新型太陽能路燈熱分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、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。我國雖有多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn) LED 城市照明路燈，但很多是用小功率LED 陣列作發(fā)光體，小功率LED 光衰強(qiáng)，散熱問題解決了，所用LED數(shù)量要很多，實(shí)用性增強(qiáng)。城市照明LED路燈采用大功率LED 是發(fā)展的趨勢。文章以某公司LED路燈為模型，采用EFDpro元軟件對其進(jìn)行參數(shù)化建模及熱分析，得出了其穩(wěn)態(tài)的溫度場分布，分析了鋁制熱沉不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對其溫度場的影響情況。由最終的結(jié)果可知，采用一體化壓鑄散熱器

2、,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。 文章LED路燈算例得到優(yōu)化的質(zhì)量為原質(zhì)量的33．40％。 關(guān)鍵詞：大功率LED；熱沉；熱分析 ABSTRACT LED lighting source as the fourth generation has been widely applied to display and lighting system equipment, but because of its photoelectric conversion

3、 rate is low, most power actual turns into heat, so how to raise the heat capacity is high power LED realized industrialization urgently to be solved in one of the key technology. Though many enterprises in China development production LED urban lighting lamps, but many are made with little power LE

4、D lights, small power array of strong, LED light failure cooling problem solved, LED to many, used number of practical enhancement. Urban lighting LED street lamps use high power LED is development trend. Taking a company LED lamps for model using EFDpro finite element software, the parameterized mo

5、deling and thermal analysis, obtained the steady-state temperature field distribution, based on the orthogonal experiment by design, analyses the aluminum heat sink different structural parameters on the effect of temperature field. By the final result, in appropriate range make radiator fin thickne

6、ss and spacing lesser, can get the ideal optimization structure, already can control chip maximum temperature, and effectively reduced the radiator quality. Article LED lamps example for the original optimized the quality of the quality of 33.40%. Keywords: high power LED Heat sink Thermal an

7、alysis 目錄 i 目錄 第一章 緒論 1 第二章 太陽能LED路燈 3 2.1 LED的發(fā)展歷程與前景 3 2.1.1 LED概述 3 2.1.2 LED照明的發(fā)展歷程 3 2.1.3 LED照明的發(fā)展前景 5 2.2 太陽能路燈構(gòu)成及光源 6 2.3 新型太陽能路燈的優(yōu)缺點(diǎn) 9 2.4 發(fā)展新型LED路燈的意義 12 第三章 設(shè)計必備軟件介紹 13 3.1 proe概述 13 3.1.1 proe的簡介： 13 3.1.2 pro\E的特點(diǎn)與功能 14 3.2 EFDpro概述 16 第四章LED路

8、燈結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 4.1 新型太陽能 LED路燈光伏系統(tǒng)設(shè)計 19 4.1.1 新型太陽能LED路燈光伏系統(tǒng)設(shè)計要素 19 4.1.2 控制器選擇及太陽能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計 22 4.2 LED路燈燈頭設(shè)計 23 4.2.1 LED路燈照明設(shè)計 23 4.2.2路照明燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計： 27 第五章LED路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計 29 5.1熱分析的相關(guān)材料與參數(shù) 29 5.2 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計 33 5.3 LED 路燈配光和結(jié)構(gòu)所采用的具體技術(shù)方案 38 5.4模型的建立與熱分析 40 5.4.1proe建模 40 5.4.2熱分析 41 第六章 結(jié)論與

9、展望 45 第七章 結(jié)束語 47 致謝 49 參考文獻(xiàn) 51 第一章 緒論 9 第一章 緒論 結(jié)合我國綠色照明工程計劃及國內(nèi)外太陽能光伏技術(shù)，以及LED照明技術(shù)發(fā)展動態(tài)，全面系統(tǒng)地闡述了太陽能LED路燈的最新設(shè)計技術(shù)。與通光源比，大功率LED具有省電、壽命長反應(yīng)時間快等優(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。LED芯片的表面面積小，工作時電流密度大，單顆LED的輸出光束低，所以照明設(shè)備大多要求多個LED組合而成，從而造成LED密集度較大。但由于L E D的光電轉(zhuǎn)換效率不高

