基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的太陽能LED照明系統(tǒng)散熱方案設(shè)計(jì)

4. 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的散熱效果

早在20世紀(jì)50年代就曾經(jīng)掀起過一股半導(dǎo)體制冷熱潮。但由于當(dāng)時(shí)元件性能較差（即制冷系數(shù)太低）而未能進(jìn)入實(shí)用化[5]。半導(dǎo)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(dǎo)體材料的優(yōu)值系數(shù)。

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

Z= (5)

隨著載流子濃度的增大，溫差電動(dòng)勢率α減小，而電阻率r也減小，總導(dǎo)熱系數(shù)k與載流子濃度，使Z達(dá)到最大。當(dāng)載流子濃度接近1019cm-3時(shí)，半導(dǎo)體材料的優(yōu)值系數(shù)最高。

半導(dǎo)體材料的優(yōu)值系數(shù)Z是一個(gè)隨溫度而改變的函數(shù)，所以選擇半導(dǎo)體材料時(shí)不僅要求其優(yōu)值系數(shù)要盡可能大，而且還要求在使用溫區(qū)內(nèi)優(yōu)值系數(shù)變化不大，且能始終保持較高值，并滿足機(jī)械強(qiáng)度、耐熱沖擊、可焊接性及材料來源和造價(jià)等方面的要求。盡量采用性價(jià)比較高的半導(dǎo)體材料來提高制冷能力。

5.仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材主要用：半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)、太陽能LED照明系統(tǒng)、控制器、隔熱板、溫度傳感器、溫度采集儀器、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)熱硅膠等。

實(shí)驗(yàn)步驟和方法：將半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的冷端安裝在太陽能LED照明系統(tǒng)內(nèi)，把熱端放在照明系統(tǒng)外部，使得它能與外部環(huán)境直接接觸。再在照明系統(tǒng)的內(nèi)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溫度傳感器實(shí)時(shí)得到照明系統(tǒng)內(nèi)部的溫度。最后，將安裝好半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)和溫度傳感器的照明系統(tǒng)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(yàn)的系統(tǒng)圖。

先讓照明系統(tǒng)工作30分鐘，測得內(nèi)部溫度為69.3℃,這時(shí)讓半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)開始工作，經(jīng)過15分鐘的制冷，發(fā)現(xiàn)照明系統(tǒng)內(nèi)部的溫度降為39℃。實(shí)驗(yàn)證明，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)能很好地解決太陽能LED照明系統(tǒng)的散熱問題。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

6.結(jié)論

在過去的幾十年里，半導(dǎo)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(dǎo)體制冷組件，制冷材料必須具有較高的優(yōu)值系數(shù)（Z）。目前世界上較高的Z值的半導(dǎo)體制冷材料是Bi2Te3合金。最近，在半導(dǎo)體制冷領(lǐng)域，世界上出現(xiàn)了對兩種新型半導(dǎo)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(xiàng)技術(shù)得以商品化。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):當(dāng)前，太陽能LED照明系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上受到了散熱問題的影響，將半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用到解決這個(gè)問題上是一個(gè)獨(dú)創(chuàng)的新思想。經(jīng)過理論論證和多次的實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用將越來越成熟。