【正文】 ≤4H注: Weff為路面有效寬度(m)。 設(shè)計(jì)目標(biāo)為校園路燈因設(shè)計(jì)目標(biāo)為校園路燈，考慮我們學(xué)校的實(shí)際道路情況，主要是行人多，機(jī)動(dòng)車輛少，而且機(jī)動(dòng)車輛的速度慢，是一條流量適中的道路，所以根據(jù)表71人行道路照明標(biāo)準(zhǔn)值，選用流量中的道路且是居住區(qū)，且燈具為半截光型，就知道了路面平均照度Eay= lx，路面最小照度Emin= lx，最小垂直照度Evmin= lx。學(xué)校路面有效寬度取定為6m，因燈具為半截光型，采用單側(cè)布置，確定路燈安裝高度為H=8m，間距為S=15m。示意圖見(jiàn)圖71。最后得出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：路面平均照度Eay= lx，路面有效寬度6m，路燈安裝高度為H=8mm，路燈間距為S=15m。 計(jì)算所需要LED的個(gè)數(shù)目前有兩種LED：一種是聚光LED，發(fā)射角為15o，光強(qiáng)12cd；另一種是散光LED，發(fā)射角為25o，光強(qiáng)為3cd。計(jì)算過(guò)程：（1）用球帶法計(jì)算立體角聚光LED：Ω=0o15odΩ=2π（cos0ocos15o）= sr散光LED：Ω=0o25odΩ=2π（cos0ocos25o）= sr（2）計(jì)算單個(gè)LED的光通量則根據(jù)單位坎德拉（cd） 1cd=1lm1sr1 得出1lm=1cd1sr 來(lái)計(jì)算單個(gè)LED的光通量：聚光LED：光通量Φ = 12 = lm散光LED：光通量Φ = 3 = lm（3）計(jì)算總光通量考慮我們學(xué)校的實(shí)際道路情況，主要是行人多，機(jī)動(dòng)車輛少，而且機(jī)動(dòng)車輛的速度慢，所以根據(jù)表71人行道路照明標(biāo)準(zhǔn)值，選用流量中的道路且是居住區(qū)，就知道了路面平均照度Eay= lx，路面最小照度Emin= lx，最小垂直照度Evmin= lx。因被照路面的有效面積為A=路面寬燈桿間距=615=90 m2由光照度單位勒克斯（lx），1lx=1lm1m2 得出1lm=1lx1m2即光通量=光照度面積，所以所需的總光通量Φ=路面平均照度Eay被照路面面積A即 總光通量Φ= 90= 675 lm（4）計(jì)算LED的個(gè)數(shù)：公式：LED的個(gè)數(shù)=總光通量/單個(gè)LED的光通量如果全部用聚光LED，則它的個(gè)數(shù)是：=324 個(gè)如果全部用散光LED，則它的個(gè)數(shù)是：=470 個(gè)因全部用聚光LED或者散光LED，照明效果不是很好，而且造成在經(jīng)濟(jì)性上的損失，所以聚光LED和散光LED要混合起來(lái)使用。當(dāng)散光有129個(gè)時(shí)，散光的光通量為129= lm=235 個(gè)所以散光LED個(gè)數(shù)為129個(gè)，聚光LED個(gè)數(shù)為235個(gè)，總個(gè)數(shù)為364個(gè)。（5）計(jì)算基板大小、路燈功率 因計(jì)算出了所需LED的數(shù)量，所以可以對(duì)LED進(jìn)行排列而計(jì)算出燈具基板的大小，和路燈的總瓦數(shù)。燈具LED排列1524，LED按10mm排列，則燈具基板大小為150mm240mm。則路燈的總瓦數(shù)為（129+235）=≈20w（考慮到有其他的功耗）。 路燈燈頭設(shè)計(jì)為了滿足不同方向上的光照度，燈頭采用三維曲面型，即LED被排布在一個(gè)三維的曲面上，有著不同的照射方向，且外面的LED功率比中間照明的LED功率大。路面情況如圖71，水平角θ示意圖如圖72 圖71 圖72（1）計(jì)算a曲面上LED的安裝平面與水平面的最大夾角θ1a曲面示意圖見(jiàn)圖73，計(jì)算數(shù)據(jù)看圖71，圖74。則 cosα =8/10= 則α==176?！?7176。因聚光燈的發(fā)射角最大為15176。，則θ1=37176。15176。=22176。 即安裝聚光LED的平面與水平面間的夾角為22176。