10、，大約只有15％-20％左右電能轉(zhuǎn)為光輸出，其余均轉(zhuǎn)換成為熱能，因此當(dāng)大量LED集中工作時，將會產(chǎn)生大量的熱量。若不能使這些熱量盡快有效地耗散，隨之而來的熱效應(yīng)將會變得非常明顯，致使結(jié)溫上升，減少芯片出射的光子，使色溫質(zhì)量下降，加快芯片老化，縮短器件壽命，且由于LED芯片輸入功率的不斷提高，因散熱問題牽扯到光、電、色等一系列的問題顯得更加突出，因此對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析和優(yōu)化設(shè)計就變得異常關(guān)鍵。在設(shè)計LED發(fā)光器件時，為了較好地控制結(jié)溫，良好的散熱設(shè)計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。通過對熱分析資料與參數(shù)的參考，

11、分析了鋁制熱沉各結(jié)構(gòu)尺寸變化對其溫度場的影響情況，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。 第二章 太陽能LED路燈 2.1 LED的發(fā)展歷程與前景 2.1.1 LED概述 LED（Lighy Emitting Diode），又稱發(fā)光二極管，它們利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。 LED光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產(chǎn)物?！熬G色照明”是

12、國外照明領(lǐng)域在上世紀(jì)80年代末提出的新概念，我國“綠色照明工程”的實(shí)施始于1996年。實(shí)現(xiàn)這一計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)。 近幾年來，隨著人們對半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實(shí)現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場成為可能。高亮度LED也就是大功率LED將逐漸

13、成為照明行列的佼佼者。 2.1.2 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。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。二十年代晚期BernhardGudden和Robert Wichard 在德國使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光。再一次因發(fā)光暗淡而停止。 1936年,GeorgeDestiau出版了一個關(guān)于硫化鋅粉末發(fā)射光的報告。隨著電流的應(yīng)用和廣泛的認(rèn)識，最終出現(xiàn)了"電致發(fā)光"這個術(shù)語。 二十世紀(jì)50年代，英國科學(xué)家在電致發(fā)光的實(shí)驗中使用半導(dǎo)體砷化鎵發(fā)明了

14、第一個具有現(xiàn)代意義的LED,并于60年代面世。據(jù)說在早期的試驗中，LED需要放置在液化氮里，更需要進(jìn)一步的操作與突破以便能高效率的在室溫下工作。第一個商用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。 60年代末，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個可見的紅光LED。磷化鎵的改變使得LED更高效、發(fā)出的紅光更亮，甚至產(chǎn)生出橙色的光。 到70年代中期，磷化鎵被使用作為發(fā)光光源，隨后就發(fā)出灰白綠光。LED采用雙層磷化鎵蕊片（一個紅色另一個是綠色）能夠發(fā)出黃色光。就在此時，俄國科學(xué)家利用金剛砂制造出發(fā)出黃光的LED。盡管它不如歐洲的LED高效。但在70年代末，它能發(fā)出純綠色的

15、光。80年代早期到中期對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。 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。第一個有歷史意義的藍(lán)光LED也出現(xiàn)在90年代早期，再一次利用金鋼砂-早期的半導(dǎo)體光源的障礙物。依當(dāng)今的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)去衡量，它與俄國以前的黃光LED一樣光源暗淡。 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。超亮度藍(lán)光蕊片是白光LED的核心，在這個發(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。就是利用這種技術(shù)制造出任何可見顏色的光。

16、 1962年,GE、Monsanto、IBM的聯(lián)合實(shí)驗室開發(fā)出了發(fā)紅光的磷砷化鎵（GaAsP）半導(dǎo)體化合物，從此可見光發(fā)光二極管步入商業(yè)化發(fā)展進(jìn)程。 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)時的單價約為45美元。其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化紅色LED。這種LED的效率為每瓦大約0.1流明，比一般的60至100瓦白熾燈的每瓦15流明要低上100多倍。 1968年，LED的研發(fā)取得了突破性進(jìn)展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達(dá)到了1流明/瓦，并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光。 1971，業(yè)界又推

