(1. 江蘇省南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，江蘇 南京 210008；2. 南京大學(xué)物理學(xué)院，江蘇 南京 210093)

·STS研究·

基于帕爾帖效應(yīng)的制熱方式及其應(yīng)用

李自蹊1馬朝冉1王天翼1杜菁1章東2

(1. 江蘇省南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，江蘇 南京 210008；2. 南京大學(xué)物理學(xué)院，江蘇 南京 210093)

當(dāng)兩種不同金屬構(gòu)成的閉合回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)金屬接頭之間將產(chǎn)生溫差，產(chǎn)生帕爾帖效應(yīng)。本文基于帕爾帖效應(yīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)熱水器模型系統(tǒng)，并用微控制器和溫度傳感器來(lái)進(jìn)行溫升和電功率的測(cè)量，探究帕爾帖效應(yīng)制熱過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)移效率，并與傳統(tǒng)制熱方式進(jìn)行了比較。本研究有助于理解帕爾帖效應(yīng)的制熱作用，展現(xiàn)了潛在的應(yīng)用價(jià)值。

帕爾帖效應(yīng)；制熱；熱水器模型

1 引言

帕爾帖效應(yīng)(Peltier Effect)又稱第二熱電效應(yīng)，產(chǎn)生于不同材料中電子具有的不同勢(shì)能，當(dāng)電流流經(jīng)兩種不同材料的分界面時(shí)會(huì)吸收或放出熱量。常規(guī)金屬材料中的電子勢(shì)能基本相同，帕爾帖效應(yīng)很微弱，很難被觀測(cè)到；而半導(dǎo)體中電子勢(shì)能差較大，將兩種半導(dǎo)體封裝在片狀陶瓷外殼中制成的芯片具有明顯的帕爾帖效應(yīng)。目前研究較多的是基于帕爾帖效應(yīng)的制冷應(yīng)用，帕爾帖效應(yīng)還可以有更為廣闊的應(yīng)用，如應(yīng)用于現(xiàn)代量子通信、基于表面溫度控制的紅外迷彩、星載相機(jī)溫度環(huán)境控制等。

帕爾帖器件不需要機(jī)械部件，具有工作電壓低、無(wú)振動(dòng)和噪音、控制簡(jiǎn)單、易于安裝和維護(hù)、工作壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。但帕爾帖器件的半導(dǎo)體材料電阻率較大，導(dǎo)熱性能好，半導(dǎo)體所產(chǎn)生的焦耳熱和自發(fā)熱傳導(dǎo)會(huì)降低器件的效率，限制了它的應(yīng)用。尤其在大功率系統(tǒng)中，半導(dǎo)體自身電阻的發(fā)熱功率的增長(zhǎng)會(huì)超過(guò)帕爾帖效應(yīng)吸放熱功率的增長(zhǎng)，發(fā)熱功率越大，效率越低。因此帕爾帖效應(yīng)制冷過(guò)程中半導(dǎo)體自身發(fā)熱不容忽視，可以用來(lái)設(shè)計(jì)高效加熱裝置。筆者針對(duì)帕爾帖芯片的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于帕爾帖效應(yīng)的熱水器模型系統(tǒng)，通過(guò)溫升測(cè)量和熱量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)帕爾帖器件可以從周圍環(huán)境吸收熱量，所需要的電功率小于發(fā)熱功率，超過(guò)100%的制熱效率表明帕爾帖效應(yīng)的制熱特性具有良好的應(yīng)用和推廣前景。

2 理論及方法

圖1

在利用帕爾帖效應(yīng)制熱過(guò)程中，環(huán)境溫度也成為其能量來(lái)源。如需要設(shè)計(jì)制作一個(gè)單位時(shí)間發(fā)熱量為Q的熱源，則需要功率為Q的電阻。利用帕爾帖芯片制作的熱源，芯片可以從其冷端吸收熱量Q1，加上其自身電阻所產(chǎn)生的熱量Q2，因此要在芯片熱端實(shí)現(xiàn)Q=Q1+Q2的發(fā)熱量，所需要的電功耗小于Q，可以提高芯片的制熱效率。為了精確探究帕爾帖器件冷端溫度(環(huán)境溫度)和制熱效率的關(guān)系，筆者設(shè)計(jì)了如圖1所示的由兩片帕爾帖芯片構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)裝置，其中包含一個(gè)用來(lái)盛裝待加熱液體的被絕熱材料包裹的銅盒，在絕熱材料底部開(kāi)了一個(gè)洞，安裝了兩塊40mm×40mm、額定功率120W的帕爾帖芯片(TEC1-12710)，中間用一銅片隔離，并安裝了一個(gè)溫度探測(cè)器1，帕爾帖芯片1的熱端向上貼在銅盒上，帕爾帖芯片2上安裝了一個(gè)散熱系統(tǒng)。在銅盒中放置1kg水，并通過(guò)溫度探測(cè)器2測(cè)量水溫。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中芯片1的功率被控制在25W左右，環(huán)境溫度約為30℃。

