太陽能半導體制冷技術的發(fā)展與全景
太陽能制冷具有很好的季節(jié)匹配性，即天氣越熱，太陽輻射越好，系統(tǒng)制冷量越大。這一特點使太陽能制冷技術受到重視和發(fā)展。實現(xiàn)太陽能制冷有“光-熱-冷”、“光-電-冷”、“光-熱-電-冷”等途徑。太陽能半導體制冷是利用太陽能電池產生的電能來驅動半導體制冷裝置，實現(xiàn)熱能傳遞的特殊制冷方式，其工作原理主要是光伏效應和帕爾貼效應。
太陽能驅動的半導體制冷系統(tǒng)，結構緊湊，攜帶方便，可以根據用戶需要做成小型化的專
用制冷裝置。它具有使用維護簡單，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。另外，利用帕爾貼效應的半導體制冷系統(tǒng)與一般的機械制冷相比，它不需要泵、壓縮機等運動部件，因此不存在磨損和噪聲。它不需要制冷劑，因此不會產生環(huán)境污染，也省去了復雜的傳輸管路。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，使得人們對太陽能半導體制冷技術產生了濃厚的興趣。
目前太陽能半導體制冷系統(tǒng)的效率還比較低，系統(tǒng)的一些重要技術問題還有待深入研究。
1 太陽能半導體制冷的工作原理和基本結構
半導體制冷是利用熱電制冷效應的一種制冷 方式，因此又稱為熱電制冷或溫差電制冷。半導體制冷器的基本元件是熱電偶對，即把一個p 型半導體元件和一只 n型半導體元件連成的熱電偶。
當直流電源接通，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，產生低溫，這就是半導體制冷的工作原理。太陽能半導體制冷系統(tǒng)就是利用半導體的熱電制冷效應，由太陽能電池直接供給所需的直流電，達到制冷制熱的效果。
太陽能半導體制冷系統(tǒng)由太陽能光電轉換器、數控匹配器、儲能設備和半導體制冷裝置4部分組成。太陽能光電轉換器輸出直流電，一部分直接供給半導體制冷裝置，另一部分進入儲能設備儲存，以供陰天或晚上使用，以便系統(tǒng)可以全天候正常運行。
太陽能光電轉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，太陽能光電轉換器把照射在它表面上的太陽輻射能轉換成電能，供整個系統(tǒng)使用。
數控匹配器使整個系統(tǒng)的能量傳輸始終處于最佳匹配狀態(tài)。同時對儲能設備的過充、過放進行控制。
儲能設備一般使用蓄電池，它把光電轉換器輸出的一部分或全部能量儲存起來，以備太陽能光電轉換器沒有輸出的時候使用，從而使太陽能半導體制冷系統(tǒng)達到全天候的運行。
2 太陽能半導體制冷的關鍵問題
太陽能制冷系統(tǒng)最大的不足是制冷效率較低，同時成本也較高。這嚴重影響了太陽能制冷系統(tǒng)的推廣和應用。若提高和改善太陽能制冷系統(tǒng)的性能，要從下列幾個關鍵問題入手
（1）改善半導體制冷材料的性能
太陽能半導體制冷系統(tǒng)的核心在于半導體制冷材料，半導體制冷系統(tǒng)效率較低的主要原因在于半導體制冷材料熱電轉換效率不高。
最終決定熱電材料性能優(yōu)劣的是優(yōu)值系數 Z 其中：α—半導體制冷元件的塞貝克系數；
R—制冷元件的電阻；
Kt—制冷元件的熱導率。
優(yōu)值系數Z和溫度T的乘積ZT，是評價材料 性能的常用參數。就半導體制冷而言，如果其制冷性能要達到能和機械制冷相媲美，無量綱參數ZT， 要達到3以上。目前各國普遍使用的半導體材料遠達不到這種水平。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，如何改進材料的性能，尋找更為理想的材料，成為了太陽能半導體制冷的重要問題。
（2）系統(tǒng)的能量優(yōu)化
