【正文】 7 （四） LED 散熱研究進(jìn)展 8 （五）煙囪效應(yīng) 9 第 三章 、 L E D 燈 具 的 設(shè) 計(jì) 9 （一） Solidworks 的介紹 9 （二）基于 Solidworks 的燈具設(shè)計(jì) 9 （三） Flow simulation 11 （四）燈具熱學(xué)仿真 11 第四章、 LED 燈具煙囪設(shè)計(jì)及熱學(xué)仿 真 13 （一） LED 燈具煙囪設(shè)計(jì) 13 （二） LED 燈具煙囪熱學(xué)仿真 15 第五章、 LED 燈具散熱比對(duì) 17 總結(jié) 17 參考文獻(xiàn) 18 5 致謝 19 第一章、緒論 節(jié)約能源是人類生存和發(fā)展所必需的重要內(nèi)容 ,中國(guó)是一個(gè)人口眾多的能源消耗大 ,資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家。 20xx年中國(guó)的石油消耗量為 20xx年天然氣消耗量為 1114億立方米 ,因此節(jié)能減排作為一個(gè)重要政策一直受 到國(guó)家的重視。從 1980年開(kāi)始 ,原國(guó)家計(jì)委、經(jīng)委組織就實(shí)行五年節(jié)能規(guī)劃和年度節(jié)能計(jì)劃 ,并把節(jié)能計(jì)劃納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)規(guī)劃。 20xx年 10月中國(guó)通過(guò)了《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》 ,進(jìn)一步完善了我國(guó)節(jié)能制度，電力資源是二次能源 ,主要依靠水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、火力發(fā)電等方式獲得 ,其中火力發(fā)電占所有電力資源的 75%,因此減少電能的消耗 ,是節(jié)約能源和減少污染的重要途徑。根據(jù)中國(guó)電聯(lián)數(shù)據(jù)顯示我國(guó) 20xx年的發(fā)電量為 41923億千瓦時(shí) ,消耗煤約 。而照明用電約占電力資源的 12%,折合人民幣為 5030. 76 億元 ,所以照 明的節(jié)能是電力行業(yè)節(jié)能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。我國(guó)現(xiàn)有的照明用主要是白熾燈 ,20xx年中國(guó)的白識(shí)燈產(chǎn)量與國(guó)內(nèi)銷售量分別為 38. 5億只和 10. 7億只 ,然而其電光轉(zhuǎn)換效率不足 10%,造成了電力能源的極大浪費(fèi)。目前世界上約 %的 GDP用于光照明。根據(jù) IEA和 OECD在 20xx報(bào)告顯示 ,世界照明消耗電能約占總的電量的 19%,約占二氧化碳排放量的因此尋找高效、節(jié)能的照明燈具是節(jié)約電力資源的重要途徑。日本在1997年對(duì)白光 LED進(jìn)行進(jìn)一步的研究 ,并期待在不久的將來(lái)將 LED固態(tài)光源替代現(xiàn)有的白織燈和炎光燈。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng) LED能達(dá)到 120lm/W時(shí) ,日本每年可以節(jié)約 KW/h的電能 ,這相當(dāng)于 630000kL原油 ,也相當(dāng)于日本每年家庭耗電量的 %,節(jié)約能源耗費(fèi)約 50. 5億日元。日本將太陽(yáng)能燈應(yīng)用于街道照明 ,50W 的 LED燈可以提供原有 200W 未燈的光亮度 ,每蓋燈每年可以減少 噸的二氧化碳排放量。研究發(fā)現(xiàn)在日本 ,如果將現(xiàn)有的交通信號(hào)燈用 LED燈來(lái)替代 ,每年可以節(jié)約 830 萬(wàn)度電 ,這相當(dāng)于 20xx00kL 的原油消耗量。隨著 LED 研究發(fā)展 ,LED 在我國(guó)隧道照明、煙草行業(yè)、街道照明、室內(nèi)照明燈各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。賀曉利研究表明 ,在同樣長(zhǎng)度的兩個(gè)隧道分別安裝高壓鈉燈和 LED 燈具 ,進(jìn)行節(jié)能對(duì)比 ,雖然LED 燈具的成本價(jià)格比高壓鈉燈的要高 ,但是在相同的照明強(qiáng)度下 ,LED 燈具比高壓鈉燈每年節(jié)省電量為 20xx79度 ,按照電費(fèi) /度計(jì)算 ,每年可以節(jié)省電費(fèi)為 ,節(jié)能效率高達(dá) %【 3】。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ,我國(guó)的公路交通建設(shè)也得到了高速的發(fā)展 ,全國(guó)新建的公路險(xiǎn)道逐年增加。截止 20xx 年底 ,我國(guó)修建的公路險(xiǎn)道共計(jì) 6139 處 ,總長(zhǎng)度達(dá)到 3942KM。隨著公路的建設(shè)發(fā)展 ,我國(guó)每年公路照明投入的費(fèi)用也不斷增加 ,特別是隨道照明用電量大 ,所需要的費(fèi)用龐大?！?4】為了回應(yīng)國(guó)家的節(jié)能減排政策 ,釆用節(jié)能、環(huán)保、可靠的照明燈具成為未來(lái)道路照明的一種必然選擇。