采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)的太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)散熱方案設(shè)計(jì)

1、采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)的太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)散熱方案設(shè)計(jì)類別：網(wǎng)文精粹 采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)的太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)散熱方案設(shè)計(jì)The radiation scheme design of solar energy LED lighting system based semiconductor refrigeration technology 摘要：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題的影響，將半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)解決系統(tǒng)的散熱問題是一個(gè)新思路。本文在對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)，采用基于微控制器的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)來解決散熱問題。實(shí)驗(yàn)證明

2、，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)對(duì)解決太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)散熱問題具有良好的效果。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷技術(shù)；太陽(yáng)能LED照明；散熱；方案設(shè)計(jì)Abstract：Presently, the development of solar energy LED lighting system has been great influenced by the radiation problem. Applying the semiconductor refrigeration technology to solve this problem is a creative new way.This paper carried

3、an analysis of conductor technology theory, Designs the semiconductor refrigeration system using microcontroller to solve the solar energy LED lighting system radiation problem. The experiment shows that, the semiconductor refrigeration system in solving the radiation problem of solar energy LED lig

4、hting system achives very good effect.Keyword：Semiconductor refrigeration technology; the solar energy LED illuminate;Spread heat; the project design0.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題的影響。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

5、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。 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(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

6、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

7、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)成圖中電路，當(dāng)合上電鍵k時(shí)，就會(huì)有圖中的電流通過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)

8、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

9、太陽(yáng)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單片機(jī)ADUC824作為控制核心，通過軟件編程完成對(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、P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(diào)試功能，無須開發(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

10、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。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,電子由負(fù)極(-)出發(fā),首先經(jīng)過P型半導(dǎo)體,在此吸收熱量,

11、到了N型半導(dǎo)體,又將熱量放出,每經(jīng)過一個(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。圖3 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)圖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)

12、?；谝陨咸攸c(diǎn)可將其應(yīng)用于解決太陽(yáng)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)的電阻（）；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)

13、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

14、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(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(yáng)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