【正文】 K＝ 1℃）時(shí)的熱傳導(dǎo)功率。 34 新型太陽能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) LED 路燈存在的問題： 利用傳統(tǒng)路燈燈頭改制的 LED 路燈，雖然采用了鋁型材做散熱器，將整個(gè)光源和驅(qū)動(dòng)電路裝入鋁合金燈殼中，雖然解決了燈具的防護(hù)等級(jí)問題，但是整個(gè)光源是在密閉的燈殼中，燈具工作中所產(chǎn)生的熱量無法散發(fā)到空氣中帶走，導(dǎo)致 LED 模塊和驅(qū)動(dòng)電路在極惡劣的環(huán)境中工作，工作溫度急劇升高， LED 隨著溫度的升高而出現(xiàn)死燈和光衰，驅(qū)動(dòng)器也因溫度超過而燒毀，大大降低了燈具的可靠性和使用壽命。 加散熱板與燈具防護(hù)設(shè)計(jì)： 用鋁合金型材組合的路燈，我們將一塊 AA6063； 305mm 500mm 的平板散熱器型材和不銹鋼外框組合，將 LED 焊接在鋁基板上制作成模塊，在模塊的底部涂抹導(dǎo)熱膏用螺絲固定于鋁合金型材散熱器平板上，罩上 PC 光源外罩 ，連接驅(qū)動(dòng)電源，完成 LED 路燈的設(shè)計(jì)制作。對(duì)芯片最高溫度的影響由大到小的因素依次為：翅片間距、翅片高度、平板厚度、翅片厚度。 表 表 由表 ～表 和圖 ：隨著翅片厚度 的增加，散熱器質(zhì)量增加，芯片最高溫度增加，隨翅片間距增加，散熱器質(zhì)量減小，芯片最高溫度增 第五章 LED 路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31 加每個(gè)芯片的輸入功率 lW，其中 15％轉(zhuǎn)化為光能， 85％轉(zhuǎn)化為熱能，所以將 (3． 7 109)W 圖 某公司的路燈 圖 52 原 LED實(shí)體模型 在實(shí)際情況中熱量沿以下路徑傳遞【 5％芯片一導(dǎo)電膠一 PCB 板一導(dǎo)熱膠 散熱器。 路照明燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 1．燈具結(jié)構(gòu)： ：我們的 LED 路燈由鋁合金壓鑄燈體， LED 模塊，鋼化玻璃透光罩，AC/DC 恒流驅(qū)動(dòng)器，電器室蓋板五部分組成。定制方案可為應(yīng)用提供了優(yōu)化散熱片，在設(shè)計(jì)中需要利用熱仿真軟件，或根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用及 LED 的特性進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。 (2)熱系統(tǒng) ○ 1 現(xiàn)有燈具罩。 ②帶有次級(jí)光學(xué)器件的 LED 和現(xiàn)有燈反射器。 ( 1)光學(xué)系統(tǒng) LED 燈具的光學(xué)二次開發(fā)在整個(gè)燈具設(shè)計(jì)的過程中扮演了非常重要的角色，在燈具的整體設(shè)計(jì)流程中應(yīng)該是優(yōu)先考慮的一環(huán)。 LED 的數(shù)量 SLED計(jì)算如下： SLED = BS/ BD = 1050 lm /67. 2lm = 16 只 LED 式中： SLED為 LED 的數(shù)量； Bs為實(shí)際流明； BD 為每只 LED 的流明數(shù)。由于 LED 的熱損失已經(jīng)在實(shí)際需要的流明數(shù)計(jì)算中考慮到了，故 LED 供應(yīng)商提供的技術(shù)參數(shù)可以直接使用。 ②最高環(huán)境溫度降低或使用壽命縮短。因電氣效率只影響總功耗和燈具效能，而不影響照明的光輸出量。某些光被燈具罩吸收，有些則反射回?zé)艟?。通過各次級(jí)光元件的典型光學(xué)效率在 85% ~ 90%。 (1)光學(xué)系統(tǒng) 效率 通過分析光損失估計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的效率。其他的設(shè)計(jì)決策都是圍繞 LED 數(shù)量展開的，因?yàn)? LED 數(shù)量直接影響光輸出、功耗以及照明成本。與定義照明要求時(shí)一樣，關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)與光輸出和功耗有關(guān)。照明燈具的光輸出和功率特性是確定現(xiàn)有照明特性的關(guān)鍵，根據(jù)照明燈具提供的技術(shù)參數(shù)，可獲得各種燈具的關(guān)鍵特性，由此確定現(xiàn)有照明的特性。 LED 照明必須滿足或超過目標(biāo)應(yīng)用的照明要求。 是圓環(huán)寬度 (焊縫寬度 )。 x (3r2錯(cuò)誤 !未找到引用源。