基于半導體制冷技術的太陽能LED照明系統(tǒng)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,充分開發(fā)并利用太陽能是世界各國政府積極實施的能源戰(zhàn)略之一。太陽能LED照明系統(tǒng)的應用符合這一戰(zhàn)略決策的發(fā)展趨勢。然而，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。

對于LED照明系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)的散熱問題已經成為制約該項技術發(fā)展的一個主要障礙。目前，在解決LED照明系統(tǒng)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(lián)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(xiàn)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)：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(xiàn)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(jù)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(fā)熱。

根據(jù)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

　　2.半導體制冷系統(tǒng)的設計

　　2.1半導體制冷系統(tǒng)構成

　　在半導體制冷系統(tǒng)中，制冷片采用TEC1-12703型溫差電制冷組件，根據(jù)照明系統(tǒng)的特點，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能LED照明系統(tǒng)的散熱問題，利用控制器來有效的控制半導體制冷系統(tǒng)。

　　2.2半導體制冷控制器的組成與控制原理

　　依據(jù)半導體制冷理論，在TEC（半導體制冷系統(tǒng)）兩端施加一個直流電壓就會產生一個直流電流，這會使TEC一端發(fā)熱另一端制冷。我們稱發(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，“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，既可以用來制冷，又可以用于制熱。針對解決太陽能LED照明系統(tǒng)散熱問題的實際情況，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(jiān)控、溫度傳感器、SPI和I2C總線接口等豐富資源集成于一體，ADUC824體積小、功率低、具備在線編程調試功能，無須開發(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，同時大大簡化了電路的設計。半導體制冷的功率驅動采用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，完成TEC制冷的操作，從而實現(xiàn)對目標的控制?；贏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(tǒng)的設計模型

　　由文章前面部分的分析可知：利用直流電通過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現(xiàn)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)境污染問題，并且整個系統(tǒng)無焊接管路。圖3為半導體制冷系統(tǒng)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路,通常是銅、鋁或其他金屬導體,最后用兩片陶瓷片夾起來。接通直流電源后,電子由負極(-)出發(fā),首先經過P型半導體,在此吸收熱量,到了N型半導體,又將熱量放出,每經過一個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(tǒng)的特性分析

　　3.1半導體制冷系統(tǒng)的優(yōu)點：

　　(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，故無泄漏，對環(huán)境無污染。

　　(3)無運動部件，因而工作時無噪聲，無磨損，壽命長，可靠性高。

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

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

　　基于以上特點可將其應用于解決太陽能LED照明系統(tǒng)的散熱問題。

　　3.2半導體制冷系統(tǒng)的工作特性

　　半導體制冷系統(tǒng)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，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(shù)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(tǒng)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(shù)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(yōu)值系數(shù)。

　　優(yōu)值系數(shù)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(yōu)值系數(shù)越高，制冷性能越好，效率也越高。優(yōu)值系數(shù)主要由半導體材料的溫差電動勢率α、半導體材料的總導熱系數(shù)k、電阻率r等參數(shù)決定，其公式為：

　　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(shù)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(yōu)值系數(shù)最高。

　　半導體材料的優(yōu)值系數(shù)Z是一個隨溫度而改變的函數(shù)，所以選擇半導體材料時不僅要求其優(yōu)值系數(shù)要盡可能大，而且還要求在使用溫區(qū)內優(yōu)值系數(shù)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(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、計算機、導熱硅膠等。

　　實驗步驟和方法：將半導體制冷系統(tǒng)的冷端安裝在太陽能LED照明系統(tǒng)內，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(tǒng)內部的溫度。最后，將安裝好半導體制冷系統(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，為該仿真實驗的系統(tǒng)圖。

　　先讓照明系統(tǒng)工作30分鐘，測得內部溫度為69.3℃,這時讓半導體制冷系統(tǒng)開始工作，經過15分鐘的制冷，發(fā)現(xiàn)照明系統(tǒng)內部的溫度降為39℃。實驗證明，半導體制冷系統(tǒng)能很好地解決太陽能LED照明系統(tǒng)的散熱問題。

圖4 實驗系統(tǒng)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(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(shù)（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(xiàn)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(chuàng)新點:當前，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，將半導體制冷技術應用到解決這個問題上是一個獨創(chuàng)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。