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      基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)散熱方案

      編輯:chris 2012-04-12 10:19:55 瀏覽:2013  來(lái)源:劉淑萍

        在世界能源短缺,環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天,充分開(kāi)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(wèn)題的影響。

        對(duì)于LED照明系統(tǒng)來(lái)講,LED在工作過(guò)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(wèn)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(lái)越高。當(dāng)溫度升高時(shí)將造成以下影響:

      ⑴工作電壓減少,光強(qiáng)減少,光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)。

      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(wèn)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(wèn)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,是利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)。當(dāng)直流電通過(guò)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(wú)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(lái)解決LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題,具有很高的實(shí)用價(jià)值。 

      一、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(lái)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。

      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(lái)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,加入不純物經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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]。 

      二、半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      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(yáng)能LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題,利用控制器來(lái)有效的控制半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。

      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(lái)制冷,又可以用于制熱。針對(duì)解決太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)散熱問(wèn)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(guò)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(wú)須開(kāi)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。

      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(guò)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(wèn)題,并且整個(gè)系統(tǒng)無(wú)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(lái)。接通直流電源后,電子由負(fù)極(-)出發(fā),首先經(jīng)過(guò)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(guò)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。

       

      三、半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的特性分析

      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(wú)泄漏,對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

      (3)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,因而工作時(shí)無(wú)噪聲,無(wú)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(guò)調(diào)節(jié)工作電流大小來(lái)調(diào)節(jié)制冷能力。也可通過(guò)切換電流的方向來(lái)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(yáng)能LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題。

      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:

       

      四、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(guò)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。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(lái)衡量半導(dǎo)體材料制冷性能的一個(gè)技術(shù)指標(biāo),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=  

      隨著載流子濃度的增大,溫差電動(dòng)勢(shì)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(lái)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(lái)提高制冷能力。

       

      五、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(guò)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(kāi)始工作,經(jīng)過(guò)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(wèn)題。

       

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