基于半导体制冷技术的太阳能LED照明系统散热方案

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3.半导体制冷系统的特性分析

3.1半导体制冷系统的优点：

(1)尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环境。

(2)不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染。

(3)无运动部件，因而工作时无噪声，无磨损，寿命长，可靠性高。

(4)半导体制冷系统参数不受空间方向的影响，即不受重力场影响，在航天航空领域中有广泛的应用。

(5 )作用速度快，工作可靠，使用寿命长，易控制，调节方便，可通过调节工作电流大小来调节制冷能力。也可通过切换电流的方向来改变其制冷或供暖的工作状态。

基于以上特点可将其应用于解决太阳能LED照明系统的散热问题。

3.2半导体制冷系统的工作特性

半导体制冷系统由热电堆、冷端换热器、热端换热器及控制器组成，其中热电堆是制冷器件。由于热电堆是由多对电偶组成，且对电流而言，各电偶对是串联的；而对热流，各电偶对是并联的。因此，分析热电堆的性能时，只需分析电偶对的制冷性能即可。一对电偶的制冷量、电压、输出功率和制冷系数分别为:

其中Q为电偶对的制冷量（W）；I为工作电流（A）；K为电偶对的导热率（W/K）； T为冷热端温差（K）；R为电偶对的电阻（Ω）；A为电偶对的温差电势率（V/K）；Tc为电偶对冷端温度(K)。

4. 半导体制冷系统的散热效果

早在20世纪50年代就曾经掀起过一股半导体制冷热潮。但由于当时元件性能较差（即制冷系数太低）而未能进入实用化。半导体制冷材料和工艺是决定这一技术兴衰的关键，主要是提高半导体材料的优值系数。

优值系数Z是用来衡量半导体材料制冷性能的一个技术指标，它决定制冷元件所能达到的最大温差。优值系数越高，制冷性能越好，效率也越高。优值系数主要由半导体材料的温差电动势率α、半导体材料的总导热系数k、电阻率r等参数决定，其公式为：

随着载流子浓度的增大，温差电动势率α减小，而电阻率r也减小，总导热系数k与载流子浓度，使Z达到最大。当载流子浓度接近1019cm-3时，半导体材料的优值系数最高。

半导体材料的优值系数Z是一个随温度而改变的函数，所以选择半导体材料时不仅要求其优值系数要尽可能大，而且还要求在使用温区内优值系数变化不大，且能始终保持较高值，并满足机械强度、耐热冲击、可焊接性及材料来源和造价等方面的要求。尽量采用性价比较高的半导体材料来提高制冷能力。

5.仿真实验

实验器材主要用：半导体制冷系统、太阳能LED照明系统、控制器、隔热板、温度传感器、温度采集仪器、计算机、导热硅胶等。

实验步骤和方法：将半导体制冷系统的冷端安装在太阳能LED照明系统内，把热端放在照明系统外部，使得它能与外部环境直接接触。再在照明系统的内部安置一个温度传感器，控制器和温度采样仪器可以通过温度传感器实时得到照明系统内部的温度。最后，将安装好半导体制冷系统和温度传感器的照明系统密闭好，目的是使其不受外界温度影响。如图4所示，为该仿真实验的系统图。

先让照明系统工作30分钟，测得内部温度为69.3℃,这时让半导体制冷系统开始工作，经过15分钟的制冷，发现照明系统内部的温度降为39℃。实验证明，半导体制冷系统能很好地解决太阳能LED照明系统的散热问题。

图4 实验系统图

6.结论

在过去的几十年里，半导体制冷材料及其器件的研究取得了很大的进展，该技术的商品化一直成为世界共同探讨的课题。要想制造出性能优良的半导体制冷组件，制冷材料必须具有较高的优值系数（Z）。目前世界上较高的Z值的半导体制冷材料是Bi2Te3合金。最近，在半导体制冷领域，世界上出现了对两种新型半导体制冷材料及其器件的研究热潮，并取得了一定的进展，使这一项技术得以商品化。

本文作者创新点:当前，太阳能LED照明系统的发展在很大程度上受到了散热问题的影响，将半导体制冷技术应用到解决这个问题上是一个独创的新思想。经过理论论证和多次的实验，这项技术的应用将越来越成熟。

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