基于半导体制冷技术的太阳能LED照明系统散热方案设计

摘要：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于太阳能LED照明系统解决系统的散热问题是一个新思路。本文在对半导体制冷技术原理分析的基础上，针对太阳能LED照明系统，采用基于微控制器的半导体制冷系统来解决散热问题。实验证明，半导体制冷系统对解决太阳能LED照明系统散热问题具有良好的效果。
关键词：半导体制冷技术；太阳能LED照明；散热；方案设计

0.引言

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[1]：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[2],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[3],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[4]。

图1 半导体制冷基本原理图