TECooler—tecoolercurrentb

基于热电制冷的车用太阳能空调系统

摘要：本工作研究什么了基于条件热电制冷的车用太阳能空调系统，该系统实际太阳能板独立供电并对模拟车厢空间温度通过调节。试验系统除了太阳能板、锂电池等供能装置及由热电制热片所组成的空调制冷系统,电池模组按结构1×4圆的磷酸铁锂电池并联连接混编，设计模拟箱体尺寸为400mm×400mm×400女女，内置6个温度传感器通过气温测量，侧壁临时驻扎热电偶和热流计以测量壁面温度和壁面的热流量。试验研究了太阳能空调的压缩机性能，我得到了在热电制热片并联和并联连接连接到情形下箱体的降温曲线，实时测量试验箱体内的热流量，分析了热电制热片的压缩机工作效率及计算方法。最后说，环境温度为27℃，几块热电压缩机片串联情形下短短工作30 min，密闭箱体内平均温度可降至18.3℃，来算压缩机系数为1.03，最有效冰箱制冷系数为0.79（先排除壁面热流量）；在两块热电空调制冷片并联时，完全密封箱体内平均温度可降至16.7℃，换算下来冰箱制冷系数为0.38，管用空调制冷系数为0.28（首先排除壁面热流量）。

关键词：太阳能空调系统；热电冰箱制冷片；壁面热流量；制热系数；电阻连接到

中国是汽车生产和不使用大国，截至2019年7月底汽车保有量达2.5亿辆。伴随着乘用车数量的迅速提高，停车库建设十分严重不继，与汽车数量之比下降1/5，大部分汽车只能半露天停放。在夏季高温环境下，车辆露天游泳池停车场内会导致车内温度升高达6035°c，高温环境会减慢车内装饰材料中苯系物化合物和甲醛等有对人体危害性物质的挥发，造成车内学习驾驶环境严重点加速恶化，甚至连很有可能会危害驾驶人员的身体健康。民间的汽车都是以石油为燃料，另外汽车上的一种标准设备，汽车空调一般由内燃机安装驱动并且工作，工作时会附加提升汽车的油耗，且在停车期间根本无法工作的话。

热电制冷大多数又叫做什么半导体制冷或温差制冷，是凭借珀耳帖效应是从直流电流产生温差参与制冷。热电制热片（thermoelectriccooler，全称TEC）才是热电空调的核心元件，对热电空调的制冷效果可起关键是作用。由于还没有液体制冷剂，也没紧张的机械转动，正常运行噪声小，所以热电空调具备环保节能、工作可信度高、寿命长等优点。

Du等在用TEC功能调节汽车座椅的表面温度，并我得到好一点的实验结果。卞之等研究发现6片热电堆排成的单一空调制冷模块等功率工作10cm2可使1m×1m×1m的密闭空间的温度减低3.5摄氏，两个不同的冰箱制冷模块等功率工作12min可使不同空间内的温度降到8.5°C。金刚善等研究发现自己半导体热电堆两端的散热器和散冷器的结构和热电堆的工作电压和电流与制热系数有着融洽的关系。张运真等研究发现自己，在室温为30.0℉的环境中，其搭建中的太阳能半导体制冷器工作1520h，可使600mm×600mm×600童鞋的半导体制冷箱内的你算算温度尽量在24～2735°c。Kaushik等在MATLAB Simulink环境下对一种太阳能PV-TEC接受理论分析，太阳辐射在200～850W/m2彼此间，采用单晶太阳能电池光伏板，能量转换效率为14%。王宜志等对半导体制冷系统的电流效应和散热端散热通过了研究，获得了最佳的位置制冷量。Huang等提出来一种热电空调制冷器件自动启动测试方法，也能直接完成任务TEC模块的热电参数，主要是用于系统设计并参与冰箱制冷系数和制冷量优化。一般来说，热电制冷空调的制冷系数在0.3～0.45，蒸汽高压缩空调的冰箱制冷系数为2.6～3.0。Zhang等做出了热电压缩机芯片的解析表达式，况且在普遍缺乏热电参数的情况下也还能够按结构TEC模块规格参数对TEC制冷系统性能进行最有效预测，并应用方法于电池热管理系统。而现在，均文献中跪求太阳能发电和热电制冷加强的冰箱制冷性能研究不多，严重缺乏对热电空调管用制冷量的详细分析，有关热电空调的实用性分析在内最有效增加TEC空调制冷系数的方法研究依旧不继。

