基于半導體制冷技術的太陽能LED照明系統散熱方案設計

摘要：太陽能LED照明系統的發展在很大程度上受到了散熱問題的影響，將半導體制冷技術應用于太陽能LED照明系統解決系統的散熱問題是一個新思路。本文在對半導體制冷技術原理分析的基礎上，針對太陽能LED照明系統，采用基于微控制器的半導體制冷系統來解決散熱問題。實驗證明，半導體制冷系統對解決太陽能LED照明系統散熱問題具有良好的效果。
關鍵詞：半導體制冷技術；太陽能LED照明；散熱；方案設計

0.引言

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

對于LED照明系統來講，LED在工作過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LED功率的增大，發熱量增多，如果散熱問題解決不好，熱量集中在尺寸很小的芯片內，使得芯片內部溫度越來越高。當溫度升高時將造成以下影響[1]：⑴工作電壓減少；光強減少；光的波長變長。⑵ 降低LED驅動器的效率、損傷磁性元件及輸出電容器等的壽命，使LED驅動器的可靠度降低。⑶ 降低LED的壽命，加速LED的光衰。 LED照明系統的散熱問題已經成為制約該項技術發展的一個主要障礙。目前，在解決LED照明系統的散熱問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；安裝風扇。這些方法在實際應用中受到許多客觀條件的影響，散熱效果并不是很理想。

半導體制冷又稱熱電制冷[2],是利用半導體材料的Peltier效應。當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時,在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,可以實現制冷的目的。它是一種產生負熱阻的制冷技術,其特點是無運動部件,可靠性也比較高。利用半導體制冷的方式來解決LED照明系統的散熱問題，具有很高的實用價值。

1.半導體制冷的工作原理

1934年法國人帕爾帖發現：當電流流經兩個不同導體形成的接點處會產生放熱和吸熱現象,放熱或吸熱由電流的大小來定。

Q=aTI

上式中：Q為放熱或吸熱功率；a為溫差電動勢率；T為冷接點溫度；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的特點,采用特殊半導體材料熱電堆來制冷,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],加入不純物經過特殊處理而成N型或P型半導體溫差元件，它的工作特點是一面制冷一面發熱。

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，另一端通過金屬板構成圖中電路，當合上電鍵k時，就會有圖中的電流通過PN結，這樣就會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