金 碩，馮錦新，黃江常，郭 欣，方利國(guó)，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(yáng)能半導(dǎo)體制冷制熱機(jī)構(gòu)的探究

金 碩，馮錦新，黃江常，郭 欣，方利國(guó)，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(jì)新型半導(dǎo)體制冷制熱機(jī)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(jìn)行大量性能探究實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了FLUENT數(shù)值模擬以及實(shí)物建模，對(duì)裝置的整體性能進(jìn)行了深入分析。研究表明新型裝置能夠應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)與生活的中小型制冷場(chǎng)合，并以新型裝置為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出新型的節(jié)能型小型飲水機(jī)與節(jié)能型空調(diào)的模型。

半導(dǎo)體制冷；太陽(yáng)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(dòng)，不僅消耗電能，還對(duì)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(duì)環(huán)境無(wú)破壞，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1]。與現(xiàn)階段的機(jī)械制冷相比，半導(dǎo)體制冷更具特色，操作簡(jiǎn)便，無(wú)噪音，極易控制，能快速制冷，緊湊占用空間很小[2]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果，對(duì)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(jì)優(yōu)化[6]、熱端散熱與冷量利用[7-8]等。而以太陽(yáng)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(jì)出新型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷裝置并對(duì)其進(jìn)行性能分析。此外，在半導(dǎo)體制冷實(shí)際應(yīng)用方面，設(shè)計(jì)新型的半導(dǎo)體制冷裝置進(jìn)而應(yīng)用于實(shí)際小型制冷場(chǎng)合具有十分有希望的研究前景。盧鏡明等[10]對(duì)半導(dǎo)體制冷用于房間空調(diào)器進(jìn)行了節(jié)能性研究，說(shuō)明半導(dǎo)體制冷應(yīng)用于實(shí)際小型制冷場(chǎng)合的可行性與優(yōu)越性。

本項(xiàng)目為新型太陽(yáng)能水冷式半導(dǎo)體制冷機(jī)構(gòu)，以太陽(yáng)能供能，經(jīng)過(guò)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(duì)應(yīng)。在實(shí)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(yáng)能，既實(shí)現(xiàn)制冷制熱，又能達(dá)到節(jié)能減排的目的。在本套裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出的新型節(jié)能型飲水機(jī)、空調(diào)模型可進(jìn)一步代替現(xiàn)有的飲水機(jī)及空調(diào)，不僅適用于小型制冷場(chǎng)合，更能有效利用太陽(yáng)能，利用半導(dǎo)體制冷的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以太陽(yáng)能為主要能源，核心部件為六邊形制冷器(見(jiàn)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(guò)，整套裝置配有管道、循環(huán)水泵、小型冷卻塔、閥門(mén)和測(cè)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(jiàn)圖2。

實(shí)際工作時(shí)，半導(dǎo)體制冷片在太陽(yáng)能電池板供能下進(jìn)行制冷制熱，半導(dǎo)體制冷片冷端通過(guò)大量翅片與周?chē)諝鈸Q熱進(jìn)行制冷。制冷片熱端在循環(huán)水的作用下進(jìn)行冷卻，循環(huán)水在水泵閥門(mén)的作用下在裝置內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，并通過(guò)以噴頭和水箱構(gòu)成的小型涼水塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)水的冷卻。測(cè)溫系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)出半導(dǎo)體冷熱端溫度變化以及進(jìn)出口水溫變化，并進(jìn)行反饋。在本套制冷裝置中，由于在無(wú)限大空間內(nèi)制冷，冷端溫度在室溫溫度上下波動(dòng)較小。實(shí)驗(yàn)中，可選擇室溫恒定的條件下工作，因此熱端散熱問(wèn)題是影響制冷效率的關(guān)鍵問(wèn)題[11]，因此主要對(duì)熱端散熱問(wèn)題進(jìn)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(duì)設(shè)計(jì)裝置的性能進(jìn)行初步預(yù)測(cè)：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(shí)，隨著流速的增加，其熱端溫度將會(huì)降低；當(dāng)循環(huán)水達(dá)到湍流狀態(tài)時(shí)，可以推測(cè)熱端冷卻可以達(dá)到很好的效果。根據(jù)以上推測(cè)，進(jìn)行了下面的數(shù)值模擬。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M及優(yōu)化

2.1 FLUENT模擬結(jié)果

根據(jù)以上推測(cè)，對(duì)當(dāng)前裝置中的散熱銅塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)物建模，對(duì)實(shí)物模型在不同條件下進(jìn)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(gè)方面，模擬后根據(jù)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，對(duì)當(dāng)前裝置性能進(jìn)行總結(jié)，對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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?cè)诓煌瑹岫藷崃髁?、不同循環(huán)水流速的參數(shù)下進(jìn)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(guò)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(cè)到制冷量將會(huì)達(dá)到較好效果，可滿足實(shí)際小型制冷場(chǎng)合，擁有應(yīng)有價(jià)值。

2.2 裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)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(jiàn)圖8)，減少流動(dòng)死區(qū)、內(nèi)凹槽(見(jiàn)圖9)，使傳熱均勻，以及內(nèi)螺紋(見(jiàn)圖10)，破壞邊界層。根據(jù)對(duì)三種優(yōu)化方式的模擬和計(jì)算，三種方案均可實(shí)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(duì)散熱銅塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)增加表面積、粗糙度等方式使循環(huán)冷卻水在流過(guò)散熱部件時(shí)達(dá)到湍流狀態(tài)，進(jìn)而及時(shí)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(jì)

3.1 新型節(jié)能型飲水機(jī)模型設(shè)計(jì)

以已有新型節(jié)能型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷裝置為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)新型節(jié)能型飲水機(jī)模型。該模型以太陽(yáng)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(jī)的制冷制熱部件中，模型如圖11。

