湖南信息科学职业学院科研计划项目申请书1

1、项 目 类 别教育教学应用技术湘信科院编号湖南信息科学职业学院科研计划项目申请书项目名称：基于太阳能技术（太阳能半导体冰箱） 负责人：王湘林所在部门：电子联系电话南信息科学职业学院科研处制2009 年基本情况项目 名称太阳能蓄能半导体冰箱基础研究应用研究试验发展研究 期限2009年 月至2012年12月申请经费0.5力项目 负责人姓名王湘林年 龄31技术职称国家级电工已获学位硕士所属部门电子现从事专业教书主要研究人员姓名年龄技术职称已获学位现从事专业王湘林31国家一级电工硕士老师罗开国42屮级本科老师主要研究内容利用太阳能来驱动冰箱制冷二.立项依据（选题意义及校内外同

2、类项目现状分析）中国每年都有上千万台冰箱进入市场，冰箱在给人民生活带来便利的同 时，也消耗了大量的电力资源。据统计，目前中国冰箱保有量为1.3亿台，家 用冰箱的城市普及率已超过90%,农村普及率也已超过16%,其年用电量达 6000亿度，占居民总用电量的25%45%。同吋，目前中国仍以煤为主要资 源进行电力生产，生产过程中会排放出人量的二氧化碳和其他有害气体。在 常规能源日渐耗尽和生态环境m益恶化这两大危机的夹击下，推广太阳能冰 箱可以使有害气体的排放量得到大幅削减，有利于减轻对大气的污染，并将 推动国内能源的可持续利用。该项目研究的意义在于能够成功的运用太阳能 和半导体所具有的理论优势，成功

3、的解决，冷源的制冷和热源的能量散失， 实现制冷半导体式冰箱的制冷温度降到-10°c以下实现冷冻的目的太阳能制冷技术的现状太阳能制冷是太阳能利用的一个重要方面，人们在这一领域已经进行了 人量研究。目前，实现太阳能制冷主要有两种形式：一种是光电转换制冷， 实际上是太阳能发电的一种应用，先实现光电转换，再利用太阳能电池驱动 冰箱的压缩式制冷系统；另一种是太阳能光热转换制冷，其研究方向主要包 括太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。1 吸收式制冷系统。自蒸发器出来的低压蒸气进入吸收器，被吸收剂强 烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水带走，形成的浓溶液由泵送入发生 器中，被热源

4、加热后蒸发，产纶高压蒸气，进入冷凝器冷却，而稀溶液减压 回流到吸收器，完成一个循环。2吸附式制冷系统。工作过程由热解吸和冷却吸附组成，基本循环过程 是利用太阳能或者其他热源，使吸附剂和吸附质形成的混合物（或络合物）在 吸附器中发生解吸，放出高温高压的制冷剂气体进入冷凝器，冷凝出来的制 冷剂液体由节流阀进入蒸发器。制冷剂蒸发时吸收热量，产生制冷效果，蒸 发出來的制冷剂气体进入吸附发生器，被吸附后形成新的混合物（或络合物）, 从而完成一次吸附制冷循环过程。3喷射式制冷系统。制冷剂在换热器中吸热后汽化、增氐产生饱和蒸 气，蒸气进入喷射器，经过喷嘴高速喷出膨胀，在喷嘴附近产生真空，将蒸 发器中的低压蒸

5、气吸入喷射器，经过喷射器出来的混合气体进入冷凝器放热、 凝结，然后冷凝液的一部分通过节流阀进入蒸发器吸收热量后汽化，这部分 工质完成的循环是制冷循环。光电转换制冷原理简单，容易实现，但其太阳能电池成本较高；而光热 转换制冷虽然技术要求高，但成本低廉。吸收式制冷技术出现的最早，技术 相对成熟，目前太阳能漠化锂吸收式制冷机己广泛应用在大型空调领域，但 是吸收式制冷系统庞大，运行复杂，并且制冷剂存在易结晶、腐蚀性强、蒸 发温度只能在o°c以上等缺点，同时其工作压力高，具有一定危险性。在喷射 式制冷技术中，循环泵是唯一的运行部件，系统设置比较简单、运行稳定、 可靠性高，但喷射制冷效果较低。鉴

