基于LED的照明系統(tǒng)中使用的分析模型的可行性研究

戶外LED照明系統(tǒng)不僅要承受雨水和灰塵，而且太陽(yáng)輻射。在一般情況下，LED照明系統(tǒng)，計(jì)算與沒有太陽(yáng)能負(fù)載。這是一個(gè)有效的假設(shè)，如果照明系統(tǒng)只在夜間進(jìn)行操作。當(dāng)受到各種環(huán)境條件本文討論的室外應(yīng)用基于LED的照明系統(tǒng)的分析模型。

照明系統(tǒng)

該系統(tǒng)由一個(gè)安裝在外殼中的可旋轉(zhuǎn)的基于LED的燈夾具。外殼由上一個(gè)圓頂被置于一個(gè)鋁車廂。 LED燈燈具是主動(dòng)冷卻散熱片與25冷白光LED。 LED的結(jié)溫需要為不同的正向電流來(lái)確定。內(nèi)的外殼，元件，如電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)LED電源單元(PSU)散熱。

照明系統(tǒng)的素描的圖像

圖1：照明系統(tǒng)的示意圖。

分析模型

甲熱阻圖推導(dǎo)來(lái)分析照明系統(tǒng)與圓頂向上或向下垂直安裝，如圖2的照明系統(tǒng)。假定照明系統(tǒng)不與地面接觸良好。

熱阻圖圖像

圖2：在其電氣等效給定的照明系統(tǒng)的熱電阻的圖。

尺寸

所述LED安裝在200毫米×200毫米的金屬芯基板(MCB)。該散熱器底座的尺寸具有相同的區(qū)域作為MCB。散熱器100毫米高，并且由兩個(gè)風(fēng)扇消散3 W一起冷卻。散熱片/風(fēng)扇組合有0.6 K / W的熱阻。

外殼為圓形，直徑為400毫米和400毫米。

據(jù)推測(cè)，在外殼和圓頂?shù)谋诤駥?duì)分析的影響可以忽略。因此，該壁的導(dǎo)通電阻被忽略。

還假設(shè)，只有在外殼將熱量傳遞到外部。

圓頂包括一個(gè)高200毫米，直的部分具有相同的直徑與外殼。

環(huán)境條件

太陽(yáng)能負(fù)載(直接，間接和漫)假定為適用于所述外殼和圓頂?shù)囊话胍酝獾膮^(qū)域。

對(duì)于壽命條件，太陽(yáng)能負(fù)載是700W /平方米，在20℃的周圍。

的最大條件，太陽(yáng)能負(fù)載是1020瓦/平方米，在40℃的周圍。

太陽(yáng)能吸收率的圓頂，αsolar穹頂，被假定為0.4。

太陽(yáng)能吸收外殼，αsolar-CS，被假定為0.4。

外殼的發(fā)射率被假定為0.85。

計(jì)算將在無(wú)風(fēng)，并與2米/秒使用5和傳熱系數(shù)為15W /平方米·K，分別的風(fēng)速來(lái)完成。

LED的共有25冷白光LED將在350被評(píng)估為1000毫安。評(píng)估采用LUXEON Rebel的可靠性和壽命數(shù)據(jù)為B10，L70條件有40000小時(shí)的壽命要求。壽命條件B10，L70意味著，對(duì)于特定的壽命，LED的10%，預(yù)計(jì)在規(guī)定的結(jié)溫度和正向電流失敗。失效準(zhǔn)則是當(dāng)LED的光輸出已經(jīng)降低到其原始光的70%。

氮化銦鎵LUXEON Rebel LED的預(yù)期壽命圖像

圖3：預(yù)期(B10，L70)壽命的氮化銦鎵的LUXEON Rebel LEDs.1

所需的結(jié)溫在使用壽命和最大溫度條件下計(jì)算的。壽命條件從圖3取，而最大的條件是從Reference.2壽命和最高溫度使用公式1計(jì)算出的，并示于表1。雖然表1表明的壽命條件比最大的條件更嚴(yán)格對(duì)于某些正向電流額定值，無(wú)論是壽命和最大條件本文中進(jìn)行評(píng)估。

方程1(1)

表1：最大和壽命的結(jié)溫required.1,2

LED可以被安裝在FR4 PCB或金屬芯基板。這些LED具有10 K / W的結(jié)至電路板的熱阻。 LED的散熱用方程2，其中，如果是在安培正向電流來(lái)計(jì)算，Vf為單位為伏特的電壓和ηL是光效率。在研究中使用的值列在表2中。

方程2

(2)

表2：LED散熱假設(shè)20%的光效。

電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器

的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器被用在所述外殼以旋轉(zhuǎn)照明系統(tǒng)。來(lái)自這些設(shè)備的總功耗被假定為10 W.

