目錄
1. 簡介與概述
本文研究一種新方法，旨在提升高功率發光二極管（LED）照明系統嘅整體效率。雖然LED相比傳統光源已經非常高效，但仍有相當一部分（60-70%）輸入電能會以熱能形式散失。本文提出嘅核心創新係利用呢啲廢熱，唔單止用嚟散熱，更將其視為一種能源。通過整合基於塞貝克效應嘅熱電發電機（TEG）模組，將LED散熱器上嘅溫度梯度轉化返做電能，然後用嚟驅動額外嘅LED，從而將損耗「回收」成有用嘅光輸出。
2. 核心概念與動機
LED嘅主要功能係發光。因此，任何能夠將能量損耗（本文指熱能）轉化返做光嘅系統，都能直接提升系統嘅發光效能。與常見嘅將珀爾帖模組用於LED系統主動冷卻嘅做法唔同 [1-6]，本研究將其重新定位為能量收集器。研究聚焦於一個高功率板上芯片（COB）LED（Bridgelux BXRA-W3500），以展示呢個概念嘅可行性。
3. 熱力建模與模擬
準確嘅熱力建模對於預測可用於轉化嘅能量至關重要。本研究採用COMSOL Multiphysics軟件模擬熱量從LED結點通過各層傳遞到環境空氣嘅過程。
3.1 熱網絡分析
採用簡化嘅熱阻網絡模型分析熱流，如PDF中圖1所示。關鍵參數包括：
- $Q$：從熱端流向冷端嘅熱流。
- $T_j$, $T_c$, $T_h$, $T_{amb}$：分別代表結點、外殼、散熱器安裝點同環境溫度。
- $R_{\theta jc}$, $R_{\theta ch}$, $R_{\theta ha}$：各點之間嘅熱阻。
總體結點到環境熱阻由以下公式給出：
$R_{\theta, J-amb} = \frac{T_j - T_{amb}}{P_d}$ [1]
並且可以分解為：
$R_{\theta, j-amb} = R_{\theta, j-c} + R_{\theta, c-h} + R_{\theta, h-amb}$ [2]
其中 $P_d$ 係散失功率。最小化呢啲熱阻對於喺TEG兩端產生足夠溫度梯度（$\Delta T$）至關重要。
3.2 COMSOL模擬結果
模擬比較咗整合熱電模組前後LED系統嘅熱分佈（PDF中圖2）。整合TEG嘅模型顯示出修改後嘅熱通量路徑，證實一部分熱能喺散失到散熱器同環境空氣之前可以被截獲同轉化。呢個結果驗證咗TEG嘅概念性放置位置同潛力。
4. 實驗設置與結果
理論模型通過實物原型進行驗證。
4.1 單一TEG原型
第一個原型（PDF中圖3）包括Bridgelux LED、一個單一TEG同一個散熱器。佢成功從LED廢熱中產生電輸出：$V = 1V$，$I = 300mA$。然而，呢個電壓低於點亮一個標準紅色LED所需嘅正向電壓（通常約1.6V），揭示咗一個關鍵挑戰：為達到實用電壓水平，需要足夠嘅 $\Delta T$。
4.2 串聯雙TEG原型
為克服電壓限制，將第二個TEG與第一個串聯。呢種配置增加咗總開路電壓，使得成功點亮一個輔助LED成為可能。呢個實驗證明咗核心可行性：主LED嘅廢熱能可以轉化為電能，用於產生額外光線。
5. 技術分析與框架
核心洞察： 本文唔係講邊際效率提升；佢係對高功率光子學設計理念嘅根本性挑戰。業界對熱管理嘅執著一直係純粹防禦性嘅——散走熱量以保護LED。本研究扭轉咗劇本，提出一種進攻性策略：將溫度梯度武器化。佢將LED嘅熱足跡唔視為負債，而係一個次要嘅、寄生嘅電源總線。真正嘅創新係將一個微尺度熱電聯產（CHP）系統概念性整合到單一照明裝置內。
邏輯流程： 邏輯優雅線性，但揭示咗一個嚴峻現實。1) LED將60-70%能量以熱能浪費。2) 熱電技術將溫差轉化為電能。3) 因此，將TEG綁喺LED上。然而，流程喺能量品質轉化上遇到障礙。塞貝克效應效率出名低（對於咁低嘅 $\Delta T$，通常 <5%）。論文嘅實驗結果（從一個64W等效LED獲得1V，300mA）赤裸裸展示咗殘酷嘅數學：回收嘅電功率只係熱損耗嘅一小部分。所展示嘅「可行性」更多係熱力學上嘅，而非經濟上嘅。