17、出了具有相同效率的GaP綠色芯片LED。 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的價格直線下跌。事實(shí)上，LED在那個時代主打市場是數(shù)字與文字顯示技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。 80年代早期的重大技術(shù)突破是開發(fā)出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的發(fā)光效率發(fā)出紅光。這一技術(shù)進(jìn)步使LED能夠應(yīng)用于室外信息發(fā)布以及汽車高位剎車燈(CHMSL)設(shè)備。 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)時標(biāo)準(zhǔn)的GaAsP器件性能要高出10倍。 今天，效率最高的LED是用透明襯底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期間，

18、材料技術(shù)、芯片尺寸和外形方面的進(jìn)一步發(fā)展使商用化LED的光通量提高了將近30倍。 1994年，日本科學(xué)家中村修二在GaN基片上研制出了第一只藍(lán)色發(fā)光二極管，由此引發(fā)了對GaN基LED研究和開發(fā)的熱潮。 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，價格高。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來白光LED的發(fā)展相當(dāng)迅速，白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到38lm/W，實(shí)驗室研究成果可以達(dá)到70lm/W，大大超過白熾燈，向熒光燈逼近。 2.1.3 LED照明的發(fā)展前景 目前，照明消耗約占整個電力消耗的20%，大大降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑，為實(shí)現(xiàn)這

19、一目標(biāo)業(yè)界已研究開發(fā)出許多種節(jié)能照明器具，并達(dá)到了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，開發(fā)和應(yīng)用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。LED以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。美國、日本等國家和臺灣地區(qū)對LED照明效益進(jìn)行了預(yù)測，美國55%白熾燈及55%的日光燈被LED取代，每年節(jié)省350億美元電費(fèi)，每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。日本100%白熾燈換成LED，可減少1～2座核電廠發(fā)電量，每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。臺灣地區(qū)25%白熾燈及100%的日光燈被白光LED取代，每年節(jié)省110億度電。 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)。隨

20、著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的逐步提高，LED的應(yīng)用市場將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認(rèn)為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。國家發(fā)改委、財政部、科技部等部門正在努力推動LED產(chǎn)品取代傳統(tǒng)的白熾燈和高壓鈉燈等傳統(tǒng)光源，并確立了到2015年實(shí)現(xiàn)節(jié)能260億元人民幣的目標(biāo)。在技術(shù)和政策的推動下，LED路燈終將成為替代傳統(tǒng)路燈的首選。 2.2 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

21、光子能量產(chǎn)生電能，通過控制器儲存在蓄電池里，當(dāng)夜幕降臨或燈具周圍光照度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電，設(shè)定的時間到后控制器切斷光源電源。太陽能路燈由以下幾個部分組成：太陽能電池組件、太陽能控制器、蓄電池、太陽能路燈光源、燈桿及燈具外殼、線纜和連接緊固輔件，如圖 2.1所示。 圖 2.1 太陽能路燈基本結(jié)構(gòu)圖 2. 太陽能電池組件 太陽能電池組件是太陽能路燈中的核心部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。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晶硅太陽

22、能電池三種。在太陽光充足、日照好的東西部地區(qū)，采用多晶硅太陽能電池為好，因為多晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝相對簡單，價格比單晶硅低。在陰雨天比較多、陽光相對不是很充足的南方地區(qū)，采用單晶硅太陽能電池為好，因為單晶硅太陽能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定。非晶硅太陽能電池在室外陽光不足的情況下比較好，因為非晶硅太陽能電池對太陽光照條件要求比較低。 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。太陽能電池組件在使用過程中，如果有一片太陽能電池單獨(dú)被樹葉等遮擋物長時間遮擋，被遮擋的單片太陽能電池在強(qiáng)烈陽光照射下就會發(fā)熱損壞，甚至?xí)斐烧麄€太陽能電池組件損壞，這就是所謂的熱島效應(yīng)。為了防止熱島效

23、應(yīng)，一般是將太陽能電池傾斜放置，使太陽能電池表面不能附著遮擋物。 3. 太陽能控制器 無論太陽能燈具大小，一個性能良好的充電放電控制器是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對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。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。同時太陽能控制器應(yīng)兼有路燈控制功能，具有光控、時控功能，并應(yīng)具有夜間自動切換負(fù)載功能，便于陰雨天延長路燈工作時間。 對任何一個太陽能照明系統(tǒng)來說，充放電控制電路的優(yōu)劣將直接影響到系統(tǒng)應(yīng)用的成敗。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)中對蓄電池充電的控制要比普通發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池充電的控

