半导体制冷空气取水量理论分析与计算

廖其刚

摘 要： 半导体制冷空气取水技术是利用特种半导体材料的珀尔帖效应通过冷却结露的方式从空气取水的技术，针对半导体制冷空气取水量进行理论分析，并建立了理论数学模型，得出了单个半导体制冷片在理想环境下的最大制水量。

关键词： 半导体制冷;制水量;数学模型

随着经济的发展和人口的增加，人类对水资源的需求不断增长，再加上存在对水资源的不合理开发和利用，导致地球上的水资源越来越匮乏，全球淡水资源短缺成为了一个重要的需要解决的问题。空气中蕴涵着大量的水资源，地球大气的厚度可达到十万米，其中水蒸气含量可达425g/m3，有效利用空氣中的淡水资源，可有效解决水资源短缺问题。目前，主要通过两种方式从空气中制水：1）冷却结露方式，即通过空气冷却器来实现，当温度低于空气露点温度时，空气中水蒸气就会凝结，从而达到制水目的;2）吸湿解吸方式，即先通过干燥剂进行吸湿，再利用外界能量对干燥剂加热，使其中水蒸气散发出来，同时给水蒸气降温，当水蒸气温度降低到露点温度以下时，水蒸气会凝结成液态水，从而达到制水目的。冷却结露根据其原理不同又可分为半导体制冷和机械压缩式制冷，与机械压缩制冷方式相比，半导体制冷是一种不用制冷剂、没有运动器件的电器元件，具有结构简单、无污染、无噪音、可靠性高和便于维护等优点，本文重点分析半导体制冷空气制水方式。

1 半导体制冷的基本原理

半导体制冷主要利用了半导体的帕尔贴效应，即当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象。对于半导体热电偶，当电流方向是n型半导体流向P型半导体时，由于n型半导体具有多余电子，而P型半导体电子不足，P型半导体中的空穴和n型半导体中的自由电子作离开接头的背向运动，在接头处，P型半导体满带内的电子跃入导带成为自由电子，在满带中留下一个空穴，即产生电子—空穴对。而新生的自由电子立刻通过接触面进入n型半导体的导带，这是自由电子的运动方向是与接触电位差相反的，这相当于金属热电偶热端的情况，电子通过接头时放出能量。但是产生电子—空穴对时所吸收的能量大大超过了它们通过接头时放出的能量，同样n型半导体也产生电子—空穴对，新生的空穴也立刻通过接触面进入P型半导体的满带，产生电子—空穴对时所系搜的能量也大大超过了它们通过接头时所放出的能量，总的结果使接头处的温度下降成为冷端，并要从外界吸热，即产生制冷效果，反之，产生制热效果。如图1所示：

2  空气制水系统构建

典型的半导体制冷式空气制水系统包括集水箱、散热器、半导体制冷片、绝缘垫、冷凝器、散热风扇、轴流风扇、电源等几部分。散热风扇主要是在自然空气对流散热的基础上，热端增加散热风扇，使得制冷组件的工作环境为流动空气。通过提高空气流速来提升空气与热端接触面积，有效地提高了散热效果。轴流风扇主要是提高集水箱内的空气流速，从而提升与冷端接触的空气流量，提高制水能力。散热器和冷凝器之间用螺丝固定，中间为半导体制冷片和隔热垫，隔热垫在半导体制冷片外围，半导体制冷片与散热器与冷凝器的接触面均涂抹导热硅胶，减少热阻，提高热传导效率。半导体制冷片采用TEC-12705，外形尺寸40mm×40mm×4mm，额定电压DC12V，元件对数127，最大温差68℃，最大制冷量为41W;散热风扇和轴流风扇规格相同，电压DC12V，风量16CFM，其外形尺寸60×60×15mm;集水箱外形尺寸400mm×260mm×260mm，集水箱内外壁之间填充30mm厚的聚氨酯保温材料。在箱体的前壁面和侧壁面分别设置窗口用于安装制冷片和散热器模块以及轴流风扇。其模型图见图2

4 结论

本文分析了半导体制冷的工作原理，提出了一种典型的采用半导体制冷方式进行空气制水的系统模型，并采用了能量守恒定律对空气制水量进行了理论计算，通过计算表明，单个制冷片每小时的最大理论制水量约为11.56g，效率可达52%，效率较高，采用半导体制冷方式进行空气制水具有较高的实用性。

参考文献

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