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

4. 半導體制冷系統的散熱效果

早在20世紀50年代就曾經(jīng)掀起過(guò)一股半導體制冷熱潮。但由于當時(shí)元件性能較差（即制冷系數太低）而未能進(jìn)入實(shí)用化[5]。半導體制冷材料和工藝是決定這一技術(shù)興衰的關(guān)鍵，主要是提高半導體材料的優(yōu)值系數。

優(yōu)值系數Z是用來(lái)衡量半導體材料制冷性能的一個(gè)技術(shù)指標[6]，它決定制冷元件所能達到的最大溫差。優(yōu)值系數越高，制冷性能越好，效率也越高。優(yōu)值系數主要由半導體材料的溫差電動(dòng)勢率α、半導體材料的總導熱系數k、電阻率r等參數決定，其公式為：

Z= (5)

隨著(zhù)載流子濃度的增大，溫差電動(dòng)勢率α減小，而電阻率r也減小，總導熱系數k與載流子濃度，使Z達到最大。當載流子濃度接近1019cm-3時(shí)，半導體材料的優(yōu)值系數最高。

半導體材料的優(yōu)值系數Z是一個(gè)隨溫度而改變的函數，所以選擇半導體材料時(shí)不僅要求其優(yōu)值系數要盡可能大，而且還要求在使用溫區內優(yōu)值系數變化不大，且能始終保持較高值，并滿(mǎn)足機械強度、耐熱沖擊、可焊接性及材料來(lái)源和造價(jià)等方面的要求。盡量采用性?xún)r(jià)比較高的半導體材料來(lái)提高制冷能力。

5.仿真實(shí)驗

實(shí)驗器材主要用：半導體制冷系統、太陽(yáng)能LED照明系統、控制器、隔熱板、溫度傳感器、溫度采集儀器、計算機、導熱硅膠等。

實(shí)驗步驟和方法：將半導體制冷系統的冷端安裝在太陽(yáng)能LED照明系統內，把熱端放在照明系統外部，使得它能與外部環(huán)境直接接觸。再在照明系統的內部安置一個(gè)溫度傳感器，控制器和溫度采樣儀器可以通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)得到照明系統內部的溫度。最后，將安裝好半導體制冷系統和溫度傳感器的照明系統密閉好，目的是使其不受外界溫度影響。如圖4所示，為該仿真實(shí)驗的系統圖。

先讓照明系統工作30分鐘，測得內部溫度為69.3℃,這時(shí)讓半導體制冷系統開(kāi)始工作，經(jīng)過(guò)15分鐘的制冷，發(fā)現照明系統內部的溫度降為39℃。實(shí)驗證明，半導體制冷系統能很好地解決太陽(yáng)能LED照明系統的散熱問(wèn)題。

圖4 實(shí)驗系統圖

6.結論

在過(guò)去的幾十年里，半導體制冷材料及其器件的研究取得了很大的進(jìn)展，該技術(shù)的商品化一直成為世界共同探討的課題。要想制造出性能優(yōu)良的半導體制冷組件，制冷材料必須具有較高的優(yōu)值系數（Z）。目前世界上較高的Z值的半導體制冷材料是Bi2Te3合金。最近，在半導體制冷領(lǐng)域，世界上出現了對兩種新型半導體制冷材料及其器件的研究熱潮，并取得了一定的進(jìn)展，使這一項技術(shù)得以商品化。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn):當前，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)應用到解決這個(gè)問(wèn)題上是一個(gè)獨創(chuàng )的新思想。經(jīng)過(guò)理論論證和多次的實(shí)驗，這項技術(shù)的應用將越來(lái)越成熟。