6、于此，冃前太阳能用于冰箱技术的实现 途径主要是太阳能光电转换制冷技术和太阳能吸附制冷技术。太阳能光电制冷冰箱技术太阳能光电制冷冰箱主要包括太阳能光伏冰箱和太阳能半导体冰箱。太 阳能光伏冰箱是在普通传统压缩式冰箱基础上研制成的，由太阳电池、控制 器、蓄电池和冰箱等部件组成。由于太阳能光伏冰箱的内部结构与传统冰箱相同，只是供电装置改为太阳能电池，因此实现起來相对简单。国外文献报道显示，很多实验结果表明，把传统交流冰箱改制成适用于光伏太阳能系统的直流冰箱后，各部件可以正常运行，冰箱可以正常工作。 而在国内，针对太阳能光电制冷冰箱的研究也不少，并有一定进展。太阳能 学报2007年报道了刘群生等对一种光

7、伏直流冰箱系统运行性能的研究结果, 该系统的唯一动力源为太阳能，采用直流压缩机，系统中配有蓄电池。实验 结果表明：该冰箱冷冻室的最低温度可达-16°c,冷藏室可达010°c,在25°c 的环境温度下工作时，运转率为48%o早在1997年，黄福林就将新型全数字 式spwm调制方式应用在太阳光电制冷冰箱的变频电路，并实现了冰箱温度 的自动控制。在太阳能半导体冰箱的研究方面，甘肃自然能源研究所邹今平及罗斌等,都曾撰文介绍太阳能电池驱动的半导体制冷冰箱系统的基本结构，建立了太 阳能电池驱动的半导体冰箱的理论模型，并对系统性能进行了数值模拟，分 析了太阳辐射强度和环境风速变

8、化对太阳能半导体制冷系统性能的影响。太阳能吸附制冷冰箱技术21世纪90年代，中国已经开始对太阳能吸附制冷冰箱的研究，但是大多 数还局限在实验室，尚未达到预期的实用化程度，主要原因是受到制取温度 高及太阳能的时间局限性的影响。同时，太阳能吸附制冷冰箱室外吸附床和 室内制冷器之间需要管路连接，也是影响太阳能吸附制冷冰箱进入批量生产 阶段的主要障碍。为了解决以上各种缺陷，国内研究人员从系统循环机理、吸附制冷工质 对的选择、太阳能冰箱的性能、内外特性分析及优化设计等诸多方而对太阳 能固体吸附式制冷技术进行了详细分析研究。上海交通大学制冷所热环境研 究室孙长江经过数年潜心研究，按照批量生产所要求的工艺和

9、流程，制造了 两台太阳能吸附式冰箱。实验结果表明该冰箱性能较为稳定，证明这种太阳 能冰箱在技术上已经具备了成熟的牛产制造条件。在太阳能吸附冰箱中，吸附t质对的选择非常重要。国内研究人员尝试 研究不同的吸附工质对的吸附特性，其中包括cof2nh3、src12-nh3.活性 炭冲醇、活性炭乙醇等。实验结果表明，cof2-nh3工质对的单位吸附量大, 达到最大吸附量时的温度要求低，吸附周期短，并且多次重复吸附后既不结 块、也不膨胀，为化学吸附式制冷系统的小型化和实用化提供了新的可能性; src12-nh3x质对的吸附制冷量大，适宜太阳能或低品位余热驱动，是性能优 良的工质对；活性炭-甲醇工质对较之活

10、性炭-乙醇工质对更适用于太阳能固 体吸附式制冰机中。高效太阳能集热器是太阳能冰箱的关键部件，有非聚焦型太阳能集热器 和聚焦型太阳能集热器两类。其中，非聚焦型太阳能集热器分为平板型、真 空管和cpc型三种，这-:种集热器集热温度均不高，在250°c以下，属于低 温或者中温太阳能集热器；聚焦型太阳能集热器分为槽式、碟式和塔式三种, 通常情况下，这三种聚焦型集热器集热温度均可达300°c以上，属于中高温集 热器。对丁太阳能冰箱而言，非聚焦型太阳能集热器主要应用于太阳能吸附 制冷冰箱系统，而聚焦型太阳能集热器可应用于太阳能光电制冷冰箱系统。 目前，国内外对太阳能集热器的研究和利用多

