熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗

由 4.3.1 的實驗可得知 LED 在增加耗電量時，相對照度提升的百分比。接下 來即可把熱電致冷器也考慮進整個系統的使用中，固定 LED 耗電量，增加熱電 致冷器的耗電量，觀察熱電致冷器額外消耗的電能對於 LED 照度提升的影響，

並比較單獨 LED 與 LED-熱電致冷器散熱系統的總耗電量與照度提升百分比。實 驗步驟如下：

（1） 把 LED 樣品置於量測設備上，並連接 LED 樣品之正負極於電源供應器上。

（2） 開啟電源，調整電流至 LED 之額定電流為止。

（3） 每 60 分鐘量取 LED 溫度及熱電致冷器熱端溫度及相對照度一次，當兩次

的溫度差小於 0.2℃，相對照度差小於 1LUX 時，即視系統已達穩態，並 紀錄此時的 LED 電流、電壓、溫度及相對照度。

（4） 連接 LED 樣品上之熱電致冷器之正負極於電源供應器上，並重複步驟（3）

（5） 增加熱電致冷器之電壓至適當值，並重複步驟（3），紀錄熱電致冷器之電 流與電壓。

五、 結果與討論

5.1 LED 耗電量與照度實驗結果

本實驗以樣品 S2、S4 來進行，觀察 LED 耗電量增加時，相對照度增加的幅 度，以此為基準與使用熱電致冷器於 LED 所增加的相對照度做比較。在 S2 方面，

通入的電流大小為 0.15A、0.17A、0.19A、0.21A、0.23A；在 S4 方面，通入的 電流大小為 0.3A、0.47A。

實驗結果如表 5-1 所示，結果顯示 LED 照度百分比不會隨著 LED 耗電量的 增加而提升，S2、S4 之 LED 耗電量百分比與照度百分比關係如圖 5-1、圖 5-2，

照度百分比提升的幅度遠小於耗電量百分比提升的幅度，這是由於 LED 在耗電 量提高時，溫度相對也會提高。由文獻[11]可知，LED 的發光強度隨著溫度上升 而衰減，因此耗電量提升雖然會造成亮度提升，但是高溫又會造成亮度衰減，造 成 LED 在耗電量提高時，照度增加的幅度相對於耗電量來說不高，再加上在高 溫下使用將減低 LED 的使用壽命，這就是現今要發展高功率 LED 用於照明上所 發生的主要問題。

表 5-1 LED 耗電量與照度實驗結果

100 110 120 130 140 150 160

100 110 120 130 140 150 160

LED耗電量百分比(%)

LED照度百分比(%)

圖 5-1 S2 耗電量與照度百分比圖

100 108 116 124 132 140

100 108 116 124 132 140

LED耗電量百分比(%)

LED照度百分比(%)

圖 5-2 S4 耗電量與照度百分比圖

5.2 熱電致冷器之熱電發電實驗結果

熱電致冷器應用於 LED 上時，首先可考慮由 LED 的發熱所產生的熱電電 流，本實驗以樣品 S1、S2 來進行。在量測過程中，當熱電致冷器是斷路時，整 個系統達穩態，由於 LED 為一發熱源，在熱電致冷器的冷熱端將會產生一溫度 差，此溫度差即為熱電發電的能量來源。當熱電致冷器從斷路變成通路時，即會 產生一熱電電流，而此時熱電致冷器的冷熱端溫差會逐漸減少，同時熱電電流也 會減少，直到最後達到一平衡狀態。

本實驗量測數據如表 5-2、表 5-3 所示，熱電電流隨時間達平衡狀態的變化 如圖 5-3 所示，由此可看出熱電電流大約在 1 分鐘後即會達平衡。實驗結果顯示 熱電致冷器在通路後冷熱端的溫差減少，而產生了熱電電流，此熱電電流在剛通 路時由於溫度差高，熱電電流也高，溫度差會隨著時間減少，熱電電流也逐漸減 少至一穩定值，即是減少的溫度差造成的熱通量轉換成為熱電致冷器的發電量，

