在太阳能利用热潮中，利用太阳能进行制冷的空调已成为研究热点之一。太阳能制冷的优点有：1）季节的匹配性好，即天气越热，太阳辐射越强，系统制冷量越大；2）太阳能制冷系统可以将夏季制冷、冬季采暖和其它季节提供热水结合起来，显著
2、地提高了太阳能系统的利用率和经济性；3）有利于减轻盛夏季节的用电负荷，减小电网压力，避免夏季白天电网负荷呈尖峰状态。半导体制冷是利用热电制冷效应的一种制冷方式，主要是珀尔贴效应在制冷上的应用。而太阳能半导体空调无机械转动部分、无噪声，使用寿命长，无需经常维修，管理方便，可靠性高等特点，得到了很多特殊领域的应用。制冷模块以半导体热电原件为核心，避免了传统空调对环境的污染，但目前的制冷系数COP还比较低。随着制冷技术和制冷材料的不断提高，太阳能半导体空调正逐步走进人们的生活。关键词：能源危机 太阳能 半导体空调 珀尔贴效应 COP ABSTRACTWith the development of t
3、he world economy and technology progress and population growth and improvement of living standards, the oil, coal and natural gas consumption of conventional fossil energy is increasing rapidly, energy prices are rising quickly, greenhouse gas emissions, rapid growth, the energy crisis and deteriora
4、tion of the environment is more and more serious. Facing the energy and environment worsening problem, countries in the world to leave no stone unturned to find a way out, multiparty take measures. While developing clean renewable energy is the solution to the problem of fundamental.Solar energy as
5、the inexhaustible clean energy more and more attention by people. In the solar energy utilization rush, using solar energy for refrigeration air conditioning has become the hotspot. Solar refrigeration advantages are: 1)Season match is good, that the more hot weather, solar radiation is stronger, th
6、e greater the cooling capacity of the system; 2) Solar cooling system can be cooling in summer and winter to provide heating and hot water in other seasons combined, significantly improve the utilization of solar energy systems and economics; 3)It will help reduce the electricity load of summer seas
7、on, reducing network pressure and avoid the peak state of the summer days power grid load. Semiconductor refrigeration is a refrigeration to use the thermoelectriccoolingeffect. Peltier effectis mainlyon the applicationin refrigeration. And the solar energy air conditioning no mechanical rotating pa
