新型太阳能路灯热分析与结构设计.docx

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新型太阳能路灯热分析与结构设计

摘要

LED作为第四代照明光源已被广泛应用于显示和照明系统设备，但由于其光电转化率较低，大部分电能实际转化成了热量，所以如何提高其散热能力是大功率LED实现产业化亟待解决的关键技术之一。

我国虽有多家企业开发生产LED城市照明路灯，但很多是用小功率LED阵列作发光体，小功率LED光衰强，散热问题解决了，所用LED数量要很多，实用性增强。

城市照明LED路灯采用大功率LED是发展的趋势。

文章以某公司LED路灯为模型，采用EFDpro元软件对其进行参数化建模及热分析，得出了其稳态的温度场分布，分析了铝制热沉不同结构参数对其温度场的影响情况。

由最终的结果可知，采用一体化压铸散热器,并在合适的范围内使散热器翅片的厚度和间距较小一些，可得到较为理想的优化结构，既能控制芯片的最高温度，又有效地减小了散热器的质量。

文章LED路灯算例得到优化的质量为原质量的33．40％。

关键词：

大功率LED；热沉；热分析

ABSTRACT

LEDlightingsourceasthefourthgenerationhasbeenwidelyappliedtodisplayandlightingsystemequipment,butbecauseofitsphotoelectricconversionrateislow,mostpoweractualturnsintoheat,sohowtoraisetheheatcapacityishighpowerLEDrealizedindustrializationurgentlytobesolvedinoneofthekeytechnology.ThoughmanyenterprisesinChinadevelopmentproductionLEDurbanlightinglamps,butmanyaremadewithlittlepowerLEDlights,smallpowerarrayofstrong,LEDlightfailurecoolingproblemsolved,LEDtomany,usednumberofpracticalenhancement.UrbanlightingLEDstreetlampsusehighpowerLEDisdevelopmenttrend.TakingacompanyLEDlampsformodelusingEFDprofiniteelementsoftware,theparameterizedmodelingandthermalanalysis,obtainedthesteady-statetemperaturefielddistribution,basedontheorthogonalexperimentbydesign,analysesthealuminumheatsinkdifferentstructuralparametersontheeffectoftemperaturefield.Bythefinalresult,inappropriaterangemakeradiatorfinthicknessandspacinglesser,cangettheidealoptimizationstructure,alreadycancontrolchipmaximumtemperature,andeffectivelyreducedtheradiatorquality.

ArticleLEDlampsexamplefortheoriginaloptimizedthequalityofthequalityof33.40%.

Keywords:

highpowerLEDHeatsinkThermalanalysis

第一章绪论

结合我国绿色照明工程计划及国内外太阳能光伏技术，以及LED照明技术发展动态，全面系统地阐述了太阳能LED路灯的最新设计技术。

与通光源比，大功率LED具有省电、寿命长反应时间快等优点，在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用。

LED芯片的表面面积小，工作时电流密度大，单颗LED的输出光束低，所以照明设备大多要求多个LED组合而成，从而造成LED密集度较大。

但由于LED的光电转换效率不高，大约只有15％-20％左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此当大量LED集中工作时，将会产生大量的热量。

若不能使这些热量尽快有效地耗散，随之而来的热效应将会变得非常明显，致使结温上升，减少芯片出射的光子，使色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命，且由于LED芯片输入功率的不断提高，因散热问题牵扯到光、电、色等一系列的问题显得更加突出，因此对该结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。

在设计LED发光器件时，为了较好地控制结温，良好的散热设计主要是出于以下考虑：

一方面改善器件内部封装结构，提高发热芯片向外壳传导热量的能力；另外一方面提高外壳向外界散热的能力。

通过对热分析资料与参数的参考，分析了铝制热沉各结构尺寸变化对其温度场的影响情况，最终得到较为理想的优化结构，达到了在散热效果基本不变的前提下，降低散热器用料，控制成本的目的。

第二章太阳能LED路灯

2.1LED的发展历程与前景

2.1.1LED概述

LED（LighyEmittingDiode），又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。

LED光源在照明领域的应用，是半导体发光材料技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的产物。

“绿色照明”是国外照明领域在上世纪80年代末提出的新概念，我国“绿色照明工程”的实施始于1996年。

实现这一计划的重要步骤就是要发展和推广高效、节能照明器具，节约照明用电，减少环境及光污染，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。