（2）計(jì)算b平面上LED的安裝平面與水平面的最大夾角θ2tanβ=176?！?0176。因聚光燈的發(fā)射角最大為15176。，則θ2=50176。15176。=35176。 即安裝聚光LED的平面與水平面間的夾角為35176。兩個(gè)曲面最大的水平夾角確立了，就能設(shè)計(jì)出燈頭的外形，燈頭的三維外形如圖7圖76。 圖73 a曲面 圖74 a曲面三角函數(shù)圖 圖75 路燈模型圖 圖76路燈燈罩圖 LED路燈的散熱LED的光電轉(zhuǎn)換效率極差,只有10 %～20 %的電能轉(zhuǎn)化為光輸出,其余的轉(zhuǎn)化為熱能。因此,當(dāng)使用多顆LED 組裝成一個(gè)模組,極差的轉(zhuǎn)換效率將會(huì)帶來(lái)散熱問(wèn)題,熱量使大功率LED 的溫度上升,從而導(dǎo)致工作電壓減小,光強(qiáng)減小,光波長(zhǎng)變長(zhǎng),嚴(yán)重縮短LED 的壽命,加速其光衰。散熱設(shè)計(jì)：路燈散熱路徑：LED芯片散熱基板翅片空氣。（1）路燈散熱設(shè)計(jì)的散熱方式：因校園路燈具是夜間使用、散熱面位于正上面以及體型受限制較小等有利于空氣自然對(duì)流散熱的優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)單實(shí)用，所以散熱方式選用自然空氣對(duì)流散熱。（2）散熱基板選用PCB板，k。基板的導(dǎo)熱系數(shù)很高，能快速的將熱量從LED芯片導(dǎo)出，從而降低路燈的溫度。（3）裝翅片，選用鋁材料，高6mm，厚2mm（如果太厚會(huì)增加路燈的重量，影響路燈的使用壽命），間隔距離為10mm。因路燈散熱面在燈具的上面，所以，散熱翅片平行道路排列，以便于散熱翅片間空氣的流動(dòng)。8. LED路燈散熱設(shè)計(jì)（軟件仿真） IcePak軟件介紹Icepak 是強(qiáng)大的 CAE 仿真軟件工具，它能夠?qū)﹄娮赢a(chǎn)品的傳熱，流動(dòng)進(jìn)行模擬，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量，大量縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。 Icepak 能夠計(jì)算部件級(jí)，板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題。它能夠幫助工程師完成用實(shí)驗(yàn)不可能實(shí)現(xiàn)的情況，能夠監(jiān)控到無(wú)法測(cè)量的位置的數(shù)據(jù)。Icepak采用的是 FLUENT 計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 求解器。該求解器能夠完成靈活的網(wǎng)格劃分，能夠利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格求解復(fù)雜幾何問(wèn)題。多點(diǎn)離散求解算法能夠加速求解時(shí)間。 用Icepak進(jìn)行熱仿真及分析選取燈具的一部分建模，參數(shù)為：，面上有36個(gè)LED，LED封裝的罩子和基板選用PCB（環(huán)氧樹脂），k，翅片材料為鋁（軟件默認(rèn)翅片材料）。整體模型如圖81。Icepak流體流動(dòng)和熱交換控制方程如下：連續(xù)方程（質(zhì)量守恒）： ?.u=0動(dòng)量方程（控制速度分布）： ρ?u?t+u.?u=?p+?.τρg能量方程（控制能量分布）： ρCp?T?t+u.?T=?.k?T+Q式中, u =速度矢量；ρ=密度；T =溫度；p =壓力；t =時(shí)間；τ=應(yīng)力張量；g =重力加速度矢量；b =體積膨脹率； Cp =等壓比熱容k =熱傳導(dǎo)率；Q =體積熱源。圖81燈具模型（1）氣流的速度向量圖：如圖8圖83分別是位置為x/xl=，圖中可以看出整體的氣流是做上升運(yùn)動(dòng)。冷空氣從燈具邊緣往中間流動(dòng)，與翅片上的熱量進(jìn)行交換，帶走翅片上的熱量。氣流在燈具附近的速度很低，然后吸收高溫?zé)艟叩臒崃?