基于半导体制冷技术的太阳能LED照明系统散热方案

在世界能源短缺, 环境污染日益严重的今天,充分开发并利用太阳能是世界各国政府积极实施的能源战略之一。太阳能LED照明系统的应用符合这一战略决策的发展趋势。然而，LED照明系统的发展在很大程度上受到了散热问题的影响。

对于LED照明系统来讲，LED在工作过程中只能将一少部分的电能转化成光能，而大部分的能量被转化成了热能。随着LED功率的增大，发热量增多，如果散热问题解决不好，热量集中在尺寸很小的芯片内，使得芯片内部温度越来越高。当温度升高时将造成以下影响：⑴工作电压减少；光强减少；光的波长变长。⑵ 降低LED驱动器的效率、损伤磁性元件及输出电容器等的寿命，使LED驱动器的可靠度降低。⑶ 降低LED的寿命，加速LED的光衰。 LED照明系统的散热问题已经成为制约该项技术发展的一个主要障碍。目前，在解决LED照明系统的散热问题上主要采用的方法有：调整LED的间距；合理加大LED与金属芯印制板间距离；打孔方式；安装风扇。这些方法在实际应用中受到许多客观条件的影响，散热效果并不是很理想。

半导体制冷又称热电制冷,是利用半导体材料的Peltier效应。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术,其特点是无运动部件,可靠性也比较高。利用半导体制冷的方式来解决LED照明系统的散热问题，具有很高的实用价值。

1.半导体制冷的工作原理

1934年法国人帕尔帖发现：当电流流经两个不同导体形成的接点处会产生放热和吸热现象,放热或吸热由电流的大小来定。

Q=aTI

上式中：Q为放热或吸热功率；a为温差电动势率；T为冷接点温度；I为工作电流。

基于帕尔帖效应原理，帕尔帖效应制冷也叫温差制冷。半导体制冷技术的主要原理是基于帕尔贴效应。半导体制冷是根据热电效应技术的特点,采用特殊半导体材料热电堆来制冷,能够将电能直接转换为热能,效率较高。目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋,加入不纯物经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件，它的工作特点是一面制冷一面发热。

根据量子理论，金属与半导体材料具有不同的能级、不同的接触电位差和不同的载荷体。如图1所示，P型与N型半导体之间用金属板连接，另一端通过金属板构成图中电路，当合上电键k时，就会有图中的电流通过PN结，这样就会在半导体与金属板相连的上端形成帕尔帖冷效应，下端形成帕尔帖热效应。



图1 半导体制冷基本原理图

2.半导体制冷系统的设计

2.1半导体制冷系统构成

在半导体制冷系统中，制冷片采用TEC1-12703型温差电制冷组件，根据照明系统的特点，选用具有可视性、坚韧性、耐高温等特性的有机玻璃作为制冷器壁。为了更好地解决太阳能LED照明系统的散热问题，利用控制器来有效的控制半导体制冷系统。

2.2半导体制冷控制器的组成与控制原理

依据半导体制冷理论，在TEC（半导体制冷系统）两端施加一个直流电压就会产生一个直流电流，这会使TEC一端发热另一端制冷。我们称发热的一端为“热端”，制冷的一端为“冷端”，把TEC两端的电压极性对调，电流将反向流动，“热端”与“冷端”也将互换。TEC作为半导体制冷应用中的冷热源，其操作具有可逆性，既可以用来制冷，又可以用于制热。针对解决太阳能LED照明系统散热问题的实际情况，我们选择高集成度的高性能单片机ADUC824作为控制核心，通过软件编程完成对半导体制冷器的控制。 ADUC824是AD公司推出的8051内核的高性能单片机，内部集成了两路（21位＋16位）A/D、12位D/A、FLASH、WDT、μP监控、温度传感器、SPI和I2C总线接口等丰富资源集成于一体，ADUC824体积小、功率低、具备在线编程调试功能，无须开发装置。采用ADUC824作为半导体制冷控制器的核心，提高了设计的可靠性，同时大大简化了电路的设计。半导体制冷的功率驱动采用H型（全桥式）电路，可以在单电源供电的条件下完成对负载的双向电流驱动，完成TEC制冷的操作，从而实现对目标的控制。基于ADUC824的半导体制冷控制原理框图如图2所示。



图2 半导体制冷控制原理框图

2.3半导体制冷系统的设计模型

由文章前面部分的分析可知：利用直流电通过PN结就可以使热量由高温物体传向低温物体，改变电流的流向就可以很方便的实现制冷和制热的转换。用半导体制冷不用考虑因制冷剂泄漏而导致的环境污染问题，并且整个系统无焊接管路。图3为半导体制冷系统的模型结构图。它是由许多N型和P型半导体颗粒互相排列而成，而N-P之间以一般的导体相连接而形成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,最后用两片陶瓷片夹起来。接通直流电源后,电子由负极(-)出发,首先经过P型半导体,在此吸收热量,到了N型半导体,又将热量放出,每经过一个N-P模组,就有热量由一边被送到另外一边，造成温差，从而形成冷热端。