根據(jù) 27m/s 的設(shè)計(jì)最大允許風(fēng)速， 2x3OW 的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為 730N。 =4mm，燈桿底部外徑 = l68mm。所以，設(shè)計(jì)中關(guān)鍵要考慮的是太陽能電池組件支架與燈桿的連接?？癸L(fēng)設(shè)計(jì)主要分為太陽能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。 太陽能充放電控制器基本功能必須具備過充保護(hù)、過放保護(hù)、光控、時(shí)控與防反接等功能。隨著蓄電池使用時(shí)間的增長(zhǎng)及電池溫度的升高，自放電率會(huì)增加。對(duì)于日負(fù)載穩(wěn)定且要求不高的場(chǎng)合，目放電周期深度可限制在蓄電池所剩容量占額定容量的 80%。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份時(shí)，要靠蓄電池的電能給以補(bǔ)足，在超過用電需要的月份時(shí)，是靠蓄電池將多余 的電能儲(chǔ)存起來。如用 40W 燈，電流為 40/12 =，那就只能工作 2 ~3h。如果要求兩天將蓄電池充滿，那么太陽能電池板選 2A 的電流即可。儲(chǔ)各的容量要足夠當(dāng)?shù)剡B續(xù)幾個(gè)陰天的照明需要。它的容量比負(fù)載所需的電量大得多。 ④太陽能 LED 路燈使用地的連續(xù)陰雨天數(shù) (d)。 ○ 2太陽能 LED 路燈所選光源的功率 ( lv)。 2. 太陽能 LED路燈設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù) 第五章 LED 路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 太陽能 LED 路燈的設(shè)計(jì)思路也可依據(jù)一般的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，先確定太陽能電池組件的功率，然后計(jì)算蓄電池的容量。 ●低電壓保護(hù)。 ④ LED 驅(qū)動(dòng)器。蓄電池的作用是把有陽光時(shí)太陽能電池產(chǎn)生的電存儲(chǔ)起來，供沒有陽光時(shí)使用。太陽能 LED 路燈的設(shè)計(jì)與一般的太陽能照明相比，基本原理相同，但是需要考慮的環(huán)節(jié)更多。 5． 貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性 (任何一個(gè)地方的變動(dòng)都將引起與之有關(guān)的每個(gè)地方變動(dòng) )。 Pro/Engineer 還可輸出三維和二維圖形給予其他應(yīng)用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換 格式來實(shí)現(xiàn)，用戶更可配上 Pro/Engineer 軟件的其它模塊或自行利用 C 語言編程，以增強(qiáng)軟件的功能。Pro/Engineer 是一個(gè)功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計(jì)專用功能來實(shí)現(xiàn)，其中包括：筋（ Ribs）、槽（ Slots）、倒角（ Chamfers）和抽空（ Shells）等，采用這種手 段來建立形體，對(duì)于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)方式。例如，一旦工程詳圖有改變， NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過的 簡(jiǎn)易和靈活。高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 ：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。 主要特性 有 ： Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。目前已經(jīng)發(fā)布了 Pro/ENGINEER 。在能源緊缺、環(huán)境惡化的現(xiàn)狀下發(fā)展 LED路燈是保護(hù)環(huán)境、 保護(hù)全人類的重要舉措。 6. 大功率的 LED 會(huì)釋放大量熱量， 而且發(fā)熱后亮度會(huì)明顯降低， 所以存在散熱問 題 。 照射均勻度問題 。 。太陽能電池組件是用平板玻璃和高分子材料密封而成，有的直接用高分子材料封裝，整個(gè)系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件。太陽能電池單體電壓為 ~ 。 10 新型太陽能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ⑩在燈具的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)， LED 光源的光通量損失最小。 ○ 8安全。大功率 LED 路燈采用直流供電，配有恒流驅(qū)動(dòng)裝置，使大功率 LED路燈發(fā)光恒定，徹底無閃爍。目前的路燈光線呈 180。另外，由于 LED 進(jìn)行頻繁開關(guān)對(duì)其沒有太大的損傷， LED 的調(diào)光還可以采用脈沖寬度調(diào)節(jié)的方法來得到，通過調(diào)節(jié)電壓的占空比和工作頻率， 能夠有效調(diào)節(jié) LED 的發(fā)光強(qiáng)度。 ③自動(dòng)控制。 LED 的能耗較小，隨著技術(shù)的進(jìn)步，它將成為一種新型的節(jié)能照明光源。這些特點(diǎn)恰好與 LED 相匹配，兩者結(jié)合將獲得很高的能源利用率、較高的安全性能和可靠性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的照明系統(tǒng)。連接緊固輔件用于固定各器件連線的輸入、輸出端子，固定燈桿及燈具。如果采用在燈桿上直接安裝太陽能電池組件的方案，需根據(jù)太陽能電池組件面積加工制作太陽能電池組件的支架，同時(shí)考 慮燈桿的抗風(fēng)強(qiáng)度問題。 LED 燈是一種通過直流低壓點(diǎn)亮發(fā)光二極管組來實(shí)現(xiàn)照明需求的一種新型照明方式，具有亮度高、顯色性好等特點(diǎn)；另外，由于 LED路燈的輸入為低壓直流，能與太陽能結(jié)合 起來， LED 作為太陽能路燈的光源將是今后發(fā)展的趨勢(shì)。 5. 新型太陽能路燈光源 太陽能路燈根據(jù)實(shí)際情況需要，可在 l2V 直流節(jié)能 燈、低壓鈉燈、高壓鈉燈、無極電磁感應(yīng)燈、 LED 燈等多種光源中進(jìn)行選擇。在太陽能光伏照明系統(tǒng)中，通常選用的 是免維護(hù)鉛酸蓄電池。由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入的能量極不穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)蓄電池 充電的控制要比普通發(fā)電系統(tǒng)對(duì)蓄電池充電的控制復(fù)雜。為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，必須對(duì)它的充電放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度充電。 單體太陽能電池一般是不能使用的，實(shí)際應(yīng)用的是太陽能電池組件。在眾多太陽能光電池中較普遍且較實(shí)用的有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池及非6 新型太陽能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 晶硅太陽能電池三種。 太陽能路燈構(gòu)成及光源 1. 太陽能路燈基本結(jié)構(gòu) 太陽能路燈利用太陽能電池的光生伏電效應(yīng)原理，白天太陽能電池吸收太陽能光子能量產(chǎn)生電能，通過控制器儲(chǔ)存在蓄電池里，當(dāng)夜幕降臨或燈具周圍光照度較低時(shí)，蓄電池通過控制器向光源供電，設(shè)定的時(shí)間到后控制器切斷光源電源。 第一章 緒論 5 LED 發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。 LED 以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。 20 世紀(jì) 90年代后期，研制出通過藍(lán)光激發(fā) YAG 熒光粉產(chǎn)生白光的 LED，但色澤不均勻，使用壽命短，價(jià)格高。 1990 年，業(yè)界又開發(fā)出了能夠提供相當(dāng)于最好的紅色器件性能的 AlInGaP 技術(shù)，這比當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的 GaAsP 器件性能要高出 10 倍。 4 新型太陽能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 到 20世紀(jì) 70 年代，由于 LED 器件在家庭與辦公設(shè)備中的大量應(yīng)用， LED 的價(jià)格直線下跌。其后不久， Monsanto 和惠普公司推出了用GaAsP 材料制作的商用化紅色 LED。超亮度藍(lán)光蕊片是白光 LED 的核心，在這個(gè)發(fā)光蕊片上抹上熒光磷，然后熒光磷通過吸收來自蕊片上的藍(lán)色光源再轉(zhuǎn)化為白光。 到 20 世紀(jì) 90年代早期，采用銦鋁磷化鎵生產(chǎn)出了桔紅、橙、黃和綠光的 LED。