符合熱電發電的理論基礎。

從熱電發電的效率來看，比較同一種 LED 在不同耗電量時的結果可發現：

LED 耗電量越高，熱電電流也越大。這是由於熱電致冷器的厚度一定，耗電量 越大熱電致冷器的冷熱端溫差則越大，產生的熱電電流也會越大。

另外比較不同 LED 在相同耗電量下的結果，1.19W 的 S1 的發電電流明顯少 於 1.19W 的 S2，甚至少於 0.66W 的 S2 的發電電流。比較斷路與通路間的溫度 下降，S1 也少於同耗電量下 S2 的溫度下降，主要的原因為 LED 的封裝結構的 不同。S1 為 LED 焊於一星狀板，與散熱端間有一絕緣層，造成往散熱端的熱傳 效果差，熱量大部分由 LED 發光面熱傳至空氣中，因此熱電致冷器的冷熱端溫 差小，熱電效應也小；而 S2 在 LED 本體中直接延伸一圓形鋁板與散熱端接觸，

熱傳導至散熱端的熱量大於 S1 熱傳導至散熱端的熱量，熱電致冷器溫差大，熱 電效應顯著。

從本實驗的結果可知，在不消耗多餘的電力下，熱電致冷器即可略為降低

LED 之溫度，提高 LED 的亮度及使用壽命，另一方面把這些熱量轉換為電能來 使用，以節能的觀電來看，此 LED-熱電致冷器散熱系統比之單獨的 LED，可以 較少的電量發揮較大的效率，因此熱電致冷器對於 LED 散熱的益處是顯而易見 的。

表 5-2 S1 熱電電流實驗結果

LED 電流（A） 0.35

LED 耗電量（W） 1.19

熱電致冷器狀態 斷路 通路

室溫（℃） 23.4 23.4

LED 溫度（℃） 30.6 29.6

熱電致冷器熱端溫度（℃） 23.3 23.3

LED 與熱端溫差（℃） 7.3 6.3

LED 照度（LUX） 572 574

LED 照度百分比（%） 100.0 100.3

熱電電流（A） 0.00 0.05

表 5-3（a） S2 熱電電流實驗結果

LED 電流（A） 0.20

LED 耗電量（W） 0.66

熱電致冷器狀態 斷路 通路

室溫（℃） 20.9 21.0

LED 溫度（℃） 52.4 50.4

熱電致冷器熱端溫度（℃） 23.4 23.4

LED 與熱端溫差（℃） 29.0 27.0

LED 照度（LUX） 536 540

LED 照度百分比（%） 100.0 100.7

熱電電流（A） 0.00 0.10

LED 電流（A） 0.30

LED 耗電量（W） 1.02

熱電致冷器狀態 斷路 通路

室溫（℃） 21.1 21.0

LED 溫度（℃） 70.8 67.1

熱電致冷器熱端溫度（℃） 24.6 24.6

LED 與熱端溫差（℃） 46.2 42.5

LED 照度（LUX） 722 732

LED 照度百分比（%） 100.0 101.4

熱電電流（A） 0.00 0.17

表 5-3（b） S2 熱電電流實驗結果

LED 電流（A） 0.35

LED 耗電量（W） 1.19

熱電致冷器狀態 斷路 通路

室溫（℃） 19.4 19.4

LED 溫度（℃） 77.5 73.3

熱電致冷器熱端溫度（℃） 27.3 27.5

LED 與熱端溫差（℃） 50.2 45.8

LED 照度（LUX） 625 637

LED 照度百分比（%） 100.0 101.9

熱電電流（A） 0.00 0.18

LED 電流（A） 0.40

LED 耗電量（W） 1.40

熱電致冷器狀態 斷路 通路

室溫（℃） 20.9 20.9

LED 溫度（℃） 91.1 86.2

熱電致冷器熱端溫度（℃） 25.8 25.9

LED 與熱端溫差（℃） 65.3 60.3

LED 照度（LUX） 842 860

LED 照度百分比（%） 100.0 102.1

熱電電流（A） 0.00 0.24

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 時間(s)

熱電發電電流(A)

S1-LED耗電量1.19W S2-LED耗電量0.66W S2-LED耗電量1.02W S2-LED耗電量1.19W S2-LED耗電量1.4W

圖 5-3 熱電電流圖

5.3 熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗結果

本實驗探討熱電致冷器耗電量大小對 LED 照度提升的影響，以樣品 S1、S2、

S3、S4 做研究。首先觀察 S1 在 0.35A 之下，熱電致冷器對照度的提升，如表 5-4，此時 LED 的耗電量為 1.19W。在 LED 的溫度方面，熱電致冷器是斷路時，

此散熱系統僅靠散熱鰭片做自然對流，LED 溫度為 30.6℃。隨著熱電致冷器形 成通路，加大熱電致冷器的耗電量，LED 的溫度也逐漸下降，當熱電致冷器的 耗電量為 0.36W 時，LED 溫度達到 18℃。