優點與缺陷： 其優點在於具備遠見、跨學科嘅方法，將固態照明與能量收集結合——呢種協同效應理論上經常被討論（例如喺美國能源部照明研發計劃嘅綜述中），但好少實施。實驗性概念驗證清晰。致命缺陷係當前能量密度唔匹配。高功率LED熱通量嘅功率密度好高，但價格相宜、室溫下工作嘅TEG（例如Bi2Te3模組）嘅轉換效率極低。TEG及其電源管理電路所增加嘅成本、複雜性同潛在可靠性問題，可能永遠無法由回收嘅微量光能所抵消。佢有淪為為咗解決一個唔存在嘅可行問題而設計嘅「聰明」方案嘅風險。
可行見解： 要超越實驗室嘅新奇玩意，研究必須轉向。1) 材料前沿： 焦點必須轉向新型熱電材料（例如方鈷礦、半赫斯勒合金）或納米結構複合材料，呢啲材料有望喺近室溫梯度下提供更高ZT值，正如先進材料期刊所探討嘅。2) 系統協同設計： LED同TEG唔可以簡單拼湊。我哋需要單片式協同設計——從頭開始設計集成熱電結構嘅LED封裝，同時優化光子發射同聲子收集。3) 從利基市場入手： 針對熱能真係「免費」且有價值、效率重於成本嘅應用。例如航空航天或水下載具，其中節省每一瓦電負載都至關重要，而廢熱又非常豐富。喺基礎熱力學效率提升一個數量級之前，廣泛嘅商業照明市場將仍然遙不可及。
分析框架示例
案例：評估路燈應用可行性
步驟 1 - 能源審計： 一個150W LED路燈散失約100W熱能。假設散熱器上 $\Delta T$ 為40°C。
步驟 2 - TEG性能映射： 使用標準TEG數據手冊（例如TEC1-12706），塞貝克係數 $\alpha$ ~ 0.05 V/K。理論開路電壓 $V_{oc} = \alpha \cdot \Delta T \cdot N$，其中N係電偶對數。對於127對，$V_{oc} \approx 0.05 * 40 * 127 = 254V$（開路，不切實際）。實際最大功率點電壓低好多。
步驟 3 - 功率計算： 最大輸出功率 $P_{max} = (\alpha^2 \cdot \Delta T^2 \cdot N) / (4 \cdot R)$，其中R係內阻。即使採用樂觀數字，對於呢種設置，$P_{max}$ 通常 <5W。
步驟 4 - 成本效益分析： 增加價值 $50-$100 嘅TEG同電源調節電路去回收 <5W（3%嘅有效系統增益），其投資回報期超過燈具壽命。呢個框架快速識別出經濟障礙。
6. 未來應用與方向
目前嘅直接應用僅限於利基、高價值系統，其中能量回收嘅價值足以抵消成本同複雜性，例如由電池供電嘅偏遠離網照明，或者喺封閉環境中，減少熱負載具有雙重效益。
未來研究方向應聚焦於：
- 先進熱電材料： 整合高ZT材料，例如納米結構碲化鉍或新型聚合物，呢啲材料能夠喺較低溫度梯度下高效工作。
- 系統級整合： 設計具有內置熱電層嘅LED封裝，擺脫離散、外加模組嘅模式。
- 混合能量收集： 將熱電轉換與其他方法結合，例如通過光伏電池轉換部分LED自身發出嘅光，用於超高效率閉環系統。
- 智能電源管理： 開發專為處理TEG嘅低電壓、可變輸出而設計嘅超低損耗DC-DC轉換器，以高效驅動輔助LED或為緩衝器充電。
7. 參考文獻
- [1-6] 關於珀爾帖模組用於LED冷卻嘅多項研究（如原始PDF所引用）。
- U.S. Department of Energy. (2023). 固態照明研發計劃。 取自 energy.gov。
- He, J., & Tritt, T. M. (2017). 熱電材料研究進展：回顧與展望。 科學, 357(6358).
- Zhu, H., 等人. (2022). 高性能近室溫熱電材料。 自然綜述：材料, 7(6).
- Bridgelux. BXRA-W3500數據手冊。 [8] 原始PDF中。
- COMSOL Multiphysics®. www.comsol.com。