基于半導體制冷技術的太陽能LED照明系統散熱方案設計

　　摘要：太陽能LED照明系統的發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于太陽能LED照明系統解決系統的散熱問題是一個新思路。本文在對半導體制冷技術原理分析的基礎上，針對太陽能LED照明系統，采用基于微控制器的半導體制冷系統來解決散熱問題。實驗證明，半導體制冷系統對解決太陽能LED照明系統散熱問題具有良好的效果。

　　0.引言

　　在世界能源短缺, 環境污染日益嚴重的今天,充分開發并利用太陽能是世界各國政府積極實施的能源戰略之一。太陽能LED照明系統的應用符合這一戰略決策的發展趨勢。然而，LED照明系統的發展在很大程度上受到了散熱問題的影響。

　　對于LED照明系統來講，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照明系統的散熱問題已經成為制約該項技術發展的一個主要障礙。目前，在解決LED照明系統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年法國人帕爾帖發現：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熱。

　　根據量子理論，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]。

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　　圖1 半導體制冷基本原理圖

　　2.半導體制冷系統的設計

　　2.1半導體制冷系統構成

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

　　2.2半導體制冷控制器的組成與控制原理

　　依據半導體制冷理論，在TEC（半導體制冷系統）兩端施加一個直流電壓就會產生一個直流電流，這會使TEC一端發熱另一端制冷。我們稱發熱的一端為“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，從而實現對目標的控制。基于ADUC824的半導體制冷控制原理框圖如圖2所示[1]。

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　　圖2 半導體制冷控制原理框圖

　　2.3半導體制冷系統的設計模型

　　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境污染問題，并且整個系統無焊接管路。圖3為半導體制冷系統的模型結構圖。它是由許多N型和P型半導體顆粒互相排列而成，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,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.半導體制冷系統的特性分析

　　3.1半導體制冷系統的優點：

　　(1)尺寸小，重量輕，適合小容量、小尺寸的特殊的制冷環境。

　　(2)不使用制冷劑，故無泄漏，對環境無污染。

　　(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)半導體制冷系統參數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，調節方便，可通過調節工作電流大小來調節制冷能力。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。

　　基于以上特點可將其應用于解決太陽能LED照明系統的散熱問題。

　　3.2半導體制冷系統的工作特性

　　半導體制冷系統由熱電堆、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，各電偶對是串聯的；而對熱流，各電偶對是并聯的。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分別為[2]:

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　　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值系數。

　　優值系數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。優值系數越高，制冷性能越好，效率也越高。優值系數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k、電阻率r等參數決定，其公式為：

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　　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，半導體材料的優值系數最高。

　　半導體材料的優值系數Z是一個隨溫度而改變的函數，所以選擇半導體材料時不僅要求其優值系數要盡可能大，而且還要求在使用溫區內優值系數變化不大，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、太陽能LED照明系統、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：將半導體制冷系統的冷端安裝在太陽能LED照明系統內，把熱端放在照明系統外部，使得它能與外部環境直接接觸。再在照明系統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內部的溫度。最后，將安裝好半導體制冷系統和溫度傳感器的照明系統密閉好，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圖。

　　先讓照明系統工作30分鐘，測得內部溫度為69.3℃,這時讓半導體制冷系統開始工作，經過15分鐘的制冷，發現照明系統內部的溫度降為39℃。實驗證明，半導體制冷系統能很好地解決太陽能LED照明系統的散熱問題。

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　　圖4 實驗系統圖

　　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。要想制造出性能優良的半導體制冷組件，制冷材料必須具有較高的優值系數（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。