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LED灯散热及余热回收系统

2014-3-6  来源:(西安交通大学,西安 710049)  作者:胡红利 刘斐  有2515人阅读

本文介绍了一种基于半导体热电元件和热管技术的LED灯散热及余热回收系统,该系统根据四季外界温度的变化自动控制散热,实现节能的目的。本文给出了一种设计实例并分析其结构及工作过程,对其优势特点进行对比分析并对其应用前景进行了展望。

  0 引言

  目前市场上的LED灯主要采用自然散热的方法。从传热学角度讲,自然散热的散热原理是自然对流和热辐射,即借助灯具外壁面、尤其是翅片对周围空气对流散热及对周围物体辐射散热,这种散热依靠灯具自身的结构形式实现散热。因此提高散热效果的途径主要是通过优化设计,增加散热面积和通风对流效果以及改善表面辐射系数,由此带来的问题是增加尺寸和成本。尺寸的增加势必导致外观笨重,影响美观和品位,而在发热功率增大时散热成本徒增而且散热量有限。

  除此之外,LED电光转化效率不高,至少有50%的电能被以热能的形式白白散失掉,对资源是一种很大的浪费。

  针对现在LED灯散热方式成本高、外观笨重、散热效率低等缺点,本文提出了一种可回收散热能量的LED照明系统,利用半导体热电转化和热管散热技术,不仅实现了高效散热,而且可将部分余热转换,使其变为电能再利用,从而实现节能的目的[1]。

  1 热管原理及应用

  热管是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种传热元件,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,通过在全封闭真空管内工质的蒸发和冷凝传递热量。热管作为一种高效导热元件,其导热性能是优良导热材料(铜、银)的几倍、甚至上万倍,具有/超导热体0之称。另外,热管还具有较高的等温性和热流密度可以变换等重要优点,这些因素是考虑将热管应用到LED灯上的主要原因。

  从热力学的角度讲,物体的吸热、放热是相对的,只要存在温度差,就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递的辐射、对流、传导三种方式中,热传导最快。热管就是利用蒸发制冷,使得热管两端温度差很大,使热量快速传导。图1为热管工作原理示意图。热管内部被抽成负压状态,充入适当的液体,这种液体沸点低,容易挥发。管壁有吸液芯,由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发端,另外一端为冷凝端。当热管一端受热时,毛细管中的液体迅速蒸发,蒸气在微小的压力差下流向另外一端,并且释放出热量,重新凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发端,如此循环不止,热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的,热量可以被源源不断地传导开来[2]。

  图1 热管工作原理示意图

  基于热管原理制成的热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。热管换热器显著的特点是:结构简单,换热效率高,在传递相同热量的条件下,热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器。换热流体通过换热器时的压力损失比其他换热器小,因而动力消耗也小。由于冷、热流体是通过热管换热器不同部位换热的,而热管元件相互又是独立的,因此即使固定在灯架内的某根热管失效、穿孔也不会对冷、热流体间的隔离与换热有多大影响。

  考虑到热管的快速导热性和很好的环境适应性,Neopac公司于2005年9月将热管散热技术应用在LED灯具上[3]。

  2 半导体热电转化器件原理及应用

  1821年,赛贝克发现,把两种不同的金属导体接成闭合电路时,如果把它的两个接点分别置于温度不同的两个环境中,则电路中就会有电流产生。这一现象称为塞贝克(Seebeck)效应,这种情况下产生电流的电动势叫做温差电动势。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差,该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。例如,铁与铜的冷接头为1e,热接头处为100e,则有512mV的温差电动势产生。

  图2为塞贝克效应示意图。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB,且有NA>NB,电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电,导体B则因获得电子而带负电,在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散,达到动态平衡时,在接触区形成一个稳定的电位差,即接触电势。

  图2 塞贝克效应示意图

  半导体的温差电势最明显,可用作热电转换器件。如图3,若将P型半导体和N型半导体在热端连接,则在冷端可得到一个电压,将很多个这样的PN串联结合起来并使其一端处于高温状态,另一端处于低温状态时,由于高温端的热激发作用较强,空穴和电子浓度也比低温端高,在这种载流子浓度梯度的驱动下,空穴和电子向低温端扩散,从而在低温开路端形成电势差[4]。

  图3 半导体温差发电堆实际结构示意图

  3 LED散热及能量收集系统

  3.1 系统综述

  结合上述散热和热电转换技术,本文提出的LED灯散热及能量回收系统能量流程包括散热、热电转化和储能三大部分,其系统流程如图4所示。余热首先通过内基板传导到LED平面后,经过两条能量流动链,第一条是通过半导体热电器件实现余热转换成电能的过程;第二条是通过热管技术使热能快速转移的过程,这条链上配合的可控风扇实现了这条能量链的自动调节。