24、制復(fù)雜。一個性能良好的光伏控制器應(yīng)具有控制蓄電池充放電、溫度調(diào)節(jié)、最大功率跟蹤和過充保護(hù)、過放保護(hù)、短路保護(hù)、反接保護(hù)等多種保護(hù)功能以及自動開關(guān)和時間調(diào)整功能。從而保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，同時使太陽能電池組件可以在不同溫度和輻照情況下智能輸出最大功率，使照明系統(tǒng)具有很高的效率。 4， 蓄電池 由于太陽能照明系統(tǒng)蓄電池的充電直接由太陽能電池提供，得到的能量極不穩(wěn)定，所以要配置容量合理、性能可靠的蓄電池，以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常工作。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。免維護(hù)鉛酸電池是一種新型的蓄電池，它采用全密封方式，放電率高，特性穩(wěn)定；無須加水；安裝簡單，占地面積小，可

25、水平和垂直安裝；期望壽命一般為5 ~7年。選擇蓄電池容量的一般原則是：首先夠滿足夜晚照明要求，并能把白天太陽能電池組件產(chǎn)生的能量盡量存儲下來，同時還能滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能滿足夜晚照明的需要，蓄電池容；量過大則蓄電池長期處在虧電狀態(tài)，縮短蓄電池壽命，同時也浪費(fèi)不必要的投資。 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。不管選用那種光源，其亮度與光源的功率有直接關(guān)系，也直接影響系統(tǒng)配置和授資費(fèi)用。在相同照明時間的條件下，光源功率越大，亮度越高，系統(tǒng)配置越大，

26、費(fèi)用越高；功率越小，亮度越低，系統(tǒng)配置降低，費(fèi)用減少。太陽能路燈采用何種光源是太陽能燈具是否能正常使用的重要指標(biāo)，新型太陽能燈具采用LED光源。 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。 6. 燈桿及燈具外殼 燈桿的高度應(yīng)根據(jù)道路的寬度、燈具的間距，道路的照度標(biāo)準(zhǔn)確定。燈具一般是指用于安裝照明光源的部分，也就是通常所說的燈頭；燈桿分為變徑桿、錐形桿、組合桿等多種形式，并通過挑臂與燈具連接。一般的燈桿、燈具都可作為太陽能燈

27、的選擇對象。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，同時考慮燈桿的抗風(fēng)強(qiáng)度問題。燈具和燈桿的選擇面較寬，一般滿足實(shí)用、美觀的要求即可。 7. 線纜和連接緊固鋪件 線纜用于連接太陽能電池組件、蓄電池、充放電控制器、光源等器件。線纜的線徑標(biāo)準(zhǔn)隨系統(tǒng)配置需要確定，線纜的長度隨燈稈高度和器件安裝位置確定。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。 2.3 新型太陽能路燈的優(yōu)缺點(diǎn) 新型太陽能路燈采用高效單晶 (多晶)硅太陽能電池供電，采用 鐵鋰蓄電池存儲電能，用LED燈照明，并采用先進(jìn)的充放電和照明控制電路，具有

28、性能可靠、發(fā)光效率高、亮度大、安裝方便、無須鋪設(shè)電纜電線、無須交流電能和電費(fèi)、采用直流供電、光敏控制、安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、實(shí)用 (根據(jù)配置和型號不同，充電一天可用 3 ~7 天)、壽命長 (太陽能電池可用15 ~ 20年、蓄電池可用5~7年}。 1. LED路燈的優(yōu)點(diǎn) 由于LED的工作電流是直流，且工作電壓較低。太陽能電池將光能轉(zhuǎn)化為直流電能，且太陽能電池組件可以通過串、并聯(lián)方式組合得到實(shí)際需要的電壓。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)。LED路燈燈頭如圖 2.2所示。 圖 2.2 LED