在此需要注意的是此 LED 溫度並非晶粒界面的溫度，而是 PCB 板表面溫 度，因此實際的 LED 溫度將會比此溫度來的高，但是相對來說，LED 晶粒因熱 電致冷器而下降的溫度幅度與 PCB 板表面溫度下降的幅度是相同的。

接著觀察 LED 因熱電致冷器而提升的照度百分比，在表 5-4 中熱電致冷器 的相對耗電百分比即為熱電致冷器耗電量與 LED 耗電量的比例，由表中可看出 熱電致冷器消耗 29.85%的 LED 耗電量時，LED 照度僅提升了 4.55%，此結果對 於熱電致冷器應用於 LED 的效率來說是非常不理想的。

圖 5-4 顯示熱電致冷器相對耗電百分比與照度提升百分比的關係圖，圖中的 斜線為耗電百分比與照度提升百分比相同比例的 45 度線，由圖中可看出 S1 的曲 線在前半段有一小部份在此線上，而其他部分皆在此線以下。此現象說明了使用 熱電致冷器於 S1 時，在此線以上的部分為 LED 照度提升百分比大於熱電致冷器 耗電百分比，即是對於此系統來說這個部分的使用效益是正面的。

其次比較 S2 的實驗結果，S2 共使用了四種不同的耗電量來進行此部分的實 驗，分別為 0.66W、1.09W、1.19W、1.4W，實驗結果列於表 5-5。與 S1 的結果 相似，熱電致冷器形成通路後 LED 的溫度隨之下降，比較不同 LED 耗電量時可 發現，LED 耗電量越高時，在相同耗電量百分比之下 LED 溫度下降的幅度也越 高。圖 5-5 顯示 S2 的熱電致冷器相對耗電百分比與照度提升百分比，由圖中可 看出 LED 耗電量越高時，曲線有越多的部分落在 45 度線以上，即是 LED 耗電

量越高，熱電致冷器的效果越好。此結論與熱電發電電流實驗的結果一樣，當 LED 耗電量越高時，熱電效應越明顯。

比較 S3 與 S4 兩組實驗，S3 以兩種不同的耗電量，35.4W 及 42W，而 S4 則以 18.48W 來進行實驗，結果如表 5-6 及表 5-7 所示，圖 5-6 及圖 5-7 為熱電致 冷器相對耗電百分比與 LED 照度提升百分比。由實驗結果可看出與 S1、S2 相同 的結果，即 LED 耗電量對於熱電致冷器的效率有著絕對的影響。

圖 5-8 及圖 5-9 為 S2 及 S4 以提高 LED 耗電量來增加 LED 照度以及使用熱 電致冷器來增加 LED 照度的比較，圖中系統相對耗電百分比的數值，對有使用 熱電致冷器的 LED 來說是是以熱電致冷器斷路時之 LED 耗電量為基準；對無使 用熱電致冷器的 LED 來說是以 LED 的初始耗電量為基準。從 S2 來看，使用熱 電致冷器來增加 LED 照度的效果在系統相對耗電量 25%內比提高 LED 耗電量來 的好，超過 25%之後的效果則以提高 LED 耗電量較好，這是因為熱電致冷器的 效率在耗電量越大時會變差的原因；但在超過 25%後，雖然提高 LED 耗電量的 效果較好， LED 的溫度卻會過高而降低了 LED 的使用壽命，而此時以使用熱 電致冷器來提高 LED 照度的 LED 溫度反而比初始溫度還低。另外從 S4 來看，

使用熱電致冷器的效果在所有量測數據中皆優於提高 LED 耗電量，因此可知在 提高 LED 照度及使用壽命的前提下，以使用熱電致冷器來降溫的實用價值確實 較好。

圖 5-10 比較 S1、S2、S3、S4 在不同 LED 耗電量下熱電致冷器耗電量與照 度提升，首先觀察不同樣品在相同耗電量下的結果，當 S1 與 S2 的 LED 耗電量 都是 1.19W 時，S2 的曲線甚高於 S1，S1 在 1.19W 時大約與 S2 在 0.66W 時相近。

代表在 LED 相同耗電量時，使用熱電致冷器的效果 S2 優於 S1，這是由於 S1 與 S2 的封裝結構不同所致，S2 連接散熱端的熱傳效果優於 S1。

接著比較所有樣品的結果，由圖中可發現 S4 的效率明顯高於其他三者，大 約在熱電致冷器相對耗電量 10%以內對 LED 都有實用價值，其次最好是 S2 在 1.4W 下是在 4%以內有實用價值。