基于半導體制冷技術(shù)的太陽(yáng)能LED照明系統散熱方案設計

摘要：太陽(yáng)能LED照明系統的發(fā)展在很大程度上受到了散熱問(wèn)題的影響，將半導體制冷技術(shù)應用于太陽(yáng)能LED照明系統解決系統的散熱問(wèn)題是一個(gè)新思路。本文在對半導體制冷技術(shù)原理分析的基礎上，針對太陽(yáng)能LED照明系統，采用基于微控制器的半導體制冷系統來(lái)解決散熱問(wèn)題。實(shí)驗證明，半導體制冷系統對解決太陽(yáng)能LED照明系統散熱問(wèn)題具有良好的效果。
關(guān)鍵詞：半導體制冷技術(shù)；太陽(yáng)能LED照明；散熱；方案設計

0.引言

在世界能源短缺, 環(huán)境污染日益嚴重的今天,充分開(kāi)發(fā)并利用太陽(yáng)能是世界各國政府積極實(shí)施的能源戰略之一。太陽(yáng)能LED照明系統的應用符合這一戰略決策的發(fā)展趨勢。然而，LED照明系統的發(fā)展在很大程度上受到了散熱問(wèn)題的影響。

對于LED照明系統來(lái)講，LED在工作過(guò)程中只能將一少部分的電能轉化成光能，而大部分的能量被轉化成了熱能。隨著(zhù)LED功率的增大，發(fā)熱量增多，如果散熱問(wèn)題解決不好，熱量集中在尺寸很小的芯片內，使得芯片內部溫度越來(lái)越高。當溫度升高時(shí)將造成以下影響[1]：⑴工作電壓減少；光強減少；光的波長(cháng)變長(cháng)。⑵ 降低LED驅動(dòng)器的效率、損傷磁性元件及輸出電容器等的壽命，使LED驅動(dòng)器的可靠度降低。⑶ 降低LED的壽命，加速LED的光衰。 LED照明系統的散熱問(wèn)題已經(jīng)成為制約該項技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要障礙。目前，在解決LED照明系統的散熱問(wèn)題上主要采用的方法有：調整LED的間距；合理加大LED與金屬芯印制板間距離；打孔方式；安裝風(fēng)扇。這些方法在實(shí)際應用中受到許多客觀(guān)條件的影響，散熱效果并不是很理想。

半導體制冷又稱(chēng)熱電制冷[2],是利用半導體材料的Peltier效應。當直流電通過(guò)兩種不同半導體材料串聯(lián)成的電偶時(shí),在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,可以實(shí)現制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負熱阻的制冷技術(shù),其特點(diǎn)是無(wú)運動(dòng)部件,可靠性也比較高。利用半導體制冷的方式來(lái)解決LED照明系統的散熱問(wèn)題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1.半導體制冷的工作原理

1934年法國人帕爾帖發(fā)現：當電流流經(jīng)兩個(gè)不同導體形成的接點(diǎn)處會(huì )產(chǎn)生放熱和吸熱現象,放熱或吸熱由電流的大小來(lái)定。

Q=aTI

上式中：Q為放熱或吸熱功率；a為溫差電動(dòng)勢率；T為冷接點(diǎn)溫度；I為工作電流。

基于帕爾帖效應原理，帕爾帖效應制冷也叫溫差制冷。半導體制冷技術(shù)的主要原理是基于帕爾貼效應。半導體制冷是根據熱電效應技術(shù)的特點(diǎn),采用特殊半導體材料熱電堆來(lái)制冷,能夠將電能直接轉換為熱能,效率較高。目前制冷器所采用的半導體材料最主要為碲化鉍[3],加入不純物經(jīng)過(guò)特殊處理而成N型或P型半導體溫差元件，它的工作特點(diǎn)是一面制冷一面發(fā)熱。

根據量子理論，金屬與半導體材料具有不同的能級、不同的接觸電位差和不同的載荷體。如圖1所示，P型與N型半導體之間用金屬板連接，另一端通過(guò)金屬板構成圖中電路，當合上電鍵k時(shí)，就會(huì )有圖中的電流通過(guò)PN結，這樣就會(huì )在半導體與金屬板相連的上端形成帕爾帖冷效應，下端形成帕爾帖熱效應[4]。

圖1 半導體制冷基本原理圖