  图4 系统流程图

  在应用中根据季节的变化,以第一条能量链为主,第二条为辅,以实现LED灯安全、高效地工作。

  3.2 结构设计

  系统主要包括LED平面光源、内外散热基板、热管散热器、片式半导体热电转换器件、散热翅片、双金属温度开关、散热风扇和储能电池。在实际应用中可根据不同要求灵活设计,图5为一种LED灯散热及余热回收系统结构示意图。

  图5 一种LED灯散热及余热回收系统示意图

  LED平面光源背部紧贴于内基板的下表面,散热器紧贴于内基板的上表面;每个外基板外侧设置有散热翅片;每个外基板内侧面与内基板外侧面之间设置有片式热电转换器,热电转换器与内基板外侧紧贴的一面为热端;热电转换器与外基板内侧紧贴的一面为冷端,各热电转换器的冷、热端通过串、并或串并此结构中的片式热电转换器,由基于塞贝克效应的半导体温差发电组件构成;散热器为热管散热器,其包括设置在散热风扇下方的散热翅片组和若干个热管,热管的一端为冷端,连接散热翅片组;热管的另一端为热端,连接一个紧贴在内基板上表面的铝座板,该铝座板上设置有双金属片温度开关,其输入端电连接储能转换单元;该双金属片温度开关的输出端电连接散热风扇,内、外基板由易导热的金属铜板制成;散热翅片由多个薄铝片按倒U形串联而成。

  3.3 工作过程

  LED平面光源由许多PN结颗粒组成,当其发光时仅有20%~30%的能量转换成光,其余70%~80%的能量则转换成热,这些余热如果不散发出去不仅会严重影响灯的寿命,而且还存在安全隐患。为了保证LED灯工作在安全的温度范围内,参照图4的系统流程图,首先是将聚集于LED平面光源的热量通过直接热传导的方式均匀分布于内基板。然后从节能方面考虑循环再利用发光产生的余热,即利用半导体热电转换器将热量转换成电能并经过储能转化单元暂存和转化后输出为部分LED照明用电及根据具体环境给散热风扇供电。在半导体热电转换器冷端的外基板外侧加散热翅片作辅助散热,以增大半导体热电转换器热、冷两端温差,提高热电转换效率。

  考虑到半导体热电效率和四季外界温度的不同,由内置双金属片温度开关的热管散热器和散热风扇组成余热疏散模块。其中热管散热器通过热管技术将内基板过多热量转移到其上部的倒U型散热翅片组,再结合风扇进行散热。

  双金属片温度开关是以温度值作为控制ONPOFF的温度组件。其原理是利用金属受热后弯曲的特性使内部的开关产生动作。分手动复归及自动复归型,本系统使用的是自动复归型。由于现有半导体热电转化器的热电效率并不是很高,如果在夏天室外温度较高时,势必会导致热量累积于基板周围无法散掉,我们用双金属片温度开关控制散热风扇来解决。一个典型的应用过程如下所述:一个双金属温度开关的闭合温度为50e,另一个为55e。根据LED功率大小具体设置散热翅片尺寸和风扇功率大小,当LED平面光源的温度达到50e时,即开关处感应到的温度达到50e时,一个开关闭合,控制风扇半速运转。这个状态是春秋季灯周围环境温度达到30e左右时会出现的情况。当LED平面光源的温度达到55e时两个开关都闭合,从而控制风扇全速运转,尽快散掉累积的余热。这是在夏季灯周围环境温度达到40e左右时会出现的情况。而在冬季或春秋季夜晚可能不会开启风扇,完全利用散热翅片组就可以使LED平面光源温度低于50e,所转化的电能全部用于辅助照明。因为所用开关为自动复归型,所以风扇的开启或关闭完全由LED平面光源温度决定,实现了真正的自动控制。

  总的来说,本系统在保证最大可能的余热回收利用率的同时,根据实际情况将热电转化过程中可能危害LED光源的多余热量及时散出,达到了安全、高效、节能的目的。

  4 结语

  本系统较之现有照明装置有以下4点优势:第一,将LED平面光源与散热、余热利用器件一起封装成新型照明装置,减小了体积;第二,突破了大功率LED光源的散热瓶颈,进一步扩大了LED灯的应用范围;第三,散热风扇经双金属片温度开关实现自动控制,更加精细高效。同时散热风扇不需要额外的电能供给,散热成本大幅降低;第四,也是本系统的最大特点:利用半导体热电转换回收余热,获得了高效节能的技术效果。市场上现有的半导体热电转换器的热电转化效率一般为30%,如LED发光功率的60%余热被送给半导体热电转换器,经测算,按我国2006年照明用电量约2100亿千瓦计算,利用此照明装置可转化产生378亿千瓦电量。

 

编辑:Cedar

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