，氣流受熱速度逐漸增大，慢慢向燈具上方流動(dòng)，同時(shí)周圍環(huán)境空氣不斷向燈具涌動(dòng)，與燈具和中間的熱空氣產(chǎn)生熱交換，帶走了更多的熱量，氣流越往上流動(dòng)，速度越大，溫度越低，最后和環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡。圖82 xxl= 圖83 yyl= 圖8圖85分別是位置x/xl=，兩圖表示氣流溫度和氣流速度的相互關(guān)系， 圖中空氣是沿著燈具的四周向中間流動(dòng)，空氣在燈具附近速度很低，但是燈具的溫度很高，所以空氣和燈具產(chǎn)生熱交換，從而使燈具溫度降低，氣流受熱至速度增大，并向上流動(dòng)，流動(dòng)方向主要是中間翅片的正上方，中間氣流的速度最大，溫度最高，因?yàn)檫吘墯饬骱椭車淇諝獍l(fā)生熱交換，導(dǎo)致溫度降低。圖84 xxl= 圖85 yyl=（2）燈具的溫度云圖：圖8圖87分別是x/xl=，圖中LED、基片及翅片的溫度最高達(dá)到了48℃左右，而目前發(fā)光管管芯材料的耐溫水平,通常結(jié)溫不能大于125℃ ，否則對(duì)LED造成損害，而芯片溫度大于60℃，就會(huì)加劇燈光的光衰，而設(shè)計(jì)的燈具最高溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于60℃，所以燈具有良好的散熱效果，有著很低的光衰率。兩圖從燈具的不同截面觀察了燈具的散熱情況，燈具的最高溫度出現(xiàn)在LED芯片的位置，經(jīng)過(guò)散熱基板和翅片溫度逐漸降低，同時(shí)燈具與周圍的環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換，在翅片與空氣接觸的地方，溫度降到38℃左右，然后熱空氣往中間流動(dòng)并向上，并源源不斷的與周圍環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換，圖87明顯表明散熱效果良好，氣流往上走，帶走了更多的熱量。圖86 xxl= 圖87 yyl=圖88 中間熱源溫度云圖（3）燈具的局部熱量分析：①熱源和基板的溫度云圖：從圖中可以看出最高的溫度點(diǎn)出現(xiàn)在中間幾個(gè)LED芯片，而中間芯片的最高溫度不超過(guò)49℃。中間的氣流不易流通，熱交換帶走的熱量少，所以溫度較高，而邊上的LED，不斷有周圍環(huán)境空氣涌來(lái)，與其進(jìn)行熱交換，并帶走熱量，所以溫度比中間芯片的溫度低?；迳蠝囟茸罡唿c(diǎn)也出現(xiàn)在中間，因?yàn)橹虚g芯片的溫度高，不易導(dǎo)出，而在邊緣，氣流流量大，帶走的熱量多，所以溫度低。圖89熱源的溫度云圖圖810 基板的溫度云圖②翅片的溫度云圖：如圖811，是翅片的整體溫度云圖，圖中邊緣翅片溫度低，與環(huán)境空氣熱交換頻繁，散熱效果好，中間的翅片溫度稍高，熱源密集，氣流速度低，熱量不易排出，散熱不是很好。但翅片上的溫度分布較均勻，最高溫度仍不超過(guò)48℃，滿足要求，且對(duì)光衰的影響小。圖812是中間翅片的溫度云圖，翅片上存在溫差，是因?yàn)橹虚g熱源的散熱效果不是很好，與氣流的熱交換少，導(dǎo)致溫度比邊緣上的熱源高，熱源的熱量經(jīng)散熱基板傳到翅片上，導(dǎo)致了翅片上的溫差，即中間的溫度較高，邊緣的溫度較低，同時(shí)翅片兩邊與氣流的熱交換效率高，被帶走的熱量多，所以溫度是翅片上最低的地方。圖811翅片的溫度云圖 圖812中間翅片的溫度云圖圖813是不加翅片的燈具溫度云圖，燈具的最高溫度達(dá)到58℃，散熱效果不是很好，與加翅片的燈具溫度云圖86相比，溫度明顯高出10℃左右。兩者比較結(jié)果表明翅片對(duì)燈具的散熱是很重要的。熱源的熱量可以沿著翅片向外傳導(dǎo)，翅片也會(huì)吸收熱源的熱量，使熱源的溫度逐漸降低，同時(shí)翅片與空氣接觸，兩者間存在溫差，產(chǎn)生熱交換，熱量由溫度高的翅片傳導(dǎo)給溫度低的空氣，空氣吸收熱量后會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，帶走翅片上的熱量，同時(shí)新的冷空氣會(huì)繼續(xù)涌來(lái)，和翅片進(jìn)行熱交換，這樣源源不斷的空氣與翅片進(jìn)行熱交換，最后會(huì)達(dá)到熱平衡，這時(shí)燈具上的溫度保持不變了。