Kajian Kebolehlaksanaan: Menukar Kehilangan Haba LED kepada Cahaya melalui Modul Termoelektrik

Kandungan

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Kertas kerja ini menyiasat pendekatan novel untuk meningkatkan kecekapan keseluruhan sistem pencahayaan Diod Pemancar Cahaya (LED) berkuasa tinggi. Walaupun LED sangat cekap berbanding sumber cahaya tradisional, sebahagian besar (60-70%) tenaga elektrik input masih terlesap sebagai haba. Inovasi teras yang dicadangkan adalah untuk menggunakan haba buangan ini, bukan hanya untuk penyejukan, tetapi sebagai sumber tenaga. Dengan mengintegrasikan modul penjana termoelektrik (TEG) berdasarkan kesan Seebeck, kecerunan haba merentasi penyejuk LED ditukar kembali kepada tenaga elektrik, yang kemudiannya digunakan untuk menggerakkan LED tambahan, dengan itu "mengitar semula" kehilangan kepada output cahaya yang berguna.

2. Konsep Teras & Motivasi

Fungsi utama LED adalah untuk menghasilkan cahaya. Oleh itu, mana-mana sistem yang menukar kehilangan tenaga (haba, dalam kes ini) kembali kepada cahaya secara langsung meningkatkan keberkesanan bercahaya sistem. Berbeza dengan kegunaan biasa modul Peltier untuk penyejukan aktif dalam sistem LED [1-6], kerja ini menggunakannya semula sebagai pengutip tenaga. Kajian ini memberi tumpuan kepada LED Chip-on-Board (COB) berkuasa tinggi (Bridgelux BXRA-W3500) untuk menunjukkan kebolehlaksanaan konsep ini.

3. Pemodelan Haba & Simulasi

Pemodelan haba yang tepat adalah penting untuk meramalkan tenaga yang tersedia untuk penukaran. Kajian ini menggunakan perisian COMSOL Multiphysics untuk mensimulasikan pemindahan haba dari simpang LED melalui pelbagai lapisan ke udara ambien.

3.1 Analisis Rangkaian Haba

Model rangkaian rintangan haba yang dipermudahkan digunakan untuk menganalisis aliran haba, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 PDF. Parameter utama adalah:

• $Q$: Aliran haba dari panas ke sejuk.
• $T_j$, $T_c$, $T_h$, $T_{amb}$: Suhu pada simpang, kes, lampiran penyejuk, dan ambien, masing-masing.
• $R_{\theta jc}$, $R_{\theta ch}$, $R_{\theta ha}$: Rintangan haba antara titik-titik ini.

Rintangan keseluruhan simpang-ke-ambien diberikan oleh:

$R_{\theta, J-amb} = \frac{T_j - T_{amb}}{P_d}$     [1]

Dan ia boleh diuraikan sebagai:

$R_{\theta, j-amb} = R_{\theta, j-c} + R_{\theta, c-h} + R_{\theta, h-amb}$     [2]

Di mana $P_d$ ialah kuasa yang terlesap. Meminimumkan rintangan ini adalah penting untuk mewujudkan kecerunan suhu ($\Delta T$) yang mencukupi merentasi TEG.

3.2 Keputusan Simulasi COMSOL

Simulasi membandingkan profil haba sistem LED dengan dan tanpa modul termoelektrik bersepadu (Rajah 2 dalam PDF). Model dengan TEG menunjukkan laluan fluks haba yang diubah suai, mengesahkan bahawa sebahagian tenaga haba boleh disekat dan ditukar sebelum dilepaskan ke penyejuk dan udara ambien. Ini mengesahkan penempatan konseptual dan potensi TEG.

4. Persediaan Eksperimen & Keputusan

Model teori disahkan melalui pembuatan prototaip fizikal.

4.1 Prototaip dengan TEG Tunggal

Prototaip pertama (Rajah 3 dalam PDF) terdiri daripada LED Bridgelux, satu TEG tunggal, dan penyejuk. Ia berjaya menjana output elektrik daripada haba buangan LED: $V = 1V$, $I = 300mA$. Walau bagaimanapun, voltan ini adalah di bawah voltan hadapan (biasanya ~1.6V) yang diperlukan untuk menyalakan LED merah standard, menunjukkan cabaran utama: mencapai $\Delta T$ yang mencukupi untuk tahap voltan praktikal.