近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。

高亮度LED也就是大功率LED将逐渐成为照明行列的佼佼者。

2.1.2LED照明的发展历程

1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。

由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用，更难处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了。

二十年代晚期BernhardGudden和RobertWichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。

再一次因发光暗淡而停止。

1936年,GeorgeDestiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。

随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了"电致发光"这个术语。

二十世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。

据说在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里，更需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。

第一个商用LED仅仅只能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。

60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。

磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。

到70年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。

LED采用双层磷化镓蕊片（一个红色另一个是绿色）能够发出黄色光。

就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。

尽管它不如欧洲的LED高效。

但在70年代末，它能发出纯绿色的光。

80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。

到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。

第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期，再一次利用金钢砂-早期的半导体光源的障碍物。

依当今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光LED一样光源暗淡。

90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。

超亮度蓝光蕊片是白光LED的核心，在这个发光蕊片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。

就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。

1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓（GaAsP）半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。

1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。

其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED。

这种LED的效率为每瓦大约0.1流明，比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。

1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。

1971，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。

到20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价格直线下跌。

事实上，LED在那个时代主打市场是数字与文字显示技术应用领域。

80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。

这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯（CHMSL）设备。

1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。

今天，效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。

在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。

1994年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管，由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。

20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。

随着技术的不断进步，近年来白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已经达到38lm/W，实验室研究成果可以达到70lm/W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。

2.1.3LED照明的发展前景

目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%，大大降低照明用电是节省能源的重要途径，为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具，并达到了一定的成效。

但是，距离“绿色照明”的要求还远远不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。

LED以其固有的优越性正吸引着世界的目光。

美国、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测，美国55%白炽灯及55%的日光灯被LED取代，每年节省350亿美元电费，每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。

日本100%白炽灯换成LED，可减少1～2座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗。

台湾地区25%白炽灯及100%的日光灯被白光LED取代，每年节省110亿度电。

LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。

随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。

国家发改委、财政部、科技部等部门正在努力推动LED产品取代传统的白炽灯和高压钠灯等传统光源，并确立了到2015年实现节能260亿元人民币的目标。

在技术和政策的推动下，LED路灯终将成为替代传统路灯的首选。

2.2太阳能路灯构成及光源

1.太阳能路灯基本结构

太阳能路灯利用太阳能电池的光生伏电效应原理，白天太阳能电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电，设定的时间到后控制器切断光源电源。

太阳能路灯由以下几个部分组成：

太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池、太阳能路灯光源、灯杆及灯具外壳、线缆和连接紧固辅件，如图2.1所示。

图2.1太阳能路灯基本结构图

2.太阳能电池组件

太阳能电池组件是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。

其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。

在众多太阳能光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池三种。

在太阳光充足、日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低。

在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。

非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。

单体太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。

太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被树叶等遮挡物长时间遮挡，被遮挡的单片太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，甚至会造成整个太阳能电池组件损坏，这就是所谓的热岛效应。

为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使太阳能电池表面不能附着遮挡物。

3.太阳能控制器

无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。

为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。

在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。

同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能，具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切换负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。

对任何一个太阳能照明系统来说，充放电控制电路的优劣将直接影响到系统应用的成败。

由于太阳能光伏发电系统输入的能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通发电系统对蓄电池充电的控制复杂。

一个性能良好的光伏控制器应具有控制蓄电池充放电、温度调节、最大功率跟踪和过充保护、过放保护、短路保护、反接保护等多种保护功能以及自动开关和时间调整功能。

从而保证系统可靠运行，同时使太阳能电池组件可以在不同温度和辐照情况下智能输出最大功率，使照明系统具有很高的效率。

4，蓄电池

由于太阳能照明系统蓄电池的充电直接由太阳能电池提供，得到的能量极不稳定，所以要配置容量合理、性能可靠的蓄电池，以保证光伏发电系统的正常工作。

在太阳能光伏照明系统中，通常选用的是免维护铅酸蓄电池。

免维护铅酸电池是一种新型的蓄电池，它采用全密封方式，放电率高，特性稳定；无须加水；安装简单，占地面积小，可水平和垂直安装；期望寿命一般为5~7年。

选择蓄电池容量的一般原则是：

首先够满足夜晚照明要求，并能把白天太阳能电池组件产生的能量尽量存储下来，同时还能满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。