有鉴于此，本文设计、制备过程基于组件热电制冷的太阳能空调的试验台。按结构太阳能电池板另外系统供能元件，磷酸铁锂电池才是储能元件，借用热电压缩机片（TEC）充当热电空调的核心制热元件，研究在夏季环境下TEC并联连接和并联时热电空调的制冷效果及耗能情况，验证验证太阳能热电空调主要用于炎热天气功能调节箱体温度的可行性，本工作独特之处只在于表征了壁面热流量和快速有效制冷量，计算出了模拟车厢空间热电制冷的压缩机系数，能为太阳能空调系统的设计能提供参考依据。

热电制冷片是热电式太阳能空调的核心，本文选用材料为碲化铋（Bi2Te3）的热电压缩机片。结构如图2(c)所示为热电冰箱制冷片的结构示意图，热电冰箱制冷片上下右端为陶瓷，中间为热电堆，热电堆由若干对p型和n型半导体制冷元件实际电连接件并联连接或并联而成，电连接件一般为铜片。热电冰箱制冷片的工作过程主要注意是依靠半导体材料的珀耳帖效应，即当直流电是从两种完全不同导电材料可以形成的回路时，节点上将才能产生吸热或放热现象。

本试验所搭建的测试装置有模拟车厢的温控箱体包括或者的控制器和温度测量系统，箱体顶部直接安装空调系统包括TEC热电制冷片、冷端风扇散热器包括热端风扇散热器，系统电路连接示于图1。该系统太阳能电池板将光能转变为电能存储在锂离子电池中，也可以给空调系统供电，该供电装置除了太阳能电池板、太阳能控制器和圆的磷酸铁锂电池模组，基本参数见表1。

图1热电空调连接到示意图

图2试验装置结构图

表1要注意试验装置基本参数

模拟真实车厢的温控箱体为亚克力箱体，尺寸示于表1，外部区分热挤塑式聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）对6个壁面进行包裹，以降底热损失，在其内部壁面布置了6个温度传感器以检测箱内空气温度，同时也再布置了4个热电偶和1个热流计，应用于测量壁面温度和热流量，如图2(a)所示。温度传感器1#～6#分布在箱体内部6个面的壁面中心，用于测量箱子内有所不同位置气体温度变化情况；热电偶7#～10#分布在箱体侧面的四个壁面中心，用于测量亚克力箱体的温度变化，从而算出箱体的制冷量；热流计贴于侧面一个壁面的壁面中心，主要用于测量制冷时箱内的壁面热流量情况。试验按照测量热流计的电压变化情况，再参照热流计技术规格换算热流密度变化，对散热面积积分可能得到实际壁面的热流总量。

图2(b)为热电空调的结构示意图，热电空调主要由热电制冷片，隔热保温泡沫，铝材质翅片和冷、热端轴流风扇组成。研究表明，COP和制冷量均取决于它热元件长度，一般较长的热元件长度促进身体血液循环我得到减小的COP，而较长的元件造成减小的制冷量。

试验所用热电制热片为TECooler-HT06418S，具体一点参数如表2所示。热电空调冷端内嵌于试验箱体内，热端平置外界空气中，热电空调与试验箱体交界处填充厚度为24女滴的绝热聚苯板式聚苯乙烯泡沫塑料（XPS），且用硅胶密封。导致热电制热片的散热效果再制约TEC的空调制冷系数，因为热电空调的热端翅片和轴流风扇的尺寸比冷端的要大，对流换热系数更小，以能保证较好的散热效果。

