高温太阳辐照条件下可持续太阳能热电疫苗储运系统的设计与分析

《Next Energy》：Design and analysis of sustainable solar-powered thermoelectric system for vaccine storage, transportation and distribution under high-temperature solar loading conditions

　　

热电模块（Thermoelectric Module, TEM）是一种具有低形态因子、高可靠性的固态器件，可通过主动控制实现精确温度调节。精确温度控制对于血液、药品及疫苗的储存至关重要，因为这些物质在高温环境下易失效。目前大多数低温储存技术基于蒸气压缩（Vapor Compression Refrigeration, VCR）技术，使用具有高全球变暖潜能值（Global Warming Potential, GWP）的制冷剂。许多便携式冷却系统采用化学凝胶，对环境和人体健康均有害。随着全球变暖加剧以及联合国可持续发展目标3、7、13的推进，加之全球免疫计划的成功实施，可持续替代冷却技术的研究与实施迫在眉睫。本研究采用有限元法（Finite-Element Method, FEM）和计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术，对一种便携式光伏-热电冷却系统进行了设计与能量模拟，旨在保障药品和疫苗的有效性，尤其适用于偏远、战乱及荒凉地区。结果表明，在43°C环境温度及1000 W/m²直射太阳辐照条件下，该系统在三种建模案例中实现了?2.7°C的平均冷却温度，被认为适用于替代行业中使用的多种不可持续产品。

本论文题为《高温太阳辐照条件下可持续太阳能热电疫苗储运系统的设计与分析》，发表于《Next Energy》期刊。研究人员针对全球疫苗冷链储存与运输中存在的重大挑战，开展了一项创新性研究。

研究背景方面，全球空调销量从1990年至2016年增长了四倍，达到1.35亿台，预计到2050年空调能源需求将增加三倍。这一增长将加剧电力消耗和温室气体排放，因为大多数空调使用高GWP制冷剂。2020年COVID-19大流行的经验表明，小型便携式疫苗冷藏系统的需求比以往任何时候都更加迫切。根据世界卫生组织（World Health Organization, WHO）数据，全球超过50%的疫苗被浪费，而储存温度不足是导致浪费的主要原因之一。全球健康和免疫计划的成功严重依赖疫苗的热稳定性和冷链基础设施的完善，尤其在发展中国家和最不发达国家。传统冷链储存系统大多基于机械压缩机，使用高GWP制冷剂，如R-410A、R-125、R-22和R-134a等（GWP范围1430至3500）。由于制冷原理和组件尺寸限制，蒸气压缩系统的便携性受到严重影响。热电冷却器作为固态器件，通过不使用制冷剂且具备小形态因子的特点解决了上述问题，可用于开发紧凑型太阳能便携式制冷系统，适用于偏远离网地区，助力实现联合国可持续发展目标3（良好健康与福祉）、7（经济适用的清洁能源）和13（气候行动）。此外，现有便携式疫苗运输箱多使用瞬冷冰袋，其利用硝酸铵与水的吸热反应，已被报道会导致严重的皮肤疾病如毒性皮炎，若误食还可引起酸中毒、胃炎和高铁血红蛋白血症；凝胶冰袋含有乙二醇、二乙二醇等有毒化学物质，即便使用丙二醇、聚丙烯酸钠等替代品，长期来看大量丢弃仍会对环境和健康造成危害。因此，开发替代冷却技术势在必行，而热电冷却技术因其固态特性、精确温度控制及不使用任何化学品或制冷剂，成为有效的候选方案。

研究人员开展了以下工作：首先，采用Ansys软件对热电冷却系统进行设计，并分析其在多种条件下的冷却效能。系统建模包括各组件的构建、边界条件定义及模型仿真，通过网格质量检验确保结果有效性，并基于三种网格尺寸完成网格独立性验证，最终选定"精细"网格尺寸进行全部仿真。该软件采用有限元法，将连续域离散为有限单元，计算定义各单元行为的方程并积分求解整个模型，该方法被认可为求解微分方程的有效手段，能够准确模拟多种科学现象。其次，利用制造商数据表对热电模型进行验证，计算结果与RC12-8型TEM数据表中的冷却功率参数在1-7 A电流范围内表现出高度相关性（R² = 0.989），确保了模型的可靠性。继而，研究人员在43°C环境温度、1000 W/m²太阳辐照条件下，对系统进行了24次仿真，电流变化范围为0-7 A，涵盖顶部、侧面和正面三种太阳加载工况。最后，研究人员结合真实应用场景，分析了系统的实际运行可行性，包括温度-辐照相关性分析、极端边界条件与电池容量估算、以及光伏模块与电池的选型优化。

研究得出的主要结论如下：在太阳辐照加载条件下，系统在4 A电流时达到最佳性能，顶部加载时平均流体温度为?2.5°C，侧面加载时为?2.1°C，正面加载时为?3.5°C，均超过WHO规定的疫苗储存温度要求；非太阳加载条件下，系统在4 A时达到?4°C。综合三种太阳加载案例，系统实现了?2.7°C的平均冷却温度。在光伏-热电系统集成方面，系统设计采用高效光伏电池集成于顶盖或采用可折叠光伏组件，配备锂离子电池和基于微控制器的温度控制器，可将工作点维持在2-8°C范围内。以新德里为例进行分析，系统配置30 Ah电池可在1000 W/m²连续辐照下运行2.2小时，110 Ah电池可扩展至8小时，适用于全球大多数地区2-8峰值日照时数的条件。电池容量估算方面，考虑电池效率（90%）、充电控制器效率（85%）、放电深度（80%）和设计裕度（90%）后，180 Ah的磷酸铁锂（LiFePO₄）电池可满足8小时峰值运行需求。光伏模块选型方面，75-400 Wp的多晶硅或单晶硅模块均可适用，充电时间随模块功率和峰值日照时数变化，在25°C、50°C和75°C运行温度下分别进行评估，较高功率模块可显著缩短充电时间，而低功率模块更利于便携性。

该研究的重要意义在于：从公共卫生角度，全球超过50%的疫苗因温度控制不当而失效，加强冷链基础设施可显著降低疫苗浪费，据估计仅在全球疫苗免疫联盟（GAVI）国家每年因温度损失造成的浪费就达1500-4000万美元，若采用本研究所述的可靠制冷系统，总系统成本可削减1.25-1.5亿美元。印度数据显示，10种主要疫苗在服务交付点的平均浪费率为26.8%，其中BCG疫苗高达56.83%。从技术优势角度，热电系统消除了对化学冰袋和凝胶的依赖，避免了相关的健康和环境风险；其精确冷却、无制冷剂、高可靠性、无噪音、轻量化的特点优于大多数便携式冷却方案。从可持续发展角度，该系统直接支持联合国SDG-3、7、13的实现，为偏远、离网、战乱及受灾地区提供了可行的医疗冷链解决方案。

研究存在的局限性包括：系统在43°C以上的极端沙漠气候中性能可能受限，但该局限可通过多级TEM、增加标准TEM数量或混合优化策略（如热管、气凝胶隔热、相变材料Phase Change Material, PCM等）加以解决。未来工作将聚焦于原型开发和控制系统优化。