基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的太陽(yáng)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(yán)重的今天,充分開(kāi)發(fā)并利用太陽(yáng)能是世界各國(guó)政府積極實(shí)施的能源戰(zhàn)略之一。太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用符合這一戰(zhàn)略決策的發(fā)展趨勢(shì)。然而，LED照明系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上受到了散熱問(wèn)題的影響。

對(duì)于LED照明系統(tǒng)來(lái)講，LED在工作過(guò)程中只能將一少部分的電能轉(zhuǎn)化成光能，而大部分的能量被轉(zhuǎn)化成了熱能。隨著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(nèi)，使得芯片內(nèi)部溫度越來(lái)越高。當(dāng)溫度升高時(shí)將造成以下影響[1]：⑴工作電壓減少；光強(qiáng)減少；光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)。⑵ 降低LED驅(qū)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(qū)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(tǒng)的散熱問(wèn)題已經(jīng)成為制約該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要障礙。目前，在解決LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題上主要采用的方法有：調(diào)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(yīng)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(dǎo)體制冷又稱(chēng)熱電制冷[2],是利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)。當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同半導(dǎo)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(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù),其特點(diǎn)是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,可靠性也比較高。利用半導(dǎo)體制冷的方式來(lái)解決LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1.半導(dǎo)體制冷的工作原理

1934年法國(guó)人帕爾帖發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)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(shì)率；T為冷接點(diǎn)溫度；I為工作電流。

基于帕爾帖效應(yīng)原理，帕爾帖效應(yīng)制冷也叫溫差制冷。半導(dǎo)體制冷技術(shù)的主要原理是基于帕爾貼效應(yīng)。半導(dǎo)體制冷是根據(jù)熱電效應(yīng)技術(shù)的特點(diǎn),采用特殊半導(dǎo)體材料熱電堆來(lái)制冷,能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為熱能,效率較高。目前制冷器所采用的半導(dǎo)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(dǎo)體溫差元件，它的工作特點(diǎn)是一面制冷一面發(fā)熱。

根據(jù)量子理論，金屬與半導(dǎo)體材料具有不同的能級(jí)、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(dǎo)體之間用金屬板連接，另一端通過(guò)金屬板構(gòu)成圖中電路，當(dāng)合上電鍵k時(shí)，就會(huì)有圖中的電流通過(guò)PN結(jié)，這樣就會(huì)在半導(dǎo)體與金屬板相連的上端形成帕爾帖冷效應(yīng)，下端形成帕爾帖熱效應(yīng)[4]。

圖1 半導(dǎo)體制冷基本原理圖

　　2.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　2.1半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)構(gòu)成

　　在半導(dǎo)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(diǎn)，選用具有可視性、堅(jiān)韌性、耐高溫等特性的有機(jī)玻璃作為制冷器壁。為了更好地解決太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，利用控制器來(lái)有效的控制半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。

　　2.2半導(dǎo)體制冷控制器的組成與控制原理

　　依據(jù)半導(dǎo)體制冷理論，在TEC（半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)）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(duì)調(diào)，電流將反向流動(dòng)，“熱端”與“冷端”也將互換。TEC作為半導(dǎo)體制冷應(yīng)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(duì)解決太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)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(jī)ADUC824作為控制核心，通過(guò)軟件編程完成對(duì)半導(dǎo)體制冷器的控制。 ADUC824是AD公司推出的8051內(nèi)核的高性能單片機(jī)，內(nèi)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(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(diào)試功能，無(wú)須開(kāi)發(fā)裝置。采用ADUC824作為半導(dǎo)體制冷控制器的核心，提高了設(shè)計(jì)的可靠性，同時(shí)大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體制冷的功率驅(qū)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(duì)負(fù)載的雙向電流驅(qū)動(dòng)，完成TEC制冷的操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的控制?；贏DUC824的半導(dǎo)體制冷控制原理框圖如圖2所示[1]。

圖2 半導(dǎo)體制冷控制原理框圖

　　2.3半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型

　　由文章前面部分的分析可知：利用直流電通過(guò)PN結(jié)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(xiàn)制冷和制熱的轉(zhuǎn)換。用半導(dǎo)體制冷不用考慮因制冷劑泄漏而導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題，并且整個(gè)系統(tǒng)無(wú)焊接管路。圖3為半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)圖。它是由許多N型和P型半導(dǎo)體顆?；ハ嗯帕卸?，而N-P之間以一般的導(dǎo)體相連接而形成一完整線(xiàn)路,通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體,最后用兩片陶瓷片夾起來(lái)。接通直流電源后,電子由負(fù)極(-)出發(fā),首先經(jīng)過(guò)P型半導(dǎo)體,在此吸收熱量,到了N型半導(dǎo)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(dǎo)體制冷系統(tǒng)的特性分析

　　3.1半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)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(duì)環(huán)境無(wú)污染。

　　(3)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，因而工作時(shí)無(wú)噪聲，無(wú)磨損，壽命長(zhǎng)，可靠性高。

　　(4)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)參數(shù)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(yīng)用。

　　(5 )作用速度快，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，易控制，調(diào)節(jié)方便，可通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流大小來(lái)調(diào)節(jié)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(yīng)用于解決太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題。

　　3.2半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的工作特性

　　半導(dǎo)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(duì)電偶組成，且對(duì)電流而言，各電偶對(duì)是串聯(lián)的；而對(duì)熱流，各電偶對(duì)是并聯(lián)的。因此，分析熱電堆的性能時(shí)，只需分析電偶對(duì)的制冷性能即可。一對(duì)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(duì)的制冷量（W）；I為工作電流（A）；K為電偶對(duì)的導(dǎo)熱率（W/K）； T為冷熱端溫差（K）；R為電偶對(duì)的電阻（Ω）；A為電偶對(duì)的溫差電勢(shì)率（V/K）；Tc為電偶對(duì)冷端溫度(K)。

　　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(guò)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(lái)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(shì)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：

　　隨著載流子濃度的增大，溫差電動(dòng)勢(shì)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(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)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(dǎo)體材料來(lái)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(cè)得內(nèi)部溫度為69.3℃,這時(shí)讓半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)開(kāi)始工作，經(jīng)過(guò)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(yáng)能LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

　　6.結(jié)論

　　在過(guò)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(duì)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(yáng)能LED照明系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上受到了散熱問(wèn)題的影響，將半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用到解決這個(gè)問(wèn)題上是一個(gè)獨(dú)創(chuàng)的新思想。經(jīng)過(guò)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(lái)越成熟。