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)

1、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)摘要：太陽能LED 0.引言在世界 對(duì)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(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)部溫度越來越高。當(dāng)溫度升高時(shí)將造成以下影響1：工作電壓減少；光強(qiáng)減少；光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)。 降低LED 半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷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)是無運(yùn)動(dòng)部

2、件,可靠性也比較高。利用半導(dǎo)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(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?；谂翣柼?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)過特殊處理而成N型或P型半導(dǎo)體溫差

3、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，另一端通過金屬板構(gòu)成圖中 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(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

4、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，既可以用來制冷，又可以用于制熱。針對(duì)解決太陽能LED照明系統(tǒng)散熱問題的實(shí)際情況，我們選擇高集成度的高性能 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)境污染問題，并且整個(gè)系統(tǒng)無焊接管路

5、。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桑鳱-P之間以一般的導(dǎo)體相連接而形成一完整線路,通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體,最后用兩片陶瓷片夾起來。接通直流電源后, 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，故無泄漏，對(duì)環(huán)境無污染。(3)無運(yùn)動(dòng)部件，因而工作時(shí)無噪聲，無磨損，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，可通過調(diào)節(jié)工作電流大小來調(diào)節(jié)制

6、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)?；谝陨咸攸c(diǎn)可將其應(yīng)用于解決太陽能LED照明系統(tǒng)的散熱問題。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 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(shì)率、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