8、rts of semiconductor, no noise, Long service life, without often maintenance, management convenient, high reliability, obtained many special characteristics of areas of application. Semiconductor thermoelectric the original is the core of refrigeration module, avoid the traditional air-conditioning
9、pollution to the environment, but the COP refrigeration coefficient is still relatively low. As refrigeration technology and refrigeration materials unceasing enhancement, the solar semiconductor air conditioning is gradually into peoples lives.目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1课题研究背景11.2国内外太阳能制冷技术现状及发展趋势21
10、.3太阳能半导体空调的特点31.4市场需求分析41.5课题研究目标52 太阳能半导体制冷系统62.1 太阳能半导体制冷系统的工作原理62.1.1 珀尔帖效应62.1.2 珀尔帖效应在半导体制冷系统的应用62.2 太阳能半导体制冷系统的构成72.3 太阳能半导体制冷的关键技术83 制冷负荷计算103.1 实验室房间结构103.2 实验空调房的负荷计算103.2.1 计算条件103.2.2 负荷计算104 太阳能半导体空调的硬件设计164.1半导体热电制冷模块164.1.1 半导体制冷片的工作原理164.1.2 半导体制冷片的选型174.1.3 半导体制冷片的安装194.1.4 使用半导体制冷片的
11、注意事项194.2 太阳能电池204.2.1 太阳能电池的结构204.2.2 太阳能电池的分类204.2.3 太阳能电池的容量分析214.2.4 太阳能电池容量计算214.2.5 太阳能电池板连接方式224.2.6 太阳能电池板的选型224.3 半导体制冷器件的散热234.3.1 热电制冷器的散热方式234.3.2 本制冷系统使用的散热方式254.4 蓄电池的容量计算254.4.1 蓄电池容量的相关因素254.4.2 蓄电池的选型264.5 太阳能控制器264.5.1 太阳能控制器的功能264.5.2 太阳能控制器的选择265 课题成果276 结论29参考文献30致谢31如有需要联系QQ：31
12、 绪 论1.1 课题研究背景随着世界经济的发展和技术的进步以及人口的增长和生活水平的提高，石油、煤炭、天然气等常规化石能源的消费量迅速增加，能源价格不断加速上涨，温室气体排放量迅速增长，能源危机和环境恶化日益突出。为了人类免受气候变暖的威胁，1997年12月，联合国气候变化框架公约第3次缔约方大会在日本京都召开,设定了温室气体排放量的具体目标值。149个国家和地区的代表通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书。京都议定书规定，到2010年，所有发达国家二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等6种温室气体的排放量，要比1990年减少5.2。为顺应国际潮流和应对环境恶化的挑战，党中央、国
13、务院提出了节能减排的方针政策。据统计，国际上用于民用空调所耗电能约占民用总电耗的50%左右。以上海市为例，家用空调占了全市用电高峰负荷的1/3，这给电力供应和节能减排带来了很大的压力。同时，普通电空调器室外机排放的大量热量加剧了城市的热岛效应。面对能源和环境恶化问题，世界各国都在千方百计地寻找出路，多方采取措施。而开发清洁的可再生能源，是解决问题的根本。太阳能作为取之不尽的清洁能源越来越受到人们的重视。上世纪70年代以来，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮，1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划。美国1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。199
14、2年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年又制定了“新阳光计划”。1德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约、设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。一般的太阳能热利用项目，如采暖、供热水等，在需求上其实与太阳能的提供并不完全一致。在天气寒冷时，太阳提供的热能往往不足。而太阳能光伏发电目前则存在光伏转化率低、发电成本过高的问题。在太阳能利用热潮中，利用太阳能制冷空调已成为研究热点之一。太阳能制冷的优点有：