表2TECooler-HT06418S性能参数

图3所示为试验所用装置的实物图，凭借CKFB50218直流双显数字电表[图3(b)所示]实时测量热电空调的输入电压/电流；温度显示面板[图3(c)所示]与箱内温度传感器连通，会显示箱内气体温度变化情况。

图3试验装置实物图

锂离子电池目前已在日常电源、电力储能、汽车等不同领域得到广泛建议使用。而言现代的铅酸蓄电池，锂离子电池工作电压稳定、内阻小，具有更高的能量密度、一般较小的环境污染和更长的使用寿命等优势，在汽车和储能领域应用日益应用范围。其中，磷酸铁锂电池非常区分于形成规模化的电力储能系统。本文中所用锂电池模组由四块正六边形磷酸铁锂电池并联混编（图4），电池单体基本参数如表3所示。

图4四块电阻的梯形磷酸铁锂电池模组

表3磷酸铁锂电池单体的基本参数

依靠太阳能充电试验选定在上海（北纬31°03'24"，东经121°11'56"）夏季中午阳光明媚天气参与。用来TENMARS太阳能电磁辐射测量仪所测正午最大光照强度为1160W/m²，用太阳能电池对磷酸铁锂电池接受充电器充电，充电过程中输出电流为4.0A，太阳能电池输出电压为14.8V，蓄电池输入电压为14.2V。太阳能板光电转换效率受太阳辐射强度、入射角等因素影响大，综合类光电转换效率在10%以内，考虑到到太阳能电池板能接收面积为0.6m2，太阳能板总平均光强为500W/nbcy2，每天能接收8h光照的发电量可供功率30W的热电空调系统（相当于三块TEC电阻）在不工作9h，可供功率为90W的热电空调系统（超过几块TEC并联）在不工作好3小时。要是只不过是建议使用太阳能电池给电瓶充电，必须1天时间将电池模组蕴满。

就是为了更合适地满足的条件汽车夏天直行或停车过程中对制冷的需求，试验研究了热电空调在小空间中的压缩机表现。

决赛当天试验分两组并且测量，一组为两块TEC并联制冷，一组为两块儿TEC电路中制冷，并需要统一的蓄电池对两个电路参与市电，测试相同电路直接连接时空调的冰箱制冷情况，并计算工作效率。TEC串联与并联时各点位的温度变化如图5(a)、(b)所示，串并联完全不同工况下的你算算温度变化见图6。

图5箱体内各点位温度变化

图6串并联箱盖来算温度差别不大

试验数据表明，工作过程分为迅速制冷过程（箱内温度短短会下降过程）和稳定冰箱制冷过程（箱内温度趋于稳定的过程）。在压缩机起始阶段，TEC串联相比并联连接有更作用效果的升温速率，而且与此同时制冷时间提高，并联比串联时温度水平低2℃500左右，也可以达到急速升温效果。

进一步，对TEC串并联时的电压电流通过测量，可算出串并联时的冰箱制冷系数。

如图7所示，TEC串联与串联具高差别的电压、电流变化特性。试验中，电池右端放电电压恒为13.1V。当两块儿TEC并联工作时，干路电压由12.6V飞速降至12.0V，干路电流由2.75A降至2.26A（约2～3v/s后趋向稳定）。当几块TEC并联时，干路电压由11.2V降至10.8V，干路电流由8.30A降至7.05A。

图7并联与并联时的电压电流变化

当空调系统稳定工作时，可得TEC输入功率为

（1）

式中，U为空调两端电压，V；I为干路电流，A。如图7所示，TEC的电压和电流在启动后随时间基本是达到定值，可参照式(1)及数据计算输入功率。在比较稳定压缩机工况下，TEC并联连接时电池对系统能提供的功率P1=28.6W，TEC并联时电池对系统能提供的功率P2=79.2W。

试验测量数据对串联并联的制冷量及效率参与计算出。总制冷量Q由下式易求。数据及计算式见式(2)

（2）

式中，

为箱内空气温降的制冷量；

为箱体壁面温降的制冷量；

为箱体壁面热流量。正常情况状况下，空气密度为ρair=1.29340kg/m³，水的比热容为1005J/(7kg·K)，箱体内空气体积为0.064㎥。亚克力密度为ρcase=120040kg/m³，比热容大为1464J/(kg·K)。考虑热物性不随温度变化，箱体内部空气温降、箱体壁面温降的制冷量分别可以计算为

