大功率LED照明灯余热驱动建筑轮廓灯的实验研究

刘　东，黄紫旭

(西南科技大学土木工程与建筑学院,四川 绵阳　621010)



大功率LED照明灯余热驱动建筑轮廓灯的实验研究

刘东，黄紫旭

(西南科技大学土木工程与建筑学院,四川 绵阳621010)

现代建筑往往需要建筑轮廓灯来美化亮化，同时在建筑周围往往有大功率LED照明灯提供照明需求。为了节约电能，本文利用半导体温差发电和热管散热技术，将照明用LED灯的余热回收并用于驱动建筑轮廓灯，并搭建实验台进行实验研究，结果表明：实验测试用的80W大功率LED照明灯所产生的余热发电可以驱动170个小功率建筑轮廓灯，余热回收率为27.8%,且系统运行时间同步，无需外部存储设备。

建筑轮廓灯；大功率LED；温差发电；热管

引言

建筑轮廓灯是用来在夜间勾勒建筑物的轮廓，突出美化亮化建筑物，随着城市的发展而成为城市装饰的一种方式。目前提供建筑轮廓灯照明的能源一般来自于电网中的电能， 因此为了美化亮化建筑物，消耗了大量的能量[1-2]。而在建筑物周围，为了提供道路或景观照明，往往都会采用大功率LED照明光源。虽然LED照明相比白炽灯节能效果明显，但是其光电转换效率仍然只有20%～30%，其余的能量转变成热量而通过其固定的散热设计排出，不然会导致LED灯烧毁等严重后果[3]。

随着散热技术的发展，热管散热等高效散热技术被越来越多应用到照明工程中[4]，这些技术虽然解决了当前照明用LED灯的应用，但是却将余热直接散发到空气中而浪费了大量的能量，而将余热利用回收最简单的方式即为半导体温差发电技术，其具有无运动部件、体积小、重量轻、性能可靠、运行时无噪声、寿命长、移动灵活等优点，被广泛应用到各种场合[5-7]。

本设计将热管散热技术和半导体温差发电技术相结合，在保证照明用大功率LED正常工作的前提下，利用其所产生的余热回收发电为建筑轮廓灯提供电能，实现无外加电源驱动建筑轮廓灯的目的，为了验证其设计效果，搭建系统运行实验台，实验研究系统的启动时间特性，LED照明灯温度和温差对输出电压的影响，并对余热回收效率进行了分析。

1　实验系统设计

实验系统及结构图如图1所示，由建筑模型1、八个10W的照明用大功率LED灯2、L型毛细热管3、温差发电片4、大功率LED驱动电源5、建筑轮廓灯6等组成。在大功率LED灯背面用导热胶粘贴温差发电片，并在温差发电片的另一面粘贴L型毛细热管，半导体温差发电片输出端连通建筑模型上的建筑轮廓灯。具体工作流程如下：大功率LED驱动电源通电后，大功率LED灯开始工作，此时在提供照明的同时产生余热，余热通过半导体温差发电片后由热管散出，从而保证大功率LED灯正常工作，而当余热热流通过半导体温差发电片后，温差发电片产生电能并驱动建筑模型上的建筑轮廓灯工作，从而实现夜间照明的同时实现无外加电源驱动建筑轮廓灯的目的。

为了测试系统的运行特性，分别在半导体温差发电片两侧布置用于测温的K型热电偶，并连接数据采集仪进行温度测量，同时在半导体温差发电片输出端放置电压和电流表，用来测试半导体温差发电片的输出功率。

图1　装置整体实物图及结构图Fig.1　Picture of real products and structure

2　实验测试结果及分析

2.1实验测试效果

从传热学基础理论可知，当温差发电片导热热阻一定时，其通过的热流将直接影响温差发电片两端的温差，从而影响温差发电片的发电量，本设计将热管高效散热技术应用其中结合温差发电片的特性，实现了大功率LED灯正常工作，温差发电片高效发电并对建筑轮廓灯提供电能的目的。通过实验台测试发现：在大功率LED灯基底温度不高于70℃的情况下，80W的LED灯正常工作时可以点亮由170个小功率LED灯组成的建筑轮廓灯(图2，为了更清晰拍摄，对大功率LED灯进行了遮挡)。

