大功率LED照明燈余熱驅動建筑輪廓燈的實驗研究

劉　東，黃紫旭

(西南科技大學土木工程與建筑學院,四川 綿陽　621010)

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大功率LED照明燈余熱驅動建筑輪廓燈的實驗研究

劉東，黃紫旭

(西南科技大學土木工程與建筑學院,四川 綿陽621010)

現代建筑往往需要建筑輪廓燈來美化亮化，同時在建筑周圍往往有大功率LED照明燈提供照明需求。為了節約電能，本文利用半導體溫差發電和熱管散熱技術，將照明用LED燈的余熱回收并用于驅動建筑輪廓燈，并搭建實驗臺進行實驗研究，結果表明：實驗測試用的80W大功率LED照明燈所產生的余熱發電可以驅動170個小功率建筑輪廓燈，余熱回收率為27.8%,且系統運行時間同步，無需外部存儲設備。

建筑輪廓燈；大功率LED；溫差發電；熱管

引言

建筑輪廓燈是用來在夜間勾勒建筑物的輪廓，突出美化亮化建筑物，隨著城市的發展而成為城市裝飾的一種方式。目前提供建筑輪廓燈照明的能源一般來自于電網中的電能， 因此為了美化亮化建筑物，消耗了大量的能量[1-2]。而在建筑物周圍，為了提供道路或景觀照明，往往都會采用大功率LED照明光源。雖然LED照明相比白熾燈節能效果明顯，但是其光電轉換效率仍然只有20%～30%，其余的能量轉變成熱量而通過其固定的散熱設計排出，不然會導致LED燈燒毀等嚴重后果[3]。

隨著散熱技術的發展，熱管散熱等高效散熱技術被越來越多應用到照明工程中[4]，這些技術雖然解決了當前照明用LED燈的應用，但是卻將余熱直接散發到空氣中而浪費了大量的能量，而將余熱利用回收最簡單的方式即為半導體溫差發電技術，其具有無運動部件、體積小、重量輕、性能可靠、運行時無噪聲、壽命長、移動靈活等優點，被廣泛應用到各種場合[5-7]。

本設計將熱管散熱技術和半導體溫差發電技術相結合，在保證照明用大功率LED正常工作的前提下，利用其所產生的余熱回收發電為建筑輪廓燈提供電能，實現無外加電源驅動建筑輪廓燈的目的，為了驗證其設計效果，搭建系統運行實驗臺，實驗研究系統的啟動時間特性，LED照明燈溫度和溫差對輸出電壓的影響，并對余熱回收效率進行了分析。

1　實驗系統設計

實驗系統及結構圖如圖1所示，由建筑模型1、八個10W的照明用大功率LED燈2、L型毛細熱管3、溫差發電片4、大功率LED驅動電源5、建筑輪廓燈6等組成。在大功率LED燈背面用導熱膠粘貼溫差發電片，并在溫差發電片的另一面粘貼L型毛細熱管，半導體溫差發電片輸出端連通建筑模型上的建筑輪廓燈。具體工作流程如下：大功率LED驅動電源通電后，大功率LED燈開始工作，此時在提供照明的同時產生余熱，余熱通過半導體溫差發電片后由熱管散出，從而保證大功率LED燈正常工作，而當余熱熱流通過半導體溫差發電片后，溫差發電片產生電能并驅動建筑模型上的建筑輪廓燈工作，從而實現夜間照明的同時實現無外加電源驅動建筑輪廓燈的目的。

為了測試系統的運行特性，分別在半導體溫差發電片兩側布置用于測溫的K型熱電偶，并連接數據采集儀進行溫度測量，同時在半導體溫差發電片輸出端放置電壓和電流表，用來測試半導體溫差發電片的輸出功率。

圖1　裝置整體實物圖及結構圖Fig.1　Picture of real products and structure

2　實驗測試結果及分析

2.1實驗測試效果

從傳熱學基礎理論可知，當溫差發電片導熱熱阻一定時，其通過的熱流將直接影響溫差發電片兩端的溫差，從而影響溫差發電片的發電量，本設計將熱管高效散熱技術應用其中結合溫差發電片的特性，實現了大功率LED燈正常工作，溫差發電片高效發電并對建筑輪廓燈提供電能的目的。通過實驗臺測試發現：在大功率LED燈基底溫度不高于70℃的情況下，80W的LED燈正常工作時可以點亮由170個小功率LED燈組成的建筑輪廓燈(圖2，為了更清晰拍攝，對大功率LED燈進行了遮擋)。