所以翅片是燈具不可缺少部件，對(duì)燈具的散熱起著非常明顯的作用。圖813 xxl=③LED封裝罩子的溫度云圖：圖814是所有罩子溫度云圖，中間罩子的溫度最高，變邊緣罩子的溫度低，這是由于中間芯片的溫度高，邊緣芯片的溫度低造成的，而且邊緣上的罩子和空氣熱交換頻繁，導(dǎo)出的熱量多，相反，中間部分由于熱源密集，氣流不通暢，所以溫度較高。圖815是單個(gè)罩子的溫度圖， LED芯片裝在罩子底層的中間位置，罩子是實(shí)心封裝，所以罩子底層中間位置的溫度高，熱量沿著罩子向外傳導(dǎo)，罩子的四周直接與空氣接觸，而背面與散熱基板接觸，兩者都發(fā)生熱交換，帶走了熱量，所以罩子的四周溫度較低。 圖814 LED封裝罩子的溫度云圖圖815單個(gè)LED封裝罩子的溫度云圖9. 校園LED路燈應(yīng)用目前學(xué)校大概有200盞路燈，都是高壓鈉燈，瓦數(shù)為250W~400W,以250W計(jì)算。高壓鈉燈發(fā)出黃白色的光，顯色性差，而且學(xué)校路燈的覆蓋率不好，瓦數(shù)低，只能起到照明的作用，不能清楚的分辨燈光下的事物。路燈每天從晚上8點(diǎn)照到第二天9點(diǎn)，亮11個(gè)小時(shí)，所以每天的耗電量為25020011=550度電。假設(shè)學(xué)校使用LED路燈，200盞，瓦數(shù)為20W，照亮11個(gè)小時(shí)，則每天的耗電量為2002011=44度電。所以每天可以節(jié)約506度電。 高壓鈉燈與LED路燈的造價(jià)和使用壽命燈的單價(jià)（元）燈殼單價(jià)（元）燈桿價(jià)格（元）電纜（電線）價(jià)格（元）路燈價(jià)格合計(jì)（元）使用壽命（年）高壓鈉燈200300100010016002LED路燈500500100030203010注：①燈桿單價(jià)是10/公斤，燈桿重100公斤；②高壓鈉燈電流大，使用電纜，電纜單價(jià)10/m；LED路燈驅(qū)動(dòng)電路小，使用電線，電線單價(jià)3/m，電纜電線長(zhǎng)度是10m校園安裝LED路燈的優(yōu)勢(shì)：（1）LED路燈的顯色性好，即使在遠(yuǎn)處，也能清楚的分辨白光下的事物，清晨或者晚上在校園里行走，對(duì)同學(xué)的安全有更好的保障。（2）維護(hù)費(fèi)用低，因路燈安裝在高處，跟換麻煩，而LED路燈相對(duì)高壓鈉燈來(lái)說(shuō)具有更長(zhǎng)的壽命，不用經(jīng)常跟換；高壓鈉燈平均2年就要跟換一次，而LED路燈的理論平均壽命是10年，10年內(nèi)200盞高壓鈉燈更換5次，LED路燈更換1次，則兩燈燈具費(fèi)用：高壓鈉燈：20016005=16萬(wàn)元LED路燈：20020301=比較結(jié)果表明，LED路燈的維護(hù)費(fèi)用更低。（3）節(jié)能，LED路燈每天可以節(jié)約506度電，學(xué)校一學(xué)年是10個(gè)月，則一學(xué)年就能節(jié)約151800度電，則一學(xué)年可節(jié)約電費(fèi)8余萬(wàn)元。學(xué)校學(xué)生宿舍平均每月用40度電，則一個(gè)宿舍一學(xué)年用400度電，151800/400=，計(jì)算結(jié)果表明節(jié)約下來(lái)的電可以供380個(gè)宿舍用一學(xué)年。綜上所述，校園研究設(shè)計(jì)LED路燈是有實(shí)際意義的。根據(jù)第7章的設(shè)計(jì)步驟，和現(xiàn)有的材料，制作出簡(jiǎn)易的LED路燈實(shí)物。圖1是路燈的實(shí)物圖。圖2是從側(cè)面拍攝的燈具全亮圖。圖3是單組LED照明圖，因?yàn)長(zhǎng)ED是陣列排列，可以根據(jù)路面照度的實(shí)際需要情況，對(duì)路燈照度進(jìn)行多組控制。圖4是路燈的整體照明效果圖，可以看出照明效果良好，照度很高。圖1 路燈實(shí)物圖 圖2 路燈實(shí)物圖側(cè)面圖3 單組LED照明圖 圖4 路燈照明效果圖結(jié)論本論文是在通過(guò)全面的學(xué)習(xí)LE