基于半導體制冷技術的太陽能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年代就曾經掀起過一股半導體制冷熱潮。但由于當時元件性能較差（即制冷系數太低）而未能進入實用化[5]。半導體制冷材料和工藝是決定這一技術興衰的關鍵，主要是提高半導體材料的優值系數。

優值系數Z是用來衡量半導體材料制冷性能的一個技術指標[6]，它決定制冷元件所能達到的最大溫差。優值系數越高，制冷性能越好，效率也越高。優值系數主要由半導體材料的溫差電動勢率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)

隨著載流子濃度的增大，溫差電動勢率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，半導體材料的優值系數最高。

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

5.仿真實驗

實驗器材主要用：半導體制冷系統、太陽能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。

實驗步驟和方法：將半導體制冷系統的冷端安裝在太陽能LED照明系統內，把熱端放在照明系統外部，使得它能與外部環境直接接觸。再在照明系統的內部安置一個溫度傳感器，控制器和溫度采樣儀器可以通過溫度傳感器實時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℃,這時讓半導體制冷系統開始工作，經過15分鐘的制冷，發現照明系統內部的溫度降為39℃。實驗證明，半導體制冷系統能很好地解決太陽能LED照明系統的散熱問題。

圖4 實驗系統圖

6.結論

在過去的幾十年里，半導體制冷材料及其器件的研究取得了很大的進展，該技術的商品化一直成為世界共同探討的課題。要想制造出性能優良的半導體制冷組件，制冷材料必須具有較高的優值系數（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，并取得了一定的進展，使這一項技術得以商品化。

本文作者創新點:當前，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到解決這個問題上是一個獨創的新思想。經過理論論證和多次的實驗，這項技術的應用將越來越成熟。