图2　建筑轮廓灯照明实验效果图Fig.2　Picture of real products and structure

2.2系统启动特性

图3为大功率LED照明灯启动后半导体温差发电片两侧温度计温差随时间的变化关系图，其中半导体发电片高温侧温度T1,低温侧温度T2，温差为ΔT。从图3中可以看出，大功率LED照明灯启动后，半导体温差发电片高温侧和低温侧的温差迅速增加，当启动60s后两端温度增加速度变缓，而当启动140s后，其高温端和低温端温度不再发生变化，系统运行达到稳定，温差恒定在(55～57)℃之间，建筑轮廓灯开始稳定运行，因此采用大功率LED照明灯余热驱动建筑轮廓灯照明时二者稳定运行时间仅相差140s左右，系统同步性高，可以满足夜景照明需求且无需电能存储设备。

图3　启动时温度随时间变化关系(环境温度T=20℃)Fig.3　Picture of real products and structure (T=20℃)

2.3系统运行特性

图4为大功率LED照明灯余热驱动建筑轮廓灯装置负载运行时高温侧和低温侧温度随时间的变化关系，其中发电片高温侧温度T1,低温侧温度T2，从图中可以看出，系统在2 min内可以启动，并且稳定运行，高温侧和低温侧温度波动较小，分别维持在70℃和22℃左右，因此运行时温差发电片两端的温差恒定。图5为温差发电片温差与输出电压随时间变化关系，从图5中可以看出：该装置在启动后2 min内可以持续工作，温差恒定在47～50℃之间，输出电压达到2.9 V。可以满足建筑轮廓灯照明的电压需求。

图4　温差发电片高低温侧温度随时间变化关系(环境T=18℃)Fig.4　Relationship between temperature and temperature of thermoelectric generator (T=18℃)

图5　温差发电片温差与电压随时间变化关系(环境T=18℃)Fig.5　Relationship between temperature and voltage of thermoelectric generator (T=18 ℃)

3　装置效率及优缺点分析

本装置采用8个10W的大功率LED灯提供照明，其总功率为80W，假设其有70%的电量转化成为热能，因此其需要散失到空气中的余热为56 W，考虑到热损失，通过半导体温差发电片以及热管导出的热量计为90%，此时通过半导体温差发电片的热量为50.4 W，实验中装置能点亮170个小功率LED灯，小灯最低工作电压为2.5 V，电流为5 mA，因此温差发电片输出功率为2.125 W。本装置产生的余热的热电转化效率为

(1)

根据卡诺循环可知：热端温度为70℃，而冷端温度为18℃，其最大的热电转化效率为

(2)

因此本装置的余热回收率为

(3)

因此本装置余热回收率为27.8%，现有温差发电技术的余热回收效率大约一致[5]。且实现能量梯级利用，达到了节能减排的效果，大功率LED照明灯和建筑轮廓灯开启时段相同，余热回收发电无需存储，即产即用，无外加蓄电装置，结构简单。

4　结论

本文利用半导体温差发电和热管散热技术，对照明用LED灯的余热回收并用于驱动建筑轮廓灯的设计进行实验研究，得出如下结论：

1)实验测试用的80W大功率LED照明灯所产生的余热可驱动170个小功率LED灯，余热回收率为27.8%。

2)采用大功率LED照明灯余热驱动建筑轮廓灯照明在时间一致性较好且系统运行稳定，可以满足夜景照明需求且无需电能存储设备。

[1] 敖敦,呼丽瑶,王雷,等. 呼和浩特市园林绿地照明工程类型及其景观功能分析[J]. 照明工程学报，2015，26(4):129-134.

[2] 王洁. 城市夜景照明设计与研究——以徐州经济开发区照明设计为例[J].中外建筑，2015，(6):158-160.

[3] 冯巧波,朱瑞,唐国安.热沉对LED 灯具散热性能的影响[J]. 照明工程学报，2014，25(3):80-83.

[4] 鲁祥友,华泽钊,方廷勇，等.照明用大功率LED 回路热管散热器的研究[J].制冷技术，2010，38(6): 51-74.

[5] 赵建云.温差发电技术的研究进展及现状[J].电源技术，2010,34(3):310-312.

[6] MASAHIDE M, MICHIO M, MASARU O. Thermoelectric generator utilizing automobile engine exhaust gas[J]. Thermal Science and Engineering, 2001,9:17-18.

[7] 闫荣格,张晓红,吴越超,等.汽车中冷器余热温差发电的研究[J].节能技术, 2016, 35(9):62-68.

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

国家自然科学基金(51306156)，绵阳市科技局应用基础研究项目(14G-09-3)，四川省苗子计划(2014-065)

刘东，E-mail：dtld123@126.com

TK124

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