太阳能供电半导体制冷与温差发电演示仪

尚剑锋，史湘伟，刘雪林，陈文娟

（中国石油大学（华东）理学院，山东青岛 266555）

材料是当今世界的三大支柱产业之一，半导体制冷材料就是一种新兴的热门材料。自1834 年法国物理学家Peltier发现帕尔帖效应［1］至今，半导体制冷技术得到了长远的发展，凭借其绿色环保、安全可靠、使用便捷等优点，现已成功应用于电子、军事、医药等领域，成为未来制冷技术发展的重要方向。对于半导体制冷材料而言，其自身存在与帕尔贴效应工作过程相反的塞贝克效应［2］，即温差发电效应。目前，单独的半导体制冷实验仪和半导体温差发电实验仪研究较多，且均使用普通直流电源。本文率先提出了利用太阳能供电在同一块半导体制冷片上实现制冷与温差发电双重实验现象的演示，这对提高学生对半导体材料制冷和温差发电现象的认识以及综合利用太阳能技术与半导体制冷技术有着积极的意义［3］。

1 实验原理

1.1 半导体制冷原理

半导体制冷又称温差电制冷，它是利用帕尔帖效应来达到制冷目的的。半导体的重要特性就是在半导体中掺入一定数量的某种杂质后可以使其导电能力大大提高。

图1 半导体制冷原理

图1是半导体制冷原理，P 型半导体和N 型半导体夹在金属板间形成通路，在外电场作用下，P型半导体中的空穴从正极流向负极，在a 处需要从金属片上吸收一定的能量，用以提高自身的势能，才能进入P型半导体，因此该接点处温度会降低形成制冷点；而在b点处的空穴需要释放多余的能量才能进入金属片中，该接点温度上升，形成放热点。相反，N 型半导体中的自由电子从负极流向正极，在c处电子吸收能量形成制冷点，而在d处电子释放能量形成放热点，多对电热对串联后就能在其制冷面取得较好的制冷效果［4－5］。

1.2 半导体温差发电原理

半导体温差发电是塞贝克效应的体现，与帕尔帖效应相反，塞贝克效应是将热能转化为电能，图2为半导体温差发电原理。

图2 半导体温差发电原理

如图2所示，在一对电热对的两端建立一个温差，使高温端保持Th，低温端保持Tc，则高温端就会向低温端传导热能并产生热流，一部分热能在器件内部传导过程中变成电能通过导线输出，将多对电热对串联便可获得更多电能［6－7］。

2 实验装置结构原理

半导体制冷与温差发电演示仪结构原理框图见图3，装置主架为有机玻璃。通过太阳能光伏电池发出的直流电驱动系统，并以可充电的镍氢电池作为积蓄太阳能发电板的剩余电力的设备。在电路中设置一换向开关，可将半导体制冷片分别与2个不同的回路相接，分别实现制冷和温差发电的演示。

图3 装置原理框图

演示时，打开电源开关，将换向开关拨向制冷端，半导体片在外电场的作用下，内部热量转移实现制冷。由DS18b20温度传感器采集制冷端表层空气温度信号［8］，通过液晶屏显示温度动态变化。DS18b20数字温度计以9位数字量的形式反映器件的温度值，只需要通过一个单线接口发送或接收信息，用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。其温度测量范围为－55～＋125 ℃，因此可以很好地满足测量需要。半导体散热手段是影响其制冷效果的重要因素，采用导热硅胶将制冷片与散热铝片粘合在一起，装置两侧设为开放式结构，通过散热风扇加快空气对流速度实现更好的散热效果。制冷演示结束，将换向开关拨向另一端，则半导体与灵敏电压表串联。对半导体一端加热，热能在半导体内转移过程中产生电能，电压大小可由电压表显示［9］。

3 电路组成

3.1 太阳能供电电路

供电电路由太阳能电池、太阳能控制器、直流蓄电池、稳压输出电路组成。太阳能控制器以LM7815集成稳压器为核心组成稳压电路，控制蓄电池对电能的采集，肖特基二极管防止电压反冲，保护蓄电池［10－11］。

3.2 降压电路

温度显示电路控制核心为AT89S52单片机，其工作电压为5V，选用LM7805集成稳压器将直流蓄电池12V 输出电压降为5V，降压电路如图4所示。

图4 LM7805稳压电路

3.3 温度显示电路

温度显示电路可显示制冷过程温度变化和稳态时制冷片表层空气温度。显示模块控制核心为AT89S52单片机，其P2.2引脚与DS18b20数据线相连接、接收温度传感器温度信号，对信号进行处理后将其温度值通过LCD1602液晶屏显示。温度显示电路原理图如图5所示。

图5 温度显示电路

AT89S52单片机是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大，适合于许多较为复杂控制应用场合。LCD1602液晶屏是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，其使用较为普遍。液晶屏第3脚接一个10kΩ 的电位器，使用过程中可以通过电位器来调节液晶屏的对比度来实现良好的显示效果，图6为温度显示电路实物图。

图6 温度显示电路实物图

4 实验数据处理与分析

4.1 制冷温度变化

接通电源后半导体开始制冷，LCD1602液晶屏将其表层空气温度定量显示，得到如图7所示的温度变化曲线，可以看到温度在降至约2 ℃后不再变化。

图7 制冷面表层空气温度变化曲线

电源接通后，半导体上下两端会产生热量转移，从而产生温差形成冷热端［12］。但是半导体自身存在电阻，当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递，而且2个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。如果采取更好的散热方式降低热端的温度就可建立新的平衡点，实现更为理想的制冷效果。

4.2 温差发电数据与分析

为了探究半导体发电片的发电性能，进行了相关实验。在室温为23.3℃的情况下，用不同温度的热源对热端加热，得到如图8所示的发电数据。

图8 温差发电的电压－温度曲线

从图9中可以看出，在散热端温度基本不变的情况下，发电电压与发电片两端温度成线性关系［9］，关系式［5］为

其中Th为热端温度，Tc为冷端温度，αs为半导体材料塞贝克系数。由图8曲线可看出，温差对塞贝克系数有一定影响［13］，温差较大的情况下塞贝克系数较大。

5 结束语

研制的演示仪综合了半导体制冷及温差发电两种效应，对其制冷效果及发电性能进行了定量显示，演示效果明显。装置采用太阳能供电，无需外加电源，展现了太阳能技术与半导体制冷技术联合利用的技术优势，对于绿色环保的新技术的认识和推广有着积极意义。

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