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

如圖所示，在實(shí)際工作過(guò)程中，水桶中的水在壓力作用下進(jìn)入儲(chǔ)水箱中，儲(chǔ)水箱中水從冷熱管道中進(jìn)入半導(dǎo)體制冷裝置中。熱水管道通過(guò)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(jìn)入電加熱部分繼續(xù)加熱，直至合適溫度后進(jìn)入熱水箱中儲(chǔ)存，可直接飲用，此時(shí)，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(guò)半導(dǎo)體制熱裝置進(jìn)行預(yù)熱，緊接著再進(jìn)入下一部件進(jìn)行進(jìn)一步的加熱處理；冷水管道中的水通過(guò)六邊形銅塊的空心部分進(jìn)行冷卻，冷卻后的水進(jìn)入冷水箱中儲(chǔ)存，可直接飲用。該型飲水機(jī)適用的場(chǎng)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(jì)

在當(dāng)前裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，我們提出了空心半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(見(jiàn)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(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)在空調(diào)上的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)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(jī)以熱管為主要部件，對(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻。工作過(guò)程中，半導(dǎo)體在太陽(yáng)能供能下進(jìn)行工作，半導(dǎo)體制冷端的冷量通過(guò)大量翅片以及風(fēng)扇的作用與周?chē)諝鈸Q熱，進(jìn)行制冷；半導(dǎo)體制熱端通過(guò)循環(huán)水的作用進(jìn)行冷卻，同時(shí)，循環(huán)水通過(guò)外機(jī)中的熱管結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，當(dāng)循環(huán)水通過(guò)外部散熱機(jī)構(gòu)時(shí)與熱管進(jìn)行換熱，熱管上裝有大量翅片與空氣進(jìn)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(jī)熱管冷卻模型Fig.14 Air conditioning external heat pipe cooling model

該半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行高效換熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(yáng)能充足的地區(qū)，且適用于小型制冷場(chǎng)所，例如汽車(chē)空調(diào)。

該新型節(jié)能型飲水機(jī)與新型節(jié)能型空調(diào)雖然是在理論上進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，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(shí)際生產(chǎn)將逐漸成為可能，應(yīng)用于實(shí)際制冷場(chǎng)合當(dāng)中。同時(shí)，該模型設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)整套裝置的模擬、實(shí)驗(yàn)和分析，對(duì)整套裝置的基本性能有了全面的了解，該設(shè)計(jì)的核心部件六邊形銅塊設(shè)計(jì)新穎巧妙，能夠有效的導(dǎo)熱，實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)極大化，能夠?qū)Ξ?dāng)前裝置進(jìn)行優(yōu)化。

目前，國(guó)內(nèi)幾家主流飲水機(jī)廠家的飲水機(jī)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(jī)制冷式)。按上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，常規(guī)飲水機(jī)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(tái)常規(guī)冷熱飲水機(jī)的耗電量約1.3～1.7kW·h/24h。而常用小型車(chē)用空調(diào)功率為500W，假設(shè)每小時(shí)間歇工作30min，一天運(yùn)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(guó)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(tái)家用飲水機(jī)一天約產(chǎn)生1.2961-1.6949kg CO2，一臺(tái)家用空調(diào)一天約產(chǎn)生0.4985kg CO2。若采用我們?cè)O(shè)計(jì)的新型太陽(yáng)能節(jié)能型冷熱兩用飲水機(jī)及新型太陽(yáng)能節(jié)能型空調(diào)，將采用太陽(yáng)能供電，且通過(guò)半導(dǎo)體制冷方式，提高效率，降低能耗，實(shí)現(xiàn)CO2低排放甚至零排放，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

實(shí)際應(yīng)用中，可適用于中小型制冷場(chǎng)合，其節(jié)能與減排效果仍然顯著。其中，對(duì)于新型太陽(yáng)能節(jié)能型冷熱兩用飲水機(jī)，其同時(shí)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(jī)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(guò)了100%[14]。

5 結(jié)論

本裝置在以上實(shí)驗(yàn)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ΓS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(diǎn)：

(1)本裝置通過(guò)對(duì)六邊形空心零件的合理設(shè)計(jì)，使得整套系統(tǒng)緊湊合理，在有限的空間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多塊半導(dǎo)體制冷片的同時(shí)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(jì)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(jì)出空心圓柱形半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其有望成為未來(lái)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)；

(3)在實(shí)驗(yàn)和模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前裝置進(jìn)行了高效換熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)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(jìn)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(jì)出新型太陽(yáng)能節(jié)能型冷熱兩用飲水機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)該結(jié)構(gòu)實(shí)行初步建模，該飲水機(jī)結(jié)構(gòu)極具發(fā)展?jié)摿?，在部分地區(qū)有望替代當(dāng)前飲水機(jī)；

(5)通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體與六邊形零件的一體化設(shè)想，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)出了新型太陽(yáng)能節(jié)能型空調(diào)結(jié)構(gòu)，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guò)控制不同循環(huán)水流量、工作電流等變量進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而得出在循環(huán)水達(dá)湍流狀態(tài)下裝置達(dá)到最好的水冷散熱效果。因此，為使循環(huán)水達(dá)湍流狀態(tài)，將散熱部件內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)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(jì)。以此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出新型節(jié)能型半導(dǎo)體制冷小型飲水機(jī)、空調(diào)設(shè)計(jì)模型，其擁有十分可觀的應(yīng)用前景。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)階段人們對(duì)飲水機(jī)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(chǎng)合難以達(dá)成想要的產(chǎn)品，而本節(jié)能模型，恰能解決這些疑難。

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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(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)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(xiàn)標(biāo)示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.003