尚劍鋒，史湘?zhèn)?，劉雪林，陳文?/p>

（中國石油大學(xué)（華東）理學(xué)院，山東青島 266555）

材料是當(dāng)今世界的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，半導(dǎo)體制冷材料就是一種新興的熱門材料。自1834 年法國物理學(xué)家Peltier發(fā)現(xiàn)帕爾帖效應(yīng)［1］至今，半導(dǎo)體制冷技術(shù)得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，憑借其綠色環(huán)保、安全可靠、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成功應(yīng)用于電子、軍事、醫(yī)藥等領(lǐng)域，成為未來制冷技術(shù)發(fā)展的重要方向。對(duì)于半導(dǎo)體制冷材料而言，其自身存在與帕爾貼效應(yīng)工作過程相反的塞貝克效應(yīng)［2］，即溫差發(fā)電效應(yīng)。目前，單獨(dú)的半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)儀和半導(dǎo)體溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀研究較多，且均使用普通直流電源。本文率先提出了利用太陽能供電在同一塊半導(dǎo)體制冷片上實(shí)現(xiàn)制冷與溫差發(fā)電雙重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示，這對(duì)提高學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體材料制冷和溫差發(fā)電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)以及綜合利用太陽能技術(shù)與半導(dǎo)體制冷技術(shù)有著積極的意義［3］。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷又稱溫差電制冷，它是利用帕爾帖效應(yīng)來達(dá)到制冷目的的。半導(dǎo)體的重要特性就是在半導(dǎo)體中摻入一定數(shù)量的某種雜質(zhì)后可以使其導(dǎo)電能力大大提高。

圖1 半導(dǎo)體制冷原理

圖1是半導(dǎo)體制冷原理，P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體夾在金屬板間形成通路，在外電場(chǎng)作用下，P型半導(dǎo)體中的空穴從正極流向負(fù)極，在a 處需要從金屬片上吸收一定的能量，用以提高自身的勢(shì)能，才能進(jìn)入P型半導(dǎo)體，因此該接點(diǎn)處溫度會(huì)降低形成制冷點(diǎn)；而在b點(diǎn)處的空穴需要釋放多余的能量才能進(jìn)入金屬片中，該接點(diǎn)溫度上升，形成放熱點(diǎn)。相反，N 型半導(dǎo)體中的自由電子從負(fù)極流向正極，在c處電子吸收能量形成制冷點(diǎn)，而在d處電子釋放能量形成放熱點(diǎn)，多對(duì)電熱對(duì)串聯(lián)后就能在其制冷面取得較好的制冷效果［4－5］。

1.2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理

半導(dǎo)體溫差發(fā)電是塞貝克效應(yīng)的體現(xiàn)，與帕爾帖效應(yīng)相反，塞貝克效應(yīng)是將熱能轉(zhuǎn)化為電能，圖2為半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理。

圖2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理

如圖2所示，在一對(duì)電熱對(duì)的兩端建立一個(gè)溫差，使高溫端保持Th，低溫端保持Tc，則高溫端就會(huì)向低溫端傳導(dǎo)熱能并產(chǎn)生熱流，一部分熱能在器件內(nèi)部傳導(dǎo)過程中變成電能通過導(dǎo)線輸出，將多對(duì)電熱對(duì)串聯(lián)便可獲得更多電能［6－7］。

2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理

半導(dǎo)體制冷與溫差發(fā)電演示儀結(jié)構(gòu)原理框圖見圖3，裝置主架為有機(jī)玻璃。通過太陽能光伏電池發(fā)出的直流電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并以可充電的鎳氫電池作為積蓄太陽能發(fā)電板的剩余電力的設(shè)備。在電路中設(shè)置一換向開關(guān)，可將半導(dǎo)體制冷片分別與2個(gè)不同的回路相接，分別實(shí)現(xiàn)制冷和溫差發(fā)電的演示。

