基于半導體制冷技術(shù)的太陽(yáng)能LED照明系統散熱方案

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

　　2.半導體制冷系統的設計

　　2.1半導體制冷系統構成

　　在半導體制冷系統中，制冷片采用TEC1-12703型溫差電制冷組件，根據照明系統的特點(diǎn)，選用具有可視性、堅韌性、耐高溫等特性的有機玻璃作為制冷器壁。為了更好地解決太陽(yáng)能LED照明系統的散熱問(wèn)題，利用控制器來(lái)有效的控制半導體制冷系統。

　　2.2半導體制冷控制器的組成與控制原理

　　依據半導體制冷理論，在TEC（半導體制冷系統）兩端施加一個(gè)直流電壓就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)直流電流，這會(huì )使TEC一端發(fā)熱另一端制冷。我們稱(chēng)發(fā)熱的一端為“熱端”，制冷的一端為“冷端”，把TEC兩端的電壓極性對調，電流將反向流動(dòng)，“熱端”與“冷端”也將互換。TEC作為半導體制冷應用中的冷熱源，其操作具有可逆性，既可以用來(lái)制冷，又可以用于制熱。針對解決太陽(yáng)能LED照明系統散熱問(wèn)題的實(shí)際情況，我們選擇高集成度的高性能單片機ADUC824作為控制核心，通過(guò)軟件編程完成對半導體制冷器的控制。 ADUC824是AD公司推出的8051內核的高性能單片機，內部集成了兩路（21位＋16位）A/D、12位D/A、FLASH、WDT、μP監控、溫度傳感器、SPI和I2C總線(xiàn)接口等豐富資源集成于一體，ADUC824體積小、功率低、具備在線(xiàn)編程調試功能，無(wú)須開(kāi)發(fā)裝置。采用ADUC824作為半導體制冷控制器的核心，提高了設計的可靠性，同時(shí)大大簡(jiǎn)化了電路的設計。半導體制冷的功率驅動(dòng)采用H型（全橋式）電路，可以在單電源供電的條件下完成對負載的雙向電流驅動(dòng)，完成TEC制冷的操作，從而實(shí)現對目標的控制?；贏(yíng)DUC824的半導體制冷控制原理框圖如圖2所示[1]。

圖2 半導體制冷控制原理框圖

　　2.3半導體制冷系統的設計模型

　　由文章前面部分的分析可知：利用直流電通過(guò)PN結就可以使熱量由高溫物體傳向低溫物體，改變電流的流向就可以很方便的實(shí)現制冷和制熱的轉換。用半導體制冷不用考慮因制冷劑泄漏而導致的環(huán)境污染問(wèn)題，并且整個(gè)系統無(wú)焊接管路。圖3為半導體制冷系統的模型結構圖。它是由許多N型和P型半導體顆?；ハ嗯帕卸?，而N-P之間以一般的導體相連接而形成一完整線(xiàn)路,通常是銅、鋁或其他金屬導體,最后用兩片陶瓷片夾起來(lái)。接通直流電源后,電子由負極(-)出發(fā),首先經(jīng)過(guò)P型半導體,在此吸收熱量,到了N型半導體,又將熱量放出,每經(jīng)過(guò)一個(gè)N-P模組,就有熱量由一邊被送到另外一邊，造成溫差，從而形成冷熱端。

　　3.半導體制冷系統的特性分析

　　3.1半導體制冷系統的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)尺寸小，重量輕，適合小容量、小尺寸的特殊的制冷環(huán)境。

　　(2)不使用制冷劑，故無(wú)泄漏，對環(huán)境無(wú)污染。

　　(3)無(wú)運動(dòng)部件，因而工作時(shí)無(wú)噪聲，無(wú)磨損，壽命長(cháng)，可靠性高。

　　(4)半導體制冷系統參數不受空間方向的影響，即不受重力場(chǎng)影響，在航天航空領(lǐng)域中有廣泛的應用。

　　(5 )作用速度快，工作可靠，使用壽命長(cháng)，易控制，調節方便，可通過(guò)調節工作電流大小來(lái)調節制冷能力。也可通過(guò)切換電流的方向來(lái)改變其制冷或供暖的工作狀態(tài)。

　　基于以上特點(diǎn)可將其應用于解決太陽(yáng)能LED照明系統的散熱問(wèn)題。

　　3.2半導體制冷系統的工作特性

　　半導體制冷系統由熱電堆、冷端換熱器、熱端換熱器及控制器組成，其中熱電堆是制冷器件。由于熱電堆是由多對電偶組成，且對電流而言，各電偶對是串聯(lián)的；而對熱流，各電偶對是并聯(lián)的。因此，分析熱電堆的性能時(shí)，只需分析電偶對的制冷性能即可。一對電偶的制冷量、電壓、輸出功率和制冷系數分別為[2]:

　　其中Q為電偶對的制冷量（W）；I為工作電流（A）；K為電偶對的導熱率（W/K）； T為冷熱端溫差（K）；R為電偶對的電阻（Ω）；A為電偶對的溫差電勢率（V/K）；Tc為電偶對冷端溫度(K)。

　　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：

　　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。