目前我國(guó)的險(xiǎn)道照明主要釆用傳統(tǒng)的高壓鈉燈照明 ,耗電量大 ,嚴(yán)重浪費(fèi)資源 ,同時(shí)也造成了環(huán)境的污染。根據(jù)資料估計(jì)如果大慶到廣州的高速公路利用LED照明燈具替代現(xiàn)有的高壓鈉燈 ,20年內(nèi)可以節(jié)省照明所用的電費(fèi)約 5億元以上 ,節(jié)省照明設(shè)備維修費(fèi)用約 1 億以上。由此可見(jiàn)利用 LED最為未來(lái)的照明工具 ,在公路照明中具有巨大的潛力。 LED照明由于其節(jié)電、環(huán)保、長(zhǎng)壽命，而被公認(rèn)為下一帶照明技術(shù) ，將取代現(xiàn)有的各種照明技術(shù)。 LED 為冷光源，怕熱，有 80％之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須有散熱措施，雖然LED發(fā)光技術(shù)已有飛躍發(fā)展，有每瓦發(fā)光達(dá) 200lm的報(bào)導(dǎo)，但 LED散熱卻是 LED照明中的大問(wèn)題，但又還沒(méi)得到有效解決的問(wèn)題，成了 LED照明燈普及發(fā)展道路上的攔路虎，在自然對(duì)流散熱器中，可以增加散熱表面積和提高氣體流速來(lái)增強(qiáng)自然對(duì)流熱交換，在散熱器中，引 6 入輕質(zhì)的煙囪結(jié)構(gòu)，就可以引入煙囪效應(yīng)，從而提高氣體流速，增強(qiáng)散熱器自然對(duì)流的熱交換能力，同時(shí)煙囪效應(yīng)結(jié)構(gòu)，也能減輕散熱器的重量。 LED作為一種新型的照明技術(shù)，其 應(yīng)用前景舉世矚目，針對(duì) LED器件熱設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外的 LED器件設(shè)計(jì)人員和制作商分別在結(jié)構(gòu)，材料以及工藝等方面對(duì) LED熱設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化【 5】，例如，在封裝結(jié)構(gòu)上，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、微流陣列結(jié)構(gòu)等；在材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘貼材料，用硅樹(shù)脂代替環(huán)氧樹(shù)脂【 6】，目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的大功率 LED散熱器產(chǎn)品：例如，型材散熱器、風(fēng)扇散熱器，熱管散熱器、熱柱散熱器等產(chǎn)品及其技術(shù)特點(diǎn)與缺陷，其他新穎的強(qiáng)化散熱技術(shù)【 7】。 第二章、 LED 概述 （一）、 LED發(fā)展面臨的問(wèn)題 由 于目前 LED 技術(shù)的限制 ,輸入的電功率只有約 1525%的電光轉(zhuǎn)換效率 ,其余的輸入電功率則都轉(zhuǎn)換為了熱量 ,與傳統(tǒng)的光源不同 ,LED 光源不包括紅外部分 ,所以不能依靠紅外輻射釋放。熱量集中在 LED芯片上 ,芯片的面積一般在 1mmX 1mm— ,熱流密度可以高達(dá) 100W/cm2以上致使 LED結(jié)溫上升。 LED發(fā)光的效率與其工作的溫度成反比 ,結(jié)點(diǎn)溫度每升高 1crc,光衰就會(huì)減半 ,壽命也減半 ,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致芯片發(fā)射波長(zhǎng)漂移 ,降低發(fā)光的效率【 8】。 LED 芯片本身的散熱的能力有限 ,集中 LED 芯片上的 熱量只能通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞給外部的散熱熱沉 ,再通過(guò)熱沉的轄射傳熱、對(duì)流傳熱方式將熱量傳遞到周?chē)沫h(huán)境空氣中 ,使得 LED 芯片維持在一個(gè)較低的水平 ,保證其能穩(wěn)定可靠的工作。目前大功率 LED照明的熱量管理問(wèn)題是 LED商業(yè)化的一個(gè)重要障礙 ,因此 ,如何高效的將 LED的芯片產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到環(huán)境空氣中 ,成為制約 LED廣泛應(yīng)用于普通照明的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一．目前制約 LED推廣應(yīng)用的另外一個(gè)重要因素就是 LED 價(jià)格。與傳統(tǒng)的替通照明相比 ,LED 照明價(jià)格要比普通照明價(jià)格要高 48倍。例如 ,一套高壓鈉燈燈具的價(jià)格為 12001500元 ,而目前的 LED燈具 ,按照功率大小不同價(jià)格相差加大 ,價(jià)格約在 40008000元。按照 LED節(jié)能 30%計(jì)算 ,如果要回收燈具的成本 ,也需要若干年的時(shí)間。又如要生產(chǎn) 1000lm的光通量 ,白識(shí)燈的成本小于 5元 ,緊湊型突光燈的成本小于 10 元 ,而對(duì)于 LED 照明來(lái)說(shuō) ,需要使用 10顆大功率 LED,成本超出了 100元，馬來(lái)西亞檳州政府曾在 20xx年因?yàn)?LED照明費(fèi)用過(guò)高