4.2 Prototaip dengan Dua TEG dalam Siri

Untuk mengatasi had voltan, TEG kedua ditambah secara bersiri dengan yang pertama. Konfigurasi ini meningkatkan jumlah voltan litar terbuka, memungkinkan untuk berjaya menyalakan LED bantu. Eksperimen ini membuktikan kebolehlaksanaan teras: tenaga haba buangan daripada LED utama boleh ditukar kepada elektrik untuk menghasilkan cahaya tambahan.

5. Analisis Teknikal & Kerangka Kerja

Pandangan Teras: Kertas kerja ini bukan tentang peningkatan kecekapan marginal; ia adalah cabaran asas kepada falsafah reka bentuk fotonik berkuasa tinggi. Obsesi industri dengan pengurusan haba semata-mata bersifat defensif—membuang haba untuk melindungi LED. Penyelidikan ini membalikkan skrip, mencadangkan strategi ofensif: menggunakan kecerunan haba sebagai senjata. Ia menganggap jejak haba LED bukan sebagai liabiliti tetapi sebagai bas kuasa parasit sekunder. Inovasi sebenar adalah integrasi konseptual sistem kuasa dan haba gabungan (CHP) berskala mikro dalam satu unit pencahayaan tunggal.

Aliran Logik: Logiknya linear dengan elegan tetapi mendedahkan realiti yang keras. 1) LED membazirkan 60-70% tenaga sebagai haba. 2) Termoelektrik menukar perbezaan haba kepada elektrik. 3) Oleh itu, pasangkan TEG pada LED. Walau bagaimanapun, aliran ini tersandung pada penukaran kualiti tenaga. Kesan Seebeck terkenal tidak cekap (sering <5% untuk $\Delta T$ rendah sedemikian). Keputusan eksperimen kertas kerja (1V, 300mA daripada LED setara 64W) mendedahkan matematik yang keras: kuasa elektrik yang dipulihkan adalah pecahan kecil daripada kehilangan haba. "Kebolehlaksanaan" yang ditunjukkan lebih bersifat termodinamik daripada ekonomi.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatannya adalah pendekatan visionari dan rentas disiplinnya, menggabungkan pencahayaan keadaan pepejal dengan pengutipan tenaga—sinergi yang sering dibincangkan dalam teori (cth., dalam ulasan daripada program R&D pencahayaan Jabatan Tenaga AS) tetapi jarang dilaksanakan. Bukti konsep eksperimen adalah jelas. Kelemahan maut adalah ketidakpadanan semasa dalam ketumpatan tenaga. Ketumpatan kuasa fluks haba LED berkuasa tinggi adalah tinggi, tetapi kecekapan penukaran TEG suhu bilik yang mampu milik (seperti modul Bi2Te3) adalah sangat rendah. Kos tambahan, kerumitan, dan isu kebolehpercayaan berpotensi TEG dan litar pengurusan kuasanya mungkin tidak dapat dibenarkan oleh jumlah cahaya kitar semula yang kecil. Ia berisiko menjadi penyelesaian "pintar" yang mencari masalah yang boleh dilaksanakan.

Pandangan Boleh Tindak: Untuk ini melangkaui rasa ingin tahu makmal, penyelidikan mesti berputar. 1) Sempadan Bahan: Tumpuan mesti beralih kepada bahan termoelektrik novel (cth., skutterudit, half-Heusler) atau komposit berstruktur nano yang menjanjikan nilai ZT lebih tinggi pada kecerunan suhu hampir bilik, seperti yang diterokai dalam jurnal bahan termaju. 2) Reka Bentuk Bersama Sistem: LED dan TEG tidak boleh hanya dipasang. Kita perlukan reka bentuk bersama monolitik—pakej LED direka dari awal dengan struktur termoelektrik bersepadu, mengoptimumkan kedua-dua pancaran foton dan pengutipan fonon. 3) Ceruk Pertama: Sasarkan aplikasi di mana haba benar-benar "percuma" dan berharga, dan kecekapan mengatasi kos. Fikirkan kenderaan aeroangkasa atau bawah air di mana setiap watt beban elektrik yang dijimatkan adalah kritikal, dan haba buangan adalah banyak. Pasaran pencahayaan komersial yang luas akan kekal di luar jangkauan sehingga termodinamik asas bertambah baik dengan satu magnitud.