11、限于中低温范围。太阳能冰箱的开发应用目前，国内外对太阳能冰箱研究最多也较接近实用化的是太阳能光电制 冷冰箱，而对太阳能吸附制冷冰箱的研究，还停留在对太阳能制冷的基础理 论和试验样机的研制上。太阳能光电制冷冰箱一般采用常规的冰箱外接太阳能发电装置，研究重 点在太阳能电池的充放电特性，由于对冰箱压缩机光伏特性考虑较少，对太 阳能光电制冷冰箱各部件匹配性的研究也不够完善，并且太阳能吸热装置的 效率非常低，因而整个系统的效率尚不能与传统冰箱相比，成本也比传统冰 箱高的多。在太阳能吸附式制冷冰箱方而，当前研究较多的是吸附剂一制冷 剂工质对的性能，需要解决吸附床传热性能如何进一步强化，吸附床、集热 器白天

12、集热和夜间散热之间的关系如何有效的解决，如何将夜间的制冷量有 效地贮存到白天使用等问题。但目前在太阳能冰箱应用开发中亟待进一步解 决的关键技术如下：1 高效太阳能集热器技术太阳能集热器是太阳能转化为热能的装置，在太阳能冰箱系统中占有重 要地位，其效率和价格会直接影响到整个太阳能冰箱的效率和经济性。为了 提高太阳能集热器的效率，当前的研究大多局限于吸收器和聚光装置结构的 改进，而对集热器吸热本质的研究投入较少，而吸热的本质体现在材料的光 学特性，即对某个波段的光的吸收能力。因此，笔者认为，吸收器及其表面 吸收涂层材料的研制将是提高太阳能冰箱集热器效率的关键所在，在技术上 还有很多值得改进和发展的

13、地方，如在吸热器表面涂上对太阳辐射具有很高 光谱吸比的涂层，以保持最大限度采集太阳辐射能；或者根据材料的辐射特 性合理选用吸热面材料以使其在0.3的波长范围内的光谱吸收比接近于lo2 高效太阳能蓄能技术为了克服太阳能的时间性所导致冰箱白天和夜里工作状况不能一致的缺 陷，在系统设计时，应设计一个合理的蓄能装置，以便把白天产生的能量部 分蓄存起來，供晚上或阴雨天使用，真正实现全天候制冷，以达到与常规冰 箱一样的效果。当前，太阳能光电蓄能主要有如下儿种，即电容器蓄能、铅 蓄电池蓄能、镰氢电池蓄电和钾离子电池蓄电。以上各种蓄能电池的应用技 术已经较为成熟，只是蓄能容量偏小，如何提高该类型电池的容量是今

14、后的 研究方向。太阳能吸附制冷冰箱冃前已采用和止在研究的蓄能技术，主要是利用工作介质状态变化过程所具有的显热、潜热效应或化学反应过程的反应热来进 行能量储存。由于潜热蓄冷技术是利用物质相变时需要吸收或放出热量的特 性來储存或释放能量，同吸附式制冷原理和同，因此潜热蓄能技术的研究对 太阳能吸附制冷冰箱的蓄能来说具有实际意义。另外，对于太阳能吸附制冷 冰箱的蓄能技术，要从对工质对本身特性的研究发展到放在整个系统中进行, 并对吸附制冷装置的结构做进一步改进。太阳能冰箱的应用前景传统冰箱的使用需要消耗大量常规能源，间接对环境造成的污染越来越 严重。从中国现阶段的能源供应情况和环境保护需求来看，开发使用