圖3 裝置原理框圖

演示時(shí)，打開電源開關(guān)，將換向開關(guān)撥向制冷端，半導(dǎo)體片在外電場(chǎng)的作用下，內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)制冷。由DS18b20溫度傳感器采集制冷端表層空氣溫度信號(hào)［8］，通過液晶屏顯示溫度動(dòng)態(tài)變化。DS18b20數(shù)字溫度計(jì)以9位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值，只需要通過一個(gè)單線接口發(fā)送或接收信息，用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無需外部電源。其溫度測(cè)量范圍為－55～＋125 ℃，因此可以很好地滿足測(cè)量需要。半導(dǎo)體散熱手段是影響其制冷效果的重要因素，采用導(dǎo)熱硅膠將制冷片與散熱鋁片粘合在一起，裝置兩側(cè)設(shè)為開放式結(jié)構(gòu)，通過散熱風(fēng)扇加快空氣對(duì)流速度實(shí)現(xiàn)更好的散熱效果。制冷演示結(jié)束，將換向開關(guān)撥向另一端，則半導(dǎo)體與靈敏電壓表串聯(lián)。對(duì)半導(dǎo)體一端加熱，熱能在半導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生電能，電壓大小可由電壓表顯示［9］。

3 電路組成

3.1 太陽能供電電路

供電電路由太陽能電池、太陽能控制器、直流蓄電池、穩(wěn)壓輸出電路組成。太陽能控制器以LM7815集成穩(wěn)壓器為核心組成穩(wěn)壓電路，控制蓄電池對(duì)電能的采集，肖特基二極管防止電壓反沖，保護(hù)蓄電池［10－11］。

3.2 降壓電路

溫度顯示電路控制核心為AT89S52單片機(jī)，其工作電壓為5V，選用LM7805集成穩(wěn)壓器將直流蓄電池12V 輸出電壓降為5V，降壓電路如圖4所示。

圖4 LM7805穩(wěn)壓電路

3.3 溫度顯示電路

溫度顯示電路可顯示制冷過程溫度變化和穩(wěn)態(tài)時(shí)制冷片表層空氣溫度。顯示模塊控制核心為AT89S52單片機(jī)，其P2.2引腳與DS18b20數(shù)據(jù)線相連接、接收溫度傳感器溫度信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后將其溫度值通過LCD1602液晶屏顯示。溫度顯示電路原理圖如圖5所示。

圖5 溫度顯示電路

AT89S52單片機(jī)是一個(gè)低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大，適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。LCD1602液晶屏是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，其使用較為普遍。液晶屏第3腳接一個(gè)10kΩ 的電位器，使用過程中可以通過電位器來調(diào)節(jié)液晶屏的對(duì)比度來實(shí)現(xiàn)良好的顯示效果，圖6為溫度顯示電路實(shí)物圖。

圖6 溫度顯示電路實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 制冷溫度變化

接通電源后半導(dǎo)體開始制冷，LCD1602液晶屏將其表層空氣溫度定量顯示，得到如圖7所示的溫度變化曲線，可以看到溫度在降至約2 ℃后不再變化。

圖7 制冷面表層空氣溫度變化曲線

電源接通后，半導(dǎo)體上下兩端會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端［12］。但是半導(dǎo)體自身存在電阻，當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱量，從而會(huì)影響熱傳遞，而且2個(gè)極板之間的熱量也會(huì)通過空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時(shí)，就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，正逆向熱傳遞相互抵消。此時(shí)冷熱端的溫度就不會(huì)繼續(xù)發(fā)生變化。如果采取更好的散熱方式降低熱端的溫度就可建立新的平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更為理想的制冷效果。

4.2 溫差發(fā)電數(shù)據(jù)與分析

為了探究半導(dǎo)體發(fā)電片的發(fā)電性能，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在室溫為23.3℃的情況下，用不同溫度的熱源對(duì)熱端加熱，得到如圖8所示的發(fā)電數(shù)據(jù)。

圖8 溫差發(fā)電的電壓－溫度曲線

從圖9中可以看出，在散熱端溫度基本不變的情況下，發(fā)電電壓與發(fā)電片兩端溫度成線性關(guān)系［9］，關(guān)系式［5］為

其中Th為熱端溫度，Tc為冷端溫度，αs為半導(dǎo)體材料塞貝克系數(shù)。由圖8曲線可看出，溫差對(duì)塞貝克系數(shù)有一定影響［13］，溫差較大的情況下塞貝克系數(shù)較大。

5 結(jié)束語

研制的演示儀綜合了半導(dǎo)體制冷及溫差發(fā)電兩種效應(yīng)，對(duì)其制冷效果及發(fā)電性能進(jìn)行了定量顯示，演示效果明顯。裝置采用太陽能供電，無需外加電源，展現(xiàn)了太陽能技術(shù)與半導(dǎo)體制冷技術(shù)聯(lián)合利用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于綠色環(huán)保的新技術(shù)的認(rèn)識(shí)和推廣有著積極意義。

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