29、路燈燈頭 LED作為路燈的光源，它和傳統(tǒng)路燈光源比較的主要優(yōu)點(diǎn)有： 光效高、節(jié)能。LED光源色溫4500 ~6500K，顯色指數(shù)85 以上，顏色更接近于自然光，與高壓鈉燈相比，入眼感到同樣亮度時所需的光強(qiáng)低許多，因此，在道路照明中采用98W 的LED路燈，其照明效果就相當(dāng)于250W的高壓鈉燈。 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。 ②長壽。LED的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，放置在一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以 LED 的抗振性能好。由于大功率LED路燈是由很多LED光源組成，即使個別損壞了也

30、不會對正常照明產(chǎn)生太大影響，不像高壓鈉燈損壞時全燈熄滅，大功率LED路燈壽命長達(dá)5萬小時，是高壓鈉燈的十幾倍，戶外使用壽命長達(dá)10年以上。 ③自動控制?？筛鶕?jù)時間和外部環(huán)境調(diào)節(jié)LED路燈功率，提高節(jié)能性。LED能實(shí)現(xiàn)較完美的調(diào)光功能。由于LED的工作范圍較大，其光輸出和工作電流成正比，因此可以減小電流的方法來調(diào)光。另外，由于LED進(jìn)行頻繁開關(guān)對其沒有太大的損傷，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。 ④顯色性好。LED路燈發(fā)出的是白色光，顯色指數(shù)達(dá)85 以上，與陽光 (顯色指數(shù) 100)相差不多，色彩

31、更真實(shí)，也不存在危害性的紫外光線和紅外光線，不吸引昆蟲。 有效減少眩光。目前的路燈光線呈 180。散射，LED路燈通過獨(dú)特的二次光學(xué)設(shè)計，使得路燈的光線投射到路面形成一塊矩形光斑，幾乎沒有散射的眩光，對周圍不造成光污染。且光場區(qū)亮度分布均勻，光線柔和，有效減少駕駛員眼睛疲勞，使駕駛更安全。 無頻閃。大功率LED路燈采用直流供電，配有恒流驅(qū)動裝置，使大功率LED路燈發(fā)光恒定，徹底無閃爍。 ⑦發(fā)光響應(yīng)時間快。LED的響應(yīng)時間只有幾十納秒，遠(yuǎn)快于白熾燈、氣體放電燈等光源，且大功率LED路燈通電即達(dá)到正常亮度，無開燈延時現(xiàn)象。便于實(shí)行智能控制，更加節(jié)能。 安全。

32、LED照明是一種固態(tài)照明，可以有效防振、防爆，對于類似振動比較大的高速公路和對安全性要求更高的隧道和礦井等尤其適用。 優(yōu)良的散熱性能。低熱阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計與良好的散熱設(shè)計，保證了 LED 的PN結(jié)結(jié)溫不會超過75℃，從而保證了LED的發(fā)光效率及工作壽命。 ⑩在燈具的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)，LED光源的光通量損失最小。與傳統(tǒng)光源不同，LED是半空間發(fā)光的光源。LED的發(fā)光體芯片尺寸很小，在進(jìn)行燈具設(shè)計時基本上可以把它看做點(diǎn)光源，可按點(diǎn)光源光通量分布模型計算，比較簡單。 直流供電。太陽能電池單體電壓為 0.5 ~ 1.2V。通過串、并聯(lián)可獲得各種直流電壓的供電電源，而LED的驅(qū)動也用直流電

33、源，單管工作電壓一般為 0.8 ~3.8V，也可通過串、并聯(lián)使兩者非常相配，可以省卻太陽能光電照明系統(tǒng)中使用其他照明光源所必需的逆變器。這樣既可提高能源利用率，又可節(jié)約成本，還可改善系統(tǒng)可靠性。 結(jié)構(gòu)牢固。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，整個系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)動部件。LED是用有機(jī)高分子材料封裝的固體光源，其結(jié)構(gòu)中沒有玻璃泡、燈絲等易損壞的部件，是一種全固體結(jié)構(gòu)，因此能經(jīng)受振動、沖擊，結(jié)構(gòu)牢固。 2. LED路燈的缺點(diǎn) 　1.單個LED功率低。為了獲得大功率，要多個并聯(lián)使用。 　2.顯色指數(shù)低。LED照射下顯示的顏色沒有白熾燈真實(shí)，這要從光譜