兩個(gè)帕爾帖芯片之間銅板安裝了DS18B20數(shù)字溫度探測(cè)器1，用來(lái)測(cè)量芯片1的熱端溫度，水箱中DS18B20數(shù)字溫度探測(cè)器2分辨率為0.06℃。系統(tǒng)的控制器電路由微處理器(ATMega2560)管理，帕爾帖芯片1用來(lái)加熱水，控制器1用來(lái)控制帕爾帖芯片兩端的電壓，測(cè)量并記錄其電壓和電流數(shù)據(jù)，并進(jìn)行功率監(jiān)測(cè)?？刂破?不僅能控制芯片兩端的電壓，還能改變電流方向，實(shí)現(xiàn)芯片冷熱端的交換和恒溫控制。

圖2

在單片機(jī)的控制下，系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程如圖2所示，系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)測(cè)量水溫、運(yùn)行時(shí)間、電壓、電流等數(shù)據(jù)，用來(lái)計(jì)算電功率、溫度導(dǎo)數(shù)、熱功率等參數(shù)，利用Pheat/Pelectric比值來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的加熱效率。

3 結(jié)果及分析

圖3給出了測(cè)量過(guò)程中的水溫變化，包含了加熱和自然冷卻兩個(gè)過(guò)程。在加熱過(guò)程中計(jì)算總吸熱和平均功率，在冷卻過(guò)程中計(jì)算內(nèi)外不同溫差時(shí)的熱耗散功率，以修正加熱功率。在冷卻過(guò)程后期水溫逐漸接近室溫，溫度下降速度非常緩慢，可以忽略不計(jì)。通過(guò)溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，計(jì)算得到如圖4所示的熱耗散功率和內(nèi)外溫差的關(guān)系。

圖3

圖4

利用上述的測(cè)量數(shù)據(jù)可以計(jì)算出帕爾帖芯片的能量效率，實(shí)驗(yàn)中銅制容器和容器蓋等質(zhì)量共為213g，水的質(zhì)量為1kg，得到體系的熱容量為∑mc=4282J/K。

將ΔT=21.94K和Δt=3309s代入相關(guān)公式，得到在加熱過(guò)程中的平均加熱能量W=∑mc×ΔT=4282×21.94J=93947J，功率P1=28.39W。

4 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用帕爾帖效應(yīng)的加熱設(shè)備具有較高的加熱效率。熱泵可以從低溫?zé)嵩次漳芰浚鬟f至高溫?zé)嵩?，可以減少低熵能量(通常所說(shuō)的能源)的使用。帕爾帖芯片在家用熱水器的應(yīng)用中，假設(shè)芯片冷端工作于25℃的室溫且與環(huán)境熱交換良好，熱端加熱溫度為50℃，使用優(yōu)值系數(shù)Z=2.44×103K-1的材料，可達(dá)到的理論效率為COP=1.24[1]。以2000W家用電熱水器為例，使用約10片帕爾帖芯片組成的陣列即可達(dá)到相同制熱效果，耗電功率可低至1600W。

帕爾帖芯片雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其制作復(fù)雜，需要使用特殊半導(dǎo)體材料，價(jià)格較高，而且在提高功率的同時(shí)，效率急劇下降。目前國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)的實(shí)際應(yīng)用COP值早已達(dá)到1.95[2]，采用先進(jìn)技術(shù)的壓縮機(jī)效率達(dá)到了2至5之間。而當(dāng)前帕爾帖效應(yīng)的實(shí)際工作效率較低(一般低于1)，而且隨著溫差增大，效率降低，因此需要材料和技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，促進(jìn)帕爾帖效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。

本文針對(duì)帕爾帖芯片制冷和制熱的應(yīng)用問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于帕爾帖效應(yīng)的熱水器模型系統(tǒng)，并使用微控制器控制系統(tǒng)的升溫和降溫，通過(guò)高分辨率的溫度和電流及電壓的測(cè)量來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)熱量和消耗的電功率，結(jié)果證明帕爾帖效應(yīng)在制熱過(guò)程中具有超過(guò)100%的制熱效率，在移動(dòng)加熱和保溫設(shè)備的設(shè)計(jì)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳振林,孫中泉.半導(dǎo)體制冷器原理與應(yīng)用[J].微電子技術(shù),1999,(5):63-65.

[2] 黃敏.東貝研發(fā)出COP值達(dá)1.95的冰箱壓縮機(jī)車載冰箱壓縮機(jī)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白[J].電器,2004,(12):7.