15、1）、季节的匹配性好，即天气越热，太阳辐射越强，系统制冷量越大；2）、太阳能制冷系统可以将夏季制冷、冬季采暖和其它季节提供热水结合起来，显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性；3）有利于减轻盛夏季节的用电负荷，减小电网压力，避免夏季白天电网负荷呈尖峰状态。21.2 国内外太阳能制冷技术现状及发展趋势太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约3.751026W）的22亿分之一，但以高达173000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤3。在世界能源日益紧张、空调能耗逐年增加的情况下，采用更为节能的空调系统是人类的共同需求。以太阳能
16、为驱动热源的空调制冷系统，既节约了能源, 还不使用破坏大气层的氟里昂等有害物质,是名副其实的绿色空调。在节能和环保方面有很大的发展潜力。目前利用太阳能制冷主要有两大途径：一是利用太阳能集热器等实现光热转换，利用太阳的热能为驱动力进行制冷，技术要求高，但成本低，无噪声，无污染，是目前太阳能在空调中应用的主要方式；二是利用光电转换器等实现光电转换,再用电力驱动常规压缩机进行制冷，原理简单，容易实现，如光电式、热电式制冷等。20 世纪50 年代以后，半导体材料在各个技术领域得到了广泛的应用。热电性能较好的半导体材料使热电效应的效率大大提高，从而使热电制冷进入工程实践领域并得到迅速的发展。因此，半导体
17、制冷又称热电制冷或温差电制冷。它既没有复杂的机械结构，又无传统制冷机必需的制冷剂，它是利用特殊半导体材料组成p-n结，通上直流电就能制冷，几分钟内就可使冷端结霜。它可以让人们任意排布，做成大小不一、形状各异的半导体制冷器，制冷量可以从毫瓦级到千瓦级变化，制冷温差可达30150，使用方便、应用广泛。改变制冷器的供电电压，可以实现制冷量的连续调节；改变电流供电方向，可以从制冷转为供热，两者配合温度调节范围大。由于具有上述等优点4。世界各国都对此非常重视并组织了较大规模的工艺生产，特别是美、俄、德、法、日等国发展较快，应用广泛，大到核潜艇的空调，小到红外探测器探头的冷却，都与此技术相联系。我国虽起步
18、较晚，但从20世纪60年代开始，也生产了性能较好的半导体制冷材料，开辟了它广泛应用的新领域5。早期出现的半导体制冷器大多是各种小型低温和恒温器件，如电子医疗器械、电子器件冷却、小型冰箱等方面。后来又在核潜艇上研制了各种半导体制冷空调和冷藏装置。半导体制冷空调器因其能效比、价格远不能与机械压缩式、吸收式空调相比，故还不能为百姓接受，但因其所具有抗震、无泄漏、无噪音、易维修、高可靠性，目前在各个领域都有了广泛的应用，如潜艇、船舶、电子通讯车、列车空调等场合已有成功的应用6。潜水艇、潜艇用半导体制冷空调：潜水器和潜艇上用的半导体制冷空调器，热电堆的热端与海水或淡水进行热交换，进行冷却，冷端与舱室内的
19、空气进行充分的换热。舱室中的回风经过热电堆冷端的降温和除湿后，再被送回到舱室中，从而实现对舱室内空气的调节。由于潜水器和潜艇主要在水下航行，且舱室是密闭的，所以要求采用的空调器具有抗震、无毒害、性能可靠等特点，因此在潜水器和潜艇上采用半导体制冷空调器具有其它空调器无法比拟的优越性。在前苏联已广泛地应用于民用与军用船舶上6。BK- 1. 5 型热电空调器由上海交通大学制冷实验室研制，是一种水冷式半导体制冷空调器，用在我国自行研制的第一艘潜水器上。空调器组件由热电堆、低噪音通风机、循环水泵、海水冷却器、空气侧吸热翅片和控制箱等组成。旅客列车用半导体制冷空调：中国地域广阔，列车运行跨度大，室外环境参
20、数变化很大，因此空调系统的适应能力尤其重要。在列车上采用半导体制冷空调器，列车只需要配备直流电源，就可以根据室外环境的变化,随时快捷地调控热电空调，使车内保持舒适的环境。半导体制冷空调器在1982 年就已经用到铁路客车上，该空调系统工作已超过20000 小时，没有一组热电元件失效。一半导体制冷列车空调系统在室内外温差6 时，制冷功率17kW，COP 约为0.7，室内外温差12.8时，制热功率26kW，COP 约为1.2；系统由4个单元组成，各单元可独立运行，又分为8个子单元，对不同区域实行分布式送风。电子通讯车用半导体制冷空调：军用通讯车具有特殊的使用功能，因此对空调设备的性能有其特殊要求：高