太陽能半導體制冷系統(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)定可靠地運行是十分重要的問題。光電轉換效率和制冷效率是衡量能量損失的主要指標。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是最重要的運行參數。目前，半導體制冷裝置的COP一般約0.2～0.3，遠低于壓縮式制冷。經過試驗研究發(fā)現(xiàn)，冷、熱端溫差對于半導體制冷的效率有很大的影響，通過強化熱端散熱方法能使半導體制冷系統(tǒng)性能得到很大的改善。
（3）系統(tǒng)運行的有效控制和優(yōu)化匹配
與一般的制冷設備不同，太陽能半導體制冷系統(tǒng)受太陽輻射和環(huán)境條件影響，系統(tǒng)工況一天內往往有很大的變化。因此在太陽能半導體制冷系統(tǒng)中，除
了太陽能電池和半導體制冷裝置外，還需配備蓄電池和數控匹配器。蓄電池是保證太陽能制冷系統(tǒng)連續(xù)運行的重要條件。
數控匹配器使太陽能電池陣列輸出阻抗與等效負載阻抗匹配，使功率輸出處于最佳狀態(tài)，同時對儲能設備的過充、過放進行控制。要實現(xiàn)整個能量傳遞環(huán)節(jié)在最優(yōu)工況下進行，保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和高效率，就必須對整個系統(tǒng)的運行進行有效的控制。因此，選擇合適的儲能設備、研制有效的控制器對整個太陽能制冷系統(tǒng)來說是非常重要的。
另外，提高太陽能電池轉換效率問題，同樣是實現(xiàn)太陽能制冷系統(tǒng)大規(guī)模應用的重要問題。
3 太陽能半導體制冷技術的現(xiàn)狀和應用前景
雖然，目前太陽能半導體制冷綜合系統(tǒng)的實際應用還不多見，但是已有很多學者展開了相關研究和分析，并取得了不少成果。
A De Vos 使用內可逆熱力學方法對太陽能電池的光電轉換效率成功進行了解釋和探討。
C B Vinning 用熱力學類比方法研究了熱電制冷過程。，T Hara等對太陽能半導體制冷帽進行了系統(tǒng)研究。V C Mei等對一種太陽能輔助半導體汽車空調進行了系統(tǒng)的分析。沙特的sofrata著重討論過用于沙漠地區(qū)的太陽能半導體制冷裝置的散熱方式有效性問題。鄒今平對一種用于保存疫苗的太陽能電源冰箱系統(tǒng)電力匹配特性進行了分析。代彥軍等對太陽能光伏系統(tǒng)驅動的半導體冰箱進行了系統(tǒng)試驗研究和理論分析，并獲得了專利。這些工作在一定程度上都推動了太陽能半導體制冷系統(tǒng)的發(fā)展，為進一步擴大應用奠定了基礎。
目前，太陽能電池的價格呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。單晶硅太陽能電池得到了很大發(fā)展，發(fā)電效率已經達到了15％。價格更低廉的多晶硅太陽能電池也發(fā)展很快?；诒∧ぜ夹g的第二代和第三代太陽能電池的出現(xiàn)，大大地推動了太陽能電池產業(yè)的發(fā)展。與此同時，半導體工業(yè)也得到了快速的發(fā)展，熱電材料的優(yōu)值系數有了很大的提高，并出現(xiàn)了一些有希望的新型材料（例如Skutterudites結構材料、薄膜及納米材料等）。2001年美國RTI研究所將Bi-Te基合金制備成超晶格薄膜，在300K的溫度下其ZT值達到2.4。熱電材料的價格也逐年下降。這些都將使太陽能半導體制冷系統(tǒng)的成本大幅度下降，并且性能也將有顯著提高，為太陽能半導體制冷系統(tǒng)的推廣應用奠定了基礎。可以預見，在不遠的將來，清潔、無噪音的各式太陽能半導體制冷系統(tǒng)將進入千家萬戶。
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