基于半导体制冷技术的太阳能LED照明系统散热方

基于半导体制冷技术的太阳能LED照明系统散热方案设计

  

 

　　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。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。

 

　　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[1]。

 

　　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。

 

　　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。