圖2　建筑輪廓燈照明實驗效果圖Fig.2　Picture of real products and structure

2.2系統啟動特性

圖3為大功率LED照明燈啟動后半導體溫差發電片兩側溫度計溫差隨時間的變化關系圖，其中半導體發電片高溫側溫度T1,低溫側溫度T2，溫差為ΔT。從圖3中可以看出，大功率LED照明燈啟動后，半導體溫差發電片高溫側和低溫側的溫差迅速增加，當啟動60s后兩端溫度增加速度變緩，而當啟動140s后，其高溫端和低溫端溫度不再發生變化，系統運行達到穩定，溫差恒定在(55～57)℃之間，建筑輪廓燈開始穩定運行，因此采用大功率LED照明燈余熱驅動建筑輪廓燈照明時二者穩定運行時間僅相差140s左右，系統同步性高，可以滿足夜景照明需求且無需電能存儲設備。

圖3　啟動時溫度隨時間變化關系(環境溫度T=20℃)Fig.3　Picture of real products and structure (T=20℃)

2.3系統運行特性

圖4為大功率LED照明燈余熱驅動建筑輪廓燈裝置負載運行時高溫側和低溫側溫度隨時間的變化關系，其中發電片高溫側溫度T1,低溫側溫度T2，從圖中可以看出，系統在2 min內可以啟動，并且穩定運行，高溫側和低溫側溫度波動較小，分別維持在70℃和22℃左右，因此運行時溫差發電片兩端的溫差恒定。圖5為溫差發電片溫差與輸出電壓隨時間變化關系，從圖5中可以看出：該裝置在啟動后2 min內可以持續工作，溫差恒定在47～50℃之間，輸出電壓達到2.9 V?？梢詽M足建筑輪廓燈照明的電壓需求。

圖4　溫差發電片高低溫側溫度隨時間變化關系(環境T=18℃)Fig.4　Relationship between temperature and temperature of thermoelectric generator (T=18℃)

圖5　溫差發電片溫差與電壓隨時間變化關系(環境T=18℃)Fig.5　Relationship between temperature and voltage of thermoelectric generator (T=18 ℃)

3　裝置效率及優缺點分析

本裝置采用8個10W的大功率LED燈提供照明，其總功率為80W，假設其有70%的電量轉化成為熱能，因此其需要散失到空氣中的余熱為56 W，考慮到熱損失，通過半導體溫差發電片以及熱管導出的熱量計為90%，此時通過半導體溫差發電片的熱量為50.4 W，實驗中裝置能點亮170個小功率LED燈，小燈最低工作電壓為2.5 V，電流為5 mA，因此溫差發電片輸出功率為2.125 W。本裝置產生的余熱的熱電轉化效率為

(1)

根據卡諾循環可知：熱端溫度為70℃，而冷端溫度為18℃，其最大的熱電轉化效率為

(2)

因此本裝置的余熱回收率為

(3)

因此本裝置余熱回收率為27.8%，現有溫差發電技術的余熱回收效率大約一致[5]。且實現能量梯級利用，達到了節能減排的效果，大功率LED照明燈和建筑輪廓燈開啟時段相同，余熱回收發電無需存儲，即產即用，無外加蓄電裝置，結構簡單。

4　結論

本文利用半導體溫差發電和熱管散熱技術，對照明用LED燈的余熱回收并用于驅動建筑輪廓燈的設計進行實驗研究，得出如下結論：

1)實驗測試用的80W大功率LED照明燈所產生的余熱可驅動170個小功率LED燈，余熱回收率為27.8%。

2)采用大功率LED照明燈余熱驅動建筑輪廓燈照明在時間一致性較好且系統運行穩定，可以滿足夜景照明需求且無需電能存儲設備。

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The Experimental Study of the Waste Heat of High-Power Illumination LED Lamp Device Building Clearance Lights

LIU Dong， HUANG Zixu

(School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang621010,China)

Modern architecture often requires building clearance lights beautification, and around this architecture there often need high-power illumination LED lamps to provide the lighting. To save energy, this paper take advantage of semiconductor thermoelectric power generation and heat pipe cooling technology, using the waste heat of high-power illumination LED lamp drive building clearance lights, the results shows that: the waste heat of 80W high power LED lighting can driving the 170 small power building clearance lights, the rate of heat recovery was 27.8%, the high-power illumination LED lamp and the building clearance lights time synchronization without external storage devices.

building clearance light；high-power LED；thermoelectric power generation；heat pipe

國家自然科學基金(51306156)，綿陽市科技局應用基礎研究項目(14G-09-3)，四川省苗子計劃(2014-065)

劉東，E-mail：dtld123@126.com

TK124

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.026