基于半導體制冷技術(shù)的太陽能LED照明系統(tǒng)散熱方案設(shè)計
早在20世紀50年代就曾經(jīng)掀起過一股半導體制冷熱潮。但由于當時元件性能較差(即制冷系數(shù)太低)而未能進入實用化[5]。半導體制冷材料和工藝是決定這一技術(shù)興衰的關(guān)鍵,主要是提高半導體材料的優(yōu)值系數(shù)。
優(yōu)值系數(shù)Z是用來衡量半導體材料制冷性能的一個技術(shù)指標[6],它決定制冷元件所能達到的最大溫差。優(yōu)值系數(shù)越高,制冷性能越好,效率也越高。優(yōu)值系數(shù)主要由半導體材料的溫差電動勢率α、半導體材料的總導熱系數(shù)k、電阻率r等參數(shù)決定,其公式為:
Z= (5)
隨著載流子濃度的增大,溫差電動勢率α減小,而電阻率r也減小,總導熱系數(shù)k與載流子濃度,使Z達到最大。當載流子濃度接近1019cm-3時,半導體材料的優(yōu)值系數(shù)最高。
半導體材料的優(yōu)值系數(shù)Z是一個隨溫度而改變的函數(shù),所以選擇半導體材料時不僅要求其優(yōu)值系數(shù)要盡可能大,而且還要求在使用溫區(qū)內(nèi)優(yōu)值系數(shù)變化不大,且能始終保持較高值,并滿足機械強度、耐熱沖擊、可焊接性及材料來源和造價等方面的要求。盡量采用性價比較高的半導體材料來提高制冷能力。
5.仿真實驗
實驗器材主要用:半導體制冷系統(tǒng)、太陽能LED照明系統(tǒng)、控制器、隔熱板、溫度傳感器、溫度采集儀器、計算機、導熱硅膠等。
實驗步驟和方法:將半導體制冷系統(tǒng)的冷端安裝在太陽能LED照明系統(tǒng)內(nèi),把熱端放在照明系統(tǒng)外部,使得它能與外部環(huán)境直接接觸。再在照明系統(tǒng)的內(nèi)部安置一個溫度傳感器,控制器和溫度采樣儀器可以通過溫度傳感器實時得到照明系統(tǒng)內(nèi)部的溫度。最后,將安裝好半導體制冷系統(tǒng)和溫度傳感器的照明系統(tǒng)密閉好,目的是使其不受外界溫度影響。如圖4所示,為該仿真實驗的系統(tǒng)圖。
先讓照明系統(tǒng)工作30分鐘,測得內(nèi)部溫度為69.3℃,這時讓半導體制冷系統(tǒng)開始工作,經(jīng)過15分鐘的制冷,發(fā)現(xiàn)照明系統(tǒng)內(nèi)部的溫度降為39℃。實驗證明,半導體制冷系統(tǒng)能很好地解決太陽能LED照明系統(tǒng)的散熱問題。
圖4 實驗系統(tǒng)圖
6.結(jié)論
在過去的幾十年里,半導體制冷材料及其器件的研究取得了很大的進展,該技術(shù)的商品化一直成為世界共同探討的課題。要想制造出性能優(yōu)良的半導體制冷組件,制冷材料必須具有較高的優(yōu)值系數(shù)(Z)。目前世界上較高的Z值的半導體制冷材料是Bi2Te3合金。最近,在半導體制冷領(lǐng)域,世界上出現(xiàn)了對兩種新型半導體制冷材料及其器件的研究熱潮,并取得了一定的進展,使這一項技術(shù)得以商品化。
本文作者創(chuàng)新點:當前,太陽能LED照明系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上受到了散熱問題的影響,將半導體制冷技術(shù)應(yīng)用到解決這個問題上是一個獨創(chuàng)的新思想。經(jīng)過理論論證和多次的實驗,這項技術(shù)的應(yīng)用將越來越成熟。
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