21、安全性、可靠性、低噪声、低震动等。它是一种制冷堆热端用空气冷却的空调器，冷却后的空气经过管道进入车内空调空间和电子降温室，为其创造出适宜的温度环境7。美国RCA 公司生产的AFTAC20 型空调器，适用于电子通讯车中。在环境温度为37. 5 时，车内空调空间温度为18 ，其制冷量为5. 86kW。空调器重量为147kg ，采用120V 三相角接整流电源供电，功率为12kW。汽车用半导体制冷空调：汽车空调的制冷压缩机不能利用电力来动力，而由汽车发动机或专门的辅助发动机来驱动，因此对汽车自身的性能(如汽车的加速性能爬坡性能、燃油经济性) 有一定的影响；汽车处于不断的运动之中，其震动使制冷剂容易发生
22、泄漏，导致制冷效率下降、污染环境、不能正常使用等后果。但利用热电制冷技术就可避免这些缺点。大功率半导体制冷空调的成本为机械制冷的3倍以上，对经济性能要求很高的建筑用空调器来说，这就限制了它的应用和推广。中小型半导体制冷空调器成本接近于机械制冷，但其制冷效率与其它制冷方式比较，制冷效率较低，只是在一些特殊的场合被采用，在民用空调领域普及还很困难。臭氧层的破坏和全球气候变化，是当前全球所面临的主要环境问题。由于空调制冷行业广泛采取的CFCs 与HCFCs 类物质对臭氧层有破坏作用以及产生温室效应，使全世界的制冷、空调行业面临严重的挑战。半导体制冷以其不含有毒性制冷剂的环保特点，以及半导体制冷相关技
23、术的成熟，为中小型半导体制冷空调器向民用领域应用提供了良好的契机8。1.3 太阳能半导体空调的特点太阳能半导体空调是利用半导体材料具有最佳的热电能量转换特性制成的制冷产热器，通过太阳能光电转换装置直接输出直流电，几分钟就可以制冷或产热，与其他机械制冷式空调相比，具有以下特点：（1）无机械转动部分、无噪声、无振动、无磨损。使用寿命长，无需经常维修，管理方便，可靠性高。（2）制冷量的大小取决于半导体元件的对数。若干对元件可组成一个制冷单元，容易做到分散使用，制冷系数取决于半导体的本身特性，一般与制冷量无关。而机械压缩式制冷系数与制冷量有关，制冷量越小，效率越低。2KW左右时，制冷系数与半导体空调制
24、冷系数相近，再小，半导体制冷系统效果较好。（3）负荷可调性强，调节与控制很方便。传统式制冷受设备限制，负荷难于实现调节。半导体空调通过调节工作电流，可在温差为30150的大范围内调节温差量，制冷量越小，制冷系数越高，经济效益越好。（4）太阳能半导体空调系统由直流供电，当改变电流方向时，便可冷热两用，满足全年空调需要，使用方便可靠。（5）空调器由多块热电堆组成，热电堆具有可换性和维修方便的优点。半导体制冷根据它使用的不同场所，还具备其独有的特点。当作为小型半导体制冷空调器使用时，功率一般只有几百瓦，即1KW以内。基本组织模式是采用若干陶瓷绝缘热电制冷模块与热交换器组合9。这种结构模式的优点是：（
25、1）制冷模块已经标准化，规格型号齐全，可以方便地选用和组合；（2）电路联接可以串联、并联组合，非常灵活；（3）每个散热器上可以布置一个到几个制冷模块；（4）便于规模化生产，降低工艺成本。但是这种结构对散热器基础面的加工精度要求高，应注意减少相对散热器之间的辐射、导热等热漏引起的效率降低，同时设法消除剪切应力对制冷模块的结构破坏。太阳能半导体空调在利用太阳能与半导体制冷上有很好的时间匹配型和清洁无声的共通性，但是也有很到的缺点，一是能量密度低，二是间歇不连续，若要确保阴雨无日照或日照不足时持续稳定地工作，需要储能装置，或辅以电、气等辅助能源。1.4 市场需求分析从需求来看，空调的需求是一个巨大的
26、市场，而传统的制冷空调系统消耗的电能巨大，欧洲空调能耗占总能耗的比率高达40以上；美国建筑能耗占总能耗的25%，其中大部分为空调能耗；我国空调能耗为30%，且在逐年上升。显然，太阳能空调的开发研究具有广阔的市场基础。从太阳能的供给来看，太阳能是世界上分布最广泛、最丰富的资源之一。每年到达地球表面的太阳辐射能为5.571018MJ，相当于1.91014吨标准煤，约为目前全世界一次能源消费总量的1.56104倍。我国在全球范围内属太阳能资源较丰富的地区，据估算，我国陆地表面每年接受的太阳能辐射约为501018KJ，全国各地太阳能年辐射总量达335-837KJ/(cm2.a)，具有发展太阳能事业的优
27、越条件10。2007年全国空调总销量约3000万台，户用太阳能空调的市场潜力约为50万套（台）/年。每套空调规模化生产后造价约0.5-3万元，售价约15万元，行业年销售额可望达到50-250亿元，行业年利润约25-100亿元。1.5 课题研究目标本课题的主要研究目标是：进行太阳能半导体空调的总体设计硬件选型和硬件设计。（1）具体为以下主要研究内容：（2）分析制冷环境和要求，确定系统的硬件方案；（3）进行太阳能半导体空调的硬件选型和设计；设计的制冷系统应满足40平米室内空间夏季制冷的要求，室内温度在夏季应在20分钟内降至28度以下；室内机的热端采用水冷方式，冷端采用鳍片风循环方式；系统在阳光不足时可以自动切换到蓄电池或直流电源供电方式；具用温度的检查控制与显示功能；