LED電源單元(PSU)

LED功率供應(yīng)單元也將散熱和由公式3，其中N是LED的數(shù)量和ηPSU是PSU的效率，這是假​​定為85%給出。

方程3

(3)

計(jì)算過程

此分析的第一計(jì)算步驟是確定的外壁的溫度。這可以通過應(yīng)用繞所述外殼的控制量來(lái)完成。施加穩(wěn)態(tài)能量平衡，等式4，以控制體積產(chǎn)量公式5，這被迭代求解外殼壁溫，TEN。請(qǐng)注意，在計(jì)算中，溫度以開爾文和不攝氏度。這是因?yàn)檩椛浞匠淌褂脺囟纫蚤_爾文，計(jì)算熱通量。

周圍的圍墻控制音量圖片

圖4：各地圍墻控制音量。

方程4

(4)

方程5

(5)

在哪里

方程6

(6) [!--empirenews.page--]

方程7

(7)

式(8)

(8)

方程9

(9)

方程式10

(10)

方程式11

(11)

方程式12

(12)

在公式11中的因子FEN就是增加了外殼的表面積。超過100的任何增加，這個(gè)因素意味著，外殼表面也成為波浪狀或波紋。因此，它具有較高的表面積比以前。

第二步驟是計(jì)算散熱器溫度。這是通過將控制量到散熱器完成的，如圖5施加一個(gè)能量平衡方程，以控制體積得到公式13中，然后求解散熱器溫度，THS。內(nèi)部空氣被假定為充分混合。因此，在公式14中的傳熱系數(shù)被假設(shè)為8瓦/平方米·K。

圍繞散熱器控制音量圖片

圖5：圍繞散熱器控制音量。

方程式13

(13)

方程式14

(14)

性圖的圖像從散熱器到LED的結(jié)

圖6：從散熱器至LED結(jié)抗性圖。

結(jié)溫度可以計(jì)算施加傳導(dǎo)電阻從LED結(jié)到散熱片，如公式15然后可以重新安排，以公式16來(lái)計(jì)算LED的結(jié)溫。

方程式15

(15)

方程式16

(16)

幾個(gè)研究已經(jīng)完成分析的照明系統(tǒng)的各種參數(shù)。這些研究的總結(jié)列于表3。

將要進(jìn)行的研究表3匯總

表3：研究的總結(jié)被執(zhí)行。

結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如表4為不同的案例研究。圖7(a)表示組件之間的溫度差。這給出的最大溫度差的視覺指示并且其中可以改進(jìn)。圖7(c)表示施加到系統(tǒng)從各種來(lái)源的絕對(duì)值的熱能。在圖7(D)的值是類似的(c)中，但給定為總數(shù)的百分比。

為基線模型中，研究表明，LED結(jié)溫度是上述說(shuō)明書時(shí)LED被在700 mA(S3和S4)和1000 mA的(S5和S6)中運(yùn)行。當(dāng)改進(jìn)的模型進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該結(jié)溫度仍高于規(guī)范1000毫安。然而，對(duì)于700個(gè)毫安，人們發(fā)現(xiàn)，結(jié)溫度是在規(guī)定范圍內(nèi)。當(dāng)其它溫度進(jìn)行了檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空氣溫度為99℃。這將是太高的風(fēng)扇，電源，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)程序。考慮135℃，2的最大LED儲(chǔ)存溫度可以得出結(jié)論，該LED的組件，例如封裝，是在太高的溫度下進(jìn)行。

結(jié)果表4摘要

表4：結(jié)果總結(jié)。

系統(tǒng)部件之間的溫度差的圖像

圖7：作為太陽(yáng)能吸收率(b)和熱能施加到在絕對(duì)值(c)所示的系統(tǒng)和總(D)的百分比的函數(shù)的系統(tǒng)的組分(a)，結(jié)溫溫差。

雖然以前的研究已經(jīng)表明，700個(gè)毫安的LED不是為基準(zhǔn)模型可行的，還研究了改變的在外殼壁的太陽(yáng)能吸收率的影響的改進(jìn)的模型。雖然熱負(fù)荷到系統(tǒng)已經(jīng)減少了272瓦(S11)到188 W(S15)，空氣溫度保持太熱。此外，它們被認(rèn)為是太亮用于表面以具有0.2的吸收率。隨著時(shí)間的推移，該反光將由灰塵層，風(fēng)生粉塵砂紙的表面而降低。

看一下圖7的溫度差曲線圖(a)在S11中，最大溫差為外殼和周圍環(huán)境之間。它被示于圖7(d)該太陽(yáng)能負(fù)載到外殼是總熱負(fù)荷到系統(tǒng)的50%。因?yàn)橥鈿ぬ?yáng)能負(fù)載是總負(fù)荷的50%，則建議的太陽(yáng)能屏蔽被用來(lái)減少外殼和周圍環(huán)境之間的溫度差。太陽(yáng)能護(hù)罩的缺點(diǎn)是，風(fēng)將具有系統(tǒng)在一個(gè)較小的效果時(shí)，沒有太陽(yáng)能屏蔽存在。在S16中，它表明，在結(jié)溫17℃的降低，當(dāng)系統(tǒng)是在2米/秒的風(fēng)。

第二大的溫度差是在外殼和內(nèi)部空氣之間。為了降低該溫度差，在外殼內(nèi)的空氣必須能夠沿著所述外殼和圓頂?shù)乃斜砻嬉苿?dòng)。這會(huì)增加熱傳導(dǎo)系數(shù)，可以通過莫名其妙外殼的內(nèi)部來(lái)完成。然而，這必須由計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析。

為基線研究，它表明，在350mA(S1)中，結(jié)溫是在規(guī)定范圍內(nèi)為條件的壽命。然而，空氣溫度是相當(dāng)高的最大條件(S2)。這是通過使用上級(jí)模型(S7)的改善。