Contoh Kerangka Analisis

Kes: Menilai Kebolehgunaan untuk Pencahayaan Jalan
Langkah 1 - Audit Tenaga: Lampu jalan LED 150W melepaskan ~100W sebagai haba. Andaikan $\Delta T$ 40°C merentasi penyejuk.
Langkah 2 - Pemetaan Prestasi TEG: Menggunakan helaian data TEG standard (cth., TEC1-12706), pekali Seebeck $\alpha$ ~ 0.05 V/K. Teori $V_{oc} = \alpha \cdot \Delta T \cdot N$ di mana N ialah pasangan gandingan. Untuk 127 pasangan, $V_{oc} \approx 0.05 * 40 * 127 = 254V$ (litar terbuka, tidak praktikal). Voltan titik kuasa maksimum sebenar jauh lebih rendah.
Langkah 3 - Pengiraan Kuasa: Kuasa output maksimum $P_{max} = (\alpha^2 \cdot \Delta T^2 \cdot N) / (4 \cdot R)$ di mana R ialah rintangan dalaman. Walaupun dengan nombor optimistik, $P_{max}$ sering <5W untuk persediaan sedemikian.
Langkah 4 - Analisis Kos-Faedah: Menambah $50-$100 TEG dan penyelarasan kuasa untuk memulihkan <5W (peningkatan sistem berkesan 3%) mempunyai tempoh bayar balik melebihi jangka hayat unit. Kerangka ini dengan cepat mengenal pasti halangan ekonomi.

6. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju

Aplikasi segera adalah terhad kepada sistem ceruk bernilai tinggi di mana kitar semula tenaga membenarkan kos dan kerumitan, seperti dalam pencahayaan luar grid terpencil yang dikuasakan oleh bateri atau dalam persekitaran tertutup di mana mengurangkan beban haba adalah dua kali ganda manfaatnya.

Hala tuju penyelidikan masa depan harus memberi tumpuan kepada:

1. Bahan Termoelektrik Termaju: Mengintegrasikan bahan ZT tinggi seperti bismuth telluride berstruktur nano atau polimer novel yang beroperasi dengan cekap pada kecerunan suhu lebih rendah.
2. Integrasi Tahap Sistem: Mereka bentuk pakej LED dengan lapisan termoelektrik terbina dalam, beralih daripada modul diskret tambahan.
3. Pengutipan Tenaga Hibrid: Menggabungkan penukaran termoelektrik dengan kaedah lain, seperti menukar sebahagian cahaya yang dipancarkan LED sendiri melalui sel fotovoltaik untuk sistem gelung tertutup kecekapan ultra-tinggi.
4. Pengurusan Kuasa Pintar: Membangunkan penukar DC-DC kerugian ultra-rendah yang direka khusus untuk mengendalikan output berubah-ubah voltan rendah daripada TEG untuk menggerakkan LED bantu atau penimbal cas dengan cekap.

7. Rujukan

1. [1-6] Pelbagai kajian mengenai modul Peltier untuk penyejukan LED (seperti yang dirujuk dalam PDF asal).
2. U.S. Department of Energy. (2023). Solid-State Lighting R&D Plan. Diambil daripada energy.gov.
3. He, J., & Tritt, T. M. (2017). Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward. Science, 357(6358).
4. Zhu, H., et al. (2022). High-performance near-room-temperature thermoelectric materials. Nature Reviews Materials, 7(6).
5. Bridgelux. BXRA-W3500 Data Sheet. [8] dalam PDF asal.
6. COMSOL Multiphysics®. www.comsol.com.