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

摘要：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(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用于太陽能LED照明系統(tǒng)解決系統(tǒng)的散熱問題是一個新思路。本文在對半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理分析的基礎(chǔ)上，針對太陽能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。實驗證明，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)對解決太陽能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)；太陽能LED照明；散熱；方案設(shè)計

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(yīng)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(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(qū)動器的效率、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(jīng)成為制約該項技術(shù)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(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,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(chǎn)生負熱阻的制冷技術(shù),其特點是無運動部件,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，具有很高的實用價值。

1.半導(dǎo)體制冷的工作原理

1934年法國人帕爾帖發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電流流經(jīng)兩個不同導(dǎo)體形成的接點處會產(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為溫差電動勢率；T為冷接點溫度；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,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、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，就會有圖中的電流通過PN結(jié)，這樣就會在半導(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