就在此時(shí)，俄國(guó)科學(xué)家利用金剛砂制造出發(fā)出黃光的 LED。 60 年代末，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個(gè)可 見的紅光 LED。隨著電流的應(yīng)用和廣泛的認(rèn)識(shí)，最終出現(xiàn)了 電致發(fā)光 這個(gè)術(shù)語。由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實(shí)際應(yīng)用，更難處在于碳化硅與電致發(fā)光不能很好的適應(yīng)，研究被摒棄了。實(shí)現(xiàn)這一計(jì)劃的重要步驟就是要發(fā)展和推廣高效、節(jié)能照明器具，節(jié)約照明用電，減少環(huán)境及光污染，建立一個(gè)優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟(jì)舒適、安全可靠、有益環(huán)境的照明系統(tǒng)。通過對(duì)熱分析資料與 參數(shù)的參考，分析了鋁制熱沉各結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)其溫度場(chǎng)的影響情況，最終得到較為理想的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，達(dá)到了在散熱效果基本不變的前提下，降低散熱器用料，控制成本的目的。 LED芯片的表面面積小，工作時(shí)電流密度大，單顆 LED的輸出光束低，所以照明設(shè)備大多要求多個(gè) LED組合而成，從而造成 LED密集度較大。由最終的結(jié)果可知，采用一體化壓鑄散熱器 ,并在合適的范圍內(nèi)使散熱器翅片的厚度和間距較小一些，可得到較為理想的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，既能控制芯片的最高溫度，又有效地減小了散熱器的質(zhì)量。摘要 摘要 LED作為第四代照明光源已被廣泛應(yīng)用于顯示和照明系統(tǒng)設(shè)備，但由于其光電轉(zhuǎn)化率較低，大部分電能實(shí)際轉(zhuǎn)化成了熱量，所以如何提高其散熱能力是大功率 LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章以某公司 LED路燈為模型，采用 EFDpro元軟件對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模及熱分析，得出了其穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)分布，分析了鋁制 熱沉不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響情況。與 通光源比，大功率 LED具有省電、壽命長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，在城市景觀、 LCD背光板、交通標(biāo)志、汽車尾燈照明和廣告招牌等方面有著廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計(jì) LED發(fā)光器件時(shí)，為了較好地控制結(jié)溫，良好的散熱設(shè)計(jì)主要是出于以下考慮：一方面改善器件內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)，提高發(fā)熱芯片向外殼傳導(dǎo)熱量的能力；另外一方面提高外殼向外界散熱的能力。“綠色照明”是國(guó)外照明領(lǐng)域在上世紀(jì) 80 年代末提出的新概念，我國(guó)“綠色照明工程”的實(shí)施始于 1996 年。 LED 照明的發(fā)展歷程 1907 年 Henry Joseph Round 第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象。 1936 年 ,GeeDestiau 出版了一個(gè)關(guān)于硫化鋅粉末發(fā)射光的報(bào)告。第一個(gè)商用 LED 僅僅只能發(fā)出不可視的紅外光，但迅速應(yīng)用于感應(yīng)與光電領(lǐng)域。 LED 采用雙層磷化鎵蕊片（一個(gè)紅色另一個(gè)是綠色）能夠發(fā)出黃色光。 80 年代早期到中期對(duì)砷化鎵磷化鋁的使用使得第一代高亮度的 LED 的誕生，先是紅色，接著就是黃色，最后為綠色。 90 年代中期，出現(xiàn)了超亮度的氮化鎵 LED，隨即又制造出能產(chǎn)生高強(qiáng)度的綠光和藍(lán)光銦氮鎵 Led。 1965 年，全球第一款商用化發(fā)光二極管誕生，它是用鍺材料做成的可發(fā)出紅外光的 LED，當(dāng)時(shí)的單價(jià)約為 45美元。 1971，業(yè)界又推出了具有相同效率的 GaP綠色芯片 LED。這一技