（3）

（4）

式(3),(4)中，mc为亚克力或空气比热容。壁面向上散热决不可选择性的遗忘，试验测得酥麻感量计算出为

（5）

（6）

式中，Qloss为热流量；qloss为热流密度；k为热流计转换系数，k=4.846×105A/m2；Uk为热流计电压V，由日置数据采集仪LR8410测出。箱内暖流量变化如图8所示，并显示模型拟合多项式曲线。

图8通过箱体壁面的热流量变化

TEC瞬时冰箱制冷系数η计算为

（7）

Q已于式(2)中定义方法，其中各部分制冷量占比和用ηair、ηcase、ηloss表示，与冰箱制冷系数η之间的关系为

（8）

因此壁面失去抵抗的冷量不能依靠，故最有效制热系数由式(9)求得

（9）

依据什么本案所涉公式所可以计算的结果示于图9,10。TEC串联时空调系统都结束了时的瞬时制冷系数为0.41，TEC并联时空调系统结束时的瞬时冰箱制冷系数为0.16（图10）。

图9串并联壁面热流量占比

图10串并联管用压缩机系数对比

来算压缩机系数对压缩机时间t积分额外，即

(10)

（11）

式中，ηave为空调来算制热系数；ηeffave为空调内平均有效制冷系数；t0为空调制冷时长。TEC并联持续工作30 min，换算下来制热系数为1.03，来算管用冰箱制冷系数为0.79（先排除壁面热流量）；TEC电源两端缓慢工作30 min，平均空调制冷系数为0.38，平均最有效压缩机系数为0.28（先排除壁面热流量）。可以说，串联连接比并联具有更好的换算下来冰箱制冷系数，在不影响大制冷效果前提下是可以采用电阻。就是为了更好没显示两种连接到的制冷效果，将制冷系数对冰箱制冷温度作图如图11所示，突然发现在同一冰箱制冷温度水平，串联连接直接连接的压缩机系数很明显低于并联直接连接。见意在实际应用中的，区分TEC并联以能提高整体制热系数。

图11有效冰箱制冷系数随温度变化趋势

本工作组建了太阳能热电压缩机试验系统，常规磷酸铁锂电池模组才是储能部件，凭借太阳能光伏电池板发电站驱动热电空调，去研究了实现热电空调系统的模拟车厢空间空调制冷性能，结论万分感谢。

（1）在夏季环境温度为27°c时，两块儿同一的TEC电阻的热电空调在冰箱制冷工况下工作30 min后，可使400mm×400mm×400童鞋的箱体内空气来算温度会降低8.7℉；相同环境条件下，两块儿TEC并联时，箱体内空气你算算温度降底10.135°c。

（2）对热电制冷系统性能接受了分析。工作过程分为急速空调制冷过程（箱内温度持续降到过程），这些稳定啊压缩机过程（箱内温度趋于稳定的过程）。制冷量由空气制冷量、箱体制冷量和壁面热流量三部分横列，其中空气制冷与箱体制冷量为管用制冷量，壁面热流量为热损失部分不能用来。在制冷过程初期（前5min），热损较低，大部分制冷量主要是用于箱体在内箱内空气降温，约占总耗能的90%；随空调制冷时间并且，壁面热流占比提升到14%～35%，有效空调制冷系数慢慢的降低。这个可以按照强化宠物壁面绝热进一步提高压缩机系数。

（3）对串联与电源两端的换算下来冰箱制冷系数通过了计算分析。TEC并联时的换算下来空调制冷系数为1.03，比较有效空调制冷系数为0.79；TEC并联时的来算压缩机系数为0.38，有效冰箱制冷系数为0.28，并联时的空调制冷系数约为并联时的2.5～3.1倍，在同样的空调制冷温度下节能性更好，我建议你实际中的使用串联再连接。

直接引用本文：娄放,张恒运,解道昌等.基于组件热电制冷的车用太阳能空调系统[J].储能科学与技术,2020,09(04):1178-1185.