蓄电池容量过小不能满足夜晚照明的需要，蓄电池容；量过大则蓄电池长期处在亏电状态，缩短蓄电池寿命，同时也浪费不必要的投资。

5.新型太阳能路灯光源

太阳能路灯根据实际情况需要，可在l2V直流节能灯、低压钠灯、高压钠灯、无极电磁感应灯、LED灯等多种光源中进行选择。

不管选用那种光源，其亮度与光源的功率有直接关系，也直接影响系统配置和授资费用。

在相同照明时间的条件下，光源功率越大，亮度越高，系统配置越大，费用越高；功率越小，亮度越低，系统配置降低，费用减少。

太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，新型太阳能灯具采用LED光源。

LED灯是一种通过直流低压点亮发光二极管组来实现照明需求的一种新型照明方式，具有亮度高、显色性好等特点；另外，由于LED路灯的输入为低压直流，能与太阳能结合起来，LED作为太阳能路灯的光源将是今后发展的趋势。

6.灯杆及灯具外壳

灯杆的高度应根据道路的宽度、灯具的间距，道路的照度标准确定。

灯具一般是指用于安装照明光源的部分，也就是通常所说的灯头；灯杆分为变径杆、锥形杆、组合杆等多种形式，并通过挑臂与灯具连接。

一般的灯杆、灯具都可作为太阳能灯的选择对象。

如果采用在灯杆上直接安装太阳能电池组件的方案，需根据太阳能电池组件面积加工制作太阳能电池组件的支架，同时考虑灯杆的抗风强度问题。

灯具和灯杆的选择面较宽，一般满足实用、美观的要求即可。

7.线缆和连接紧固铺件

线缆用于连接太阳能电池组件、蓄电池、充放电控制器、光源等器件。

线缆的线径标准随系统配置需要确定，线缆的长度随灯秆高度和器件安装位置确定。

连接紧固辅件用于固定各器件连线的输入、输出端子，固定灯杆及灯具。

2.3新型太阳能路灯的优缺点

新型太阳能路灯采用高效单晶（多晶）硅太阳能电池供电，采用铁锂蓄电池存储电能，用LED灯照明，并采用先进的充放电和照明控制电路，具有性能可靠、发光效率高、亮度大、安装方便、无须铺设电缆电线、无须交流电能和电费、采用直流供电、光敏控制、安全可靠、节能、经济、环保、实用（根据配置和型号不同，充电一天可用3~7天）、寿命长（太阳能电池可用15~20年、蓄电池可用5~7年}。

1.LED路灯的优点

由于LED的工作电流是直流，且工作电压较低。

太阳能电池将光能转化为直流电能，且太阳能电池组件可以通过串、并联方式组合得到实际需要的电压。

这些特点恰好与LED相匹配，两者结合将获得很高的能源利用率、较高的安全性能和可靠性，实现节能、环保、安全、高效的照明系统。

LED路灯灯头如图2.2所示。

图2.2LED路灯灯头

LED作为路灯的光源，它和传统路灯光源比较的主要优点有：

光效高、节能。

LED光源色温4500~6500K，显色指数85以上，颜色更接近于自然光，与高压钠灯相比，入眼感到同样亮度时所需的光强低许多，因此，在道路照明中采用98W的LED路灯，其照明效果就相当于250W的高压钠灯。

LED的能耗较小，随着技术的进步，它将成为一种新型的节能照明光源。

②长寿。

LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，放置在一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗振性能好。

由于大功率LED路灯是由很多LED光源组成，即使个别损坏了也不会对正常照明产生太大影响，不像高压钠灯损坏时全灯熄灭，大功率LED路灯寿命长达5万小时，是高压钠灯的十几倍，户外使用寿命长达10年以上。

