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[導(dǎo)讀]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(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)太陽能LED照明系統(tǒng),采用

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(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,半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)對(duì)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(jì)

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(shí)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(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]:⑴工作電壓減少;光強(qiáng)減少;光的波長變長。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[!--empirenews.page--]

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、μP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[!--empirenews.page--]

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?,而N-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,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,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,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)。

基于以上特點(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)的電阻(Ω);A為電偶對(duì)的溫差電勢率(V/K);Tc為電偶對(duì)冷端溫度(K)。[!--empirenews.page--]

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:

Z=      (5)

隨著載流子濃度的增大,溫差電動(dòng)勢率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)用到解決這個(gè)問題上是一個(gè)獨(dú)創(chuàng)的新思想。經(jīng)過理論論證和多次的實(shí)驗(yàn),這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用將越來越成熟。

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