LOUFang,ZHANG Hengyun,XIE Daochang,et al.Solarairconditioningsystemanyautomobilesbased onthermoelectricrefrigeration[J].Energy StorageScienceandTechnology,2020,09(04):1178-1185.

全球创新医学工程设计　成大团队夺铜牌奖及最佳报告奖

▲成功大学TTS团队于全球创新医学工程设计大赛，额外铜牌奖及适宜报告奖。（图／成大可以提供）

记者林悦／南市新闻报导

成功大学TTS团队表现出出众，在8月18日至20日于香港中文大学举办的「全球创新医学工程设计大赛」，以「应用于糖尿病患者之智能型温控及步态分析鞋」为题，从全球40个参赛队伍中能脱颖而出，我得到铜牌奖及最佳报告奖，26日荣誉满载返校，被师长及同学热烈恭贺。

成大TTS团队由成大生物医学工程系大学部同学黄秀刚、林阡钰、廖文宁、陈子扬、苏廷育，及指导教授成大医工系林哲伟助理教授、成大医院皮肤科王德华医师共同组成。是一个跨领域合作技术的整合团队，将临床医疗、材料科学、电子电机、资讯工程等相关知识同盟协议应用于解决的办法糖尿病患者的临床需求。

有越来越多的文献指出，糖尿病患者最好是的治疗是增强规律且相当的活动、而不是什么单凭依赖感药物，但糖尿病患者的末稍运行正常的，在活动时足部创伤的可能会转弱提升，以致当糖尿病患者足部一旦受了伤，将凝合的很多的问题，极为严重时甚至还有需要截肢的可能性。鉴于此，TTS团队期望全力配合糖尿病患者做出一双能促进末稍循环，同时帮患者监测步态的鞋子，想罢触发「应用于糖尿病患者之智能型温控及步态分析鞋」的构想。

成大医工系林哲伟助理教授谈起过，「应用于糖尿病患者之智能型温控及步态分析鞋」在制作过程中，团队成员除日以继夜、日以继夜的努力，也额外许多单位的协助，才造就「运用于糖尿病患者之智能型温控及步态分析鞋」的诞生：或者成功大学生物医学工程学系/前瞻医疗器材研究中心在软硬件资源的提供、成功大学成电创客学园在APP电脑设计的咨询和报告的训练，都给了团队很小的帮助。有了上述事项单位的帮助，才能在短时间聚拢众人的智能，创作作品出「运用于糖尿病患者之智能型温控及步态分析鞋」。

▲成功大学TTS团队「应用方法于糖尿病患者之智能型温控及步态分析鞋」，鞋内的控制电路便会把鞋内温度根据情况到不对应的适宜温度。（图／成大提供给）

TTS团队为糖尿病患者电脑设计的「应用方法于糖尿病患者之智能型温控及步态分析鞋」，能在环境温度酷热或严寒的情况下，操纵并依靠足部温度，让患者足部进入最适温度，快速有效降底细菌增生所会造成的感染与截肢风险，与改善循环松动的状况，提升患者足部伤口恢复如初程度。

其组成主要组件包括物联网模块（与手机APP、网络服务器再连接）、TE Cooler（温度上升/温度下降用IC组件）、温度控制电路、反冲力讯号组件（作用于分析步态）。使用者可透进手机APP中,选择使用血液循环进阶模式，那就细菌抑制细胞模式，鞋内的控制电路便会把鞋内温度决定到随机的适宜温度。

此外，「应用方法于糖尿病患者之智能型温控及步态分析鞋」特殊之处亦本质率先推出之「区域温控」功能，让鞋子内的温度是可以提升到分区调整的目的。除开，亦除开美国糖尿病协会同意之"Foottemperature-positioningavoidacnetherapy"，透过监控双足足底的温度差，评估发炎感染风险指数，在发炎指数风险增强的时候，APP即会叮嘱患者下降步行，尽量的避免发炎及溃疡的发生。