③自动控制。

可根据时间和外部环境调节LED路灯功率，提高节能性。

LED能实现较完美的调光功能。

由于LED的工作范围较大，其光输出和工作电流成正比，因此可以减小电流的方法来调光。

另外，由于LED进行频繁开关对其没有太大的损伤，LED的调光还可以采用脉冲宽度调节的方法来得到，通过调节电压的占空比和工作频率，能够有效调节LED的发光强度。

④显色性好。

LED路灯发出的是白色光，显色指数达85以上，与阳光（显色指数100）相差不多，色彩更真实，也不存在危害性的紫外光线和红外光线，不吸引昆虫。

有效减少眩光。

目前的路灯光线呈180。

散射，LED路灯通过独特的二次光学设计，使得路灯的光线投射到路面形成一块矩形光斑，几乎没有散射的眩光，对周围不造成光污染。

且光场区亮度分布均匀，光线柔和，有效减少驾驶员眼睛疲劳，使驾驶更安全。

无频闪。

大功率LED路灯采用直流供电，配有恒流驱动装置，使大功率LED路灯发光恒定，彻底无闪烁。

⑦发光响应时间快。

LED的响应时间只有几十纳秒，远快于白炽灯、气体放电灯等光源，且大功率LED路灯通电即达到正常亮度，无开灯延时现象。

便于实行智能控制，更加节能。

安全。

LED照明是一种固态照明，可以有效防振、防爆，对于类似振动比较大的高速公路和对安全性要求更高的隧道和矿井等尤其适用。

优良的散热性能。

低热阻的结构设计与良好的散热设计，保证了LED的PN结结温不会超过75℃，从而保证了LED的发光效率及工作寿命。

⑩在灯具的光学系统内，LED光源的光通量损失最小。

与传统光源不同，LED是半空间发光的光源。

LED的发光体芯片尺寸很小，在进行灯具设计时基本上可以把它看做点光源，可按点光源光通量分布模型计算，比较简单。

直流供电。

太阳能电池单体电压为0.5~1.2V。

通过串、并联可获得各种直流电压的供电电源，而LED的驱动也用直流电源，单管工作电压一般为0.8~3.8V，也可通过串、并联使两者非常相配，可以省却太阳能光电照明系统中使用其他照明光源所必需的逆变器。

这样既可提高能源利用率，又可节约成本，还可改善系统可靠性。

结构牢固。

太阳能电池组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装，整个系统没有转动部件。

LED是用有机高分子材料封装的固体光源，其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件，是一种全固体结构，因此能经受振动、冲击，结构牢固。

2.LED路灯的缺点

　1.单个LED功率低。

为了获得大功率，要多个并联使用。

　2.显色指数低。

LED照射下显示的颜色没有白炽灯真实，这要从光谱分布上来分析，属于技术问题。

　3.光斑。

由于白光LED本身制造工艺上缺陷加上与反射杯或透镜的配合误差，容易造成“黄圈”问题。

　4.LED照射均匀度问题。

如果不进行二次光学设计，LED的照射是比较集中，

所以一定要进行二次光学设计，使其光强分布图呈蝙蝠形。

　5.LED的光衰问题。

相比小功率LED，大功率LED路灯的光衰就会要好很多。

6.大功率的LED会释放大量热量，而且发热后亮度会明显降低，所以存在散热问题。

2.4发展新型LED路灯的意义

路灯照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。

而大量高效、节能、环保的新型LED路灯的发展是符合全球节能环保的绿色大潮流，也符合我国十二五规划中提到的低碳生活。

新型LED路灯与传统路灯的对照如下表：

表2.1传统路灯与LED路灯数据对比

表2.2传统路灯与LED路灯五年总体费用比较

由此可见新型LED路灯真正地实现了低碳、高效、节能、环保。

在能源紧缺、环境恶化的现状下发展LED路灯是保护环境、保护全人类的重要举措。

第三章设计必备软件介绍

3.1proe概述

3.1.1proe的简介：

图3.1proe界面

　　1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。

1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。

经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。

目前已经发布了Pro/ENGINEERproewildfire6.0。

PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。

Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。

下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。

　　主要特性有

　　1.全相关性：

Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关