2022年采用半导体制冷技术太阳能LED照明系统散热方案设计方案.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用采纳半导体制冷技术的太阳能LED 照明系统散热方案设计 类别： 网文精粹采纳半导体制冷技术的太阳能 案设计LED 照明系统散热方The radiation scheme design of solar energy LED lighting system based semiconductor refrigeration technology 摘要：太阳能 LED照明系统的进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,采纳基于微 掌握 器的半导体制冷系统来解决散热问题；试验证明,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成效；关键词：半导体制冷技术；太阳能LED照明；散热；方案设计Abstract：Presently, the development of solar energy LED lighting system has been great influenced by the radiation problem. Applying the semiconductor refrigeration technology to solve this problem is a creative new way.This paper carried an analysis of conductor technology theory, Designs the semiconductor refrigeration system using microcontroller to solve the solar energy LED lighting system radiation problem. The experiment shows that, the semiconductor refrigeration system in solving the radiation problem of solar energy LED lighting system achives very good effect.Keyword：Semiconductor refrigeration technology； the solar energy LED illuminate ；Spread heat； the project design0.引言在世界能源短缺 , 环境污染日益严峻的今日,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进展趋势；然而,LED照明系统的进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,假如散热问题解决不好,热量集中在尺寸很小的芯片内,使得芯片内部温度越名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 来越高；当温度上升时将造成以下影响个人资料整理仅限学习使用1：工作电压削减；光强削减；光的波长变长；降低 LED驱动器的效率、损耗磁性元件及输出电容 器等的寿命,使 LED驱动器的牢靠度降低； 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进展的一个主要障碍；目前,在解决 LED照明系统的散热问题上主要采纳的方法有：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很多客观条件的影响,散热成效并不是很抱负；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取热量和放出热量 ,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,牢靠性也比较高；利用半导体制冷的方式来解决 具有很高的有用价值；1.半导体制冷的工作原理LED 照明系统的散热问题,1934年法国人帕尔帖发觉：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；半导体制冷是依据热电效应技术的特点 ,采纳特别 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 采纳的半导体材料最主要为碲化铋 3,加入不纯物经过特别处理而成 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；依据量子理论,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；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图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,制冷片采纳 TEC1-12703型温差电制冷组件,依据照明系统的特点,选用具有可视性、坚强性、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,利用掌握器来有效的掌握半导体制冷系统；2.2半导体制冷掌握器的组成与掌握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,电流将反向流淌,“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形,我们挑选高集成度的高性能,通过软件编程完成对半导体制冷器的掌握；单片机 ADUC824作为掌握核心 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 、 P监控、温度 传感器、 SPI和I2C总线接口等丰富资源集成于一体,A DUC824体积小、功率低、具备在线编程调试功能,无须开发装置；采纳 ADUC 824作为半导体制冷掌握器的核心,提高了设计的牢靠性,同时大大简化了电路的设计；半导体制冷的功率驱动采纳H型<全桥式）电路,可以在单电源供电的名师归纳总结 条件下完成对负载的双向电流驱动,完成TEC制冷的操作,从而实现对目标的第 3 页,共 7 页掌握；基于 ADUC824 的半导体制冷掌握原理框图如图2所示1 ；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图2 半导体制冷掌握原理框图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,转变电流的流向就可以很便利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；它是由很多 粒相互排列而成,而 N-N型和P型半导体颗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 ->动身 ,第一经过 P型半导体 ,在此吸取热量 ,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；图3 半导体制冷系统的模型结构图 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、小尺寸的特别的制冷环境；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,牢靠性高；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,工作牢靠,使用寿命长,易掌握,调剂便利,可通过调 节工作电流大小来调剂制冷才能；也可通过切换电流的方始终转变其制冷或供 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；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用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、热端换热器及掌握器组成,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 2: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<）； 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成效早在 20世纪 50岁月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）而未能进入有用化5；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 6,它打算制 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、半导体材料的总导热系数k、电阻率r等参数打算,其公式为：随着载流子浓度的增大,温差电动势率减小,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是一个随温度而转变的函数,所以挑选半导体材料时不仅要求其优值系数要尽可能大,而且仍要求在使用温区内优值系数变化名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用不大,且能始终保持较高值,并满意机械强度、耐热冲击、可焊接性及材料来源和造价等方面的要求；尽量采纳性价比较高的半导体材料来提高制冷才能；5.仿真试验试验器材主要用：半导体制冷系统、太阳能LED照明系统、掌握器、隔热板、温度 传感器 、温度采集仪器、运算机、导热硅胶等；试验步骤和方法：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,掌握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；最终,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 图；4所示,为该仿真试验的系统先让照明系统工作 30分钟,测得内部温度为 69.3,这时让半导体制冷系统 开头工作,经过 15分钟的制冷,发觉照明系统内部的温度降为 39；试验证明,半导体制冷系统能很好地解决太阳能图4 试验系统图6.结论LED照明系统的散热问题；在过去的几十年里,半导体制冷材料及其器件的讨论取得了很大的进展,该技术的商品化始终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,制冷材料必需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,世界上显现了对两 种新型半导体制冷材料及其器件的讨论热潮,并取得了肯定的进展,使这一项 技术得以商品化；本文作者创新点 :当前,太阳能 LED照明系统的进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试验,这项技术的应用将越来越成熟；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 个人资料整理仅限学习使用第 7 页,共 7 页- - - - - - -