15、清洁能 源的冰箱将是大势所趋。另外，中国有许多偏远地区和游牧民族至今尚未被 纳入供电网络，还没有条件使用电冰箱保存食品，这些也为太阳能冰箱的开 发捉供了潜在市场。现阶段也存在种种因素限制着太阳能冰箱制冷技术的广 泛应用。一方面，由于太阳能的利用效率低、价格高，并且受时效影响，对 于居住相对集中的楼房，集热器的安装将受到很大的限制；另一方面，太阳 能制冷有多种形式，但就目前的研究现状来看，各种不同形式的制冷系统均 存在不足。如何进一步提高系统的运行效率以及各种制冷循环的联合运行都 是将來研究的重点领域。随着太阳能冰箱系统设计所需的新材料、新技术的 发展，在政府节能环保和家电下乡政策的支持下，太阳

16、能在冰箱制冷中的研 究应用一定会取得很大的发展。当前以消费大量电力驱动传统冰箱的技术已 日趋完善，单纯从高效、节能、省电方面对冰箱进行技术革新已很难有大的 突破，但太阳能冰箱还有较大的发展空间，将是未来冰箱业的一个发展方向。 太阳能冰箱的开发是冰箱行业的一次重大革新，对于带动整个冰箱产业技术 链的升级换代具有巨大的推动作用，并将为环保、节能减排等做出巨大贡献。三.研究方案1、理论依据%1. 半导体制冷原理的理论依据：1. peltier effect （珀尔帖效应）：当电流通过热电偶时，其中一 个结点散发热而另一个结点吸收热，这就是法国物理学家jean peltier在1834 年发现的珀尔帖

17、效应。这现象最早是在1821年，由一位德国科学家thomas seeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背後真正的科 学原理。到了 1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家 jean peltier,才发现背後真正的原因，这个现象直到近代随著半导体的发展 才有了实际的应用，也就是制冷器的发明（注意，这种叫制冷器，还不叫半 导体制冷器）。2. p型半导体和n型半导体半导体材料导带中的电子密度小 于在价带中的空穴密度，通过增加受主（acceptor）杂质来形成，例如在硅上掺 杂硼，这就是p型半导体材料；而在导带中的电子密度人于在价带中的空穴 密度，通过对硅的晶

18、体结构屮加入施主杂质（掺杂）比如碑或磷等来实现, 这就是n型半导体材料。二、珀尔帖效应的应用半导体制冷器是由半导体所组成的一种冷却 装置，也叫热电制冷。于i960左右才出现，然而其理论基础peltier effect w 追溯到19世纪。如图是由x及y两种不同的金属导线所组成的封闭线路。 通上电源之後，冷端的热量被移到热端，导制冷端温度降低，热端温度升高, 这就是著名的peltier effect。2、研究目标、研究内容和拟解决的有关问题我采用市售的200w制冷半导体制冷片作为工作原件，购买保温箱， 进行制冷原件的结构布置，实现冰箱内采用风冷技术实保证箱体内均匀快速 制冷。通过水循环的原理，利

19、用散热水箱和风扇实现半导体热量的对外散失。 验证制冷效率和实际箱体内外最大温度温差，采集记录可靠数据。然后将各 项性能稳定的冰箱装到太阳能电池和电板，进行各项试验，得到理论数据， 最后进行耐久性试验和商业化运行评估。目标实现制冷半导体式家用冰箱冷 冻的目的。还有主要解决散热的问题，像这样的散热方式不能充分的利用半 导体的冷气。3拟采取的研究方法及可行性分析(1) 搜集资料，确定太阳能电冰箱研究方向;(2) 理论计算，进行可行性分析，制定实施方案;(3) 进行材料、标准件的采购;加工零件，制作冰箱箱体以及太阳能电板的选购和蓄电池的选购;(5) 进行组装试运行，检测制冷效果；(6) 进行数据釆集。4、本项目特色及应用前景目前和太阳能成熟技术及半导体制冷技术成熟，且价格相对于压缩机 是制冷技术有明显的优势，最重要是无须国家电能他利用太阳能也就是热能 转成电能再转成冷气，如果能成功的将太阳能和半导体制冷片式冰箱的制冷 效果提升到实现制冷温度达到1o°c以下，这样将能够满足家用冰箱对丁制冷 的要求，然后基于其价格的优势，产品一旦推出必将得到消费者的亲睐。5、预期的研究进展和成果1建立整体