34、分布上來分析，屬于技術(shù)問題。 　3.光斑。 由于白光LED本身制造工藝上缺陷加上與反射杯或透鏡的配合誤差，容易造成“黃圈”問題?！? 　4.LED照射均勻度問題。如果不進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計，LED的照射是比較集中， 所以一定要進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計，使其光強(qiáng)分布 圖呈蝙蝠形。 　5.LED的光衰問題。相比小功率LED，大功率LED路燈的光衰就會要好很多。 6. 大功率的LED會釋放大量熱量，而且發(fā)熱后亮度會明顯降低，所以存在散熱問題。 2.4 發(fā)展新型LED路燈的意義 路燈照明與人們生產(chǎn)生活密切相關(guān)，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，綠色、高效、長壽命的LED路燈逐漸走入人們的視野。而大量

35、高效、節(jié)能、環(huán)保的新型LED路燈的發(fā)展是符合全球節(jié)能環(huán)保的綠色大潮流，也符合我國十二五規(guī)劃中提到的低碳生活。新型LED路燈與傳統(tǒng)路燈的對照如下表： 表2.1 傳統(tǒng)路燈與LED路燈數(shù)據(jù)對比 表2.2 傳統(tǒng)路燈與LED路燈五年總體費(fèi)用比較 由此可見新型LED路燈真正地實(shí)現(xiàn)了低碳、高效、節(jié)能、環(huán)保。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。 第三章 設(shè)備必備軟件介紹 15 第三章 設(shè)計必備軟件介紹 3.1 proe概述 3.

36、1.1 proe的簡介： 圖3.1 proe界面 　　1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER proewildfire6.0。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計和機(jī)械設(shè)計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。下面就Pro/ENGINEER的特點(diǎn)及主要模塊進(jìn)行簡單的介紹。 　　主要特

37、性有 　　 1.全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 　　2.基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 　　3.裝配、

38、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 　　4.數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個學(xué)科的工程師同時對同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進(jìn)行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。 　　5.裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設(shè)計意圖。

39、高級的功能支持大型復(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。 　　6.易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預(yù)先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。 3.1.2 pro/E的特點(diǎn)與功能 　　Pro/Engineer是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機(jī)械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。 　　1． 參數(shù)化設(shè)計和特征功能 Pro/Engineer是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒

40、角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的　簡易和靈活。 　　2． 單一數(shù)據(jù)庫 Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一

41、件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。 　 3. Pro／Engineer Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型，三維上色實(shí)體或線框造型棚完整工程圖產(chǎn)生及不同視圖（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)）。Pro/Engineer是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計專用功能來實(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)

42、計方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個參數(shù)改變，其也相關(guān)的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設(shè)計優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機(jī)上或一些支持Postscript格式的彩色打印機(jī)。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。它在單用戶環(huán)境下(沒有任何附加模塊)具有大部分的設(shè)

43、計能力，組裝能力(人工)和工程制圖能力(不包括ANSI，ISO， DIN或 JIS標(biāo)準(zhǔn))，并且支持符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的繪圖儀(HP，HPGL)和黑白及彩色打印機(jī)的二維和三維圖形輸出。Pro/Engineer功能如下： 　　1． 特征驅(qū)動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）； 　　2． 參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）； 　　3． 通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來進(jìn)行設(shè)計。 　　4． 支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro／PROGRAM的各種能用零件設(shè)計的程序化方法等)。 　　5． 貫穿所有應(yīng)用的

44、完全相關(guān)性(任何一個地方的變動都將引起與之有關(guān)的每個地方變動)。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展 Pro／ENGINEER的基本功能。 3.2 EFDpro概述 FloEFDpro 是無縫嵌入proe環(huán)境的工程化的流體/傳熱分析件.EFDpro基于與傳統(tǒng)CFD軟件相同的理論基礎(chǔ), 但是卻提供全新的應(yīng)用思想； .FLOEFD無縫集成Pro/ENGINEER .直接應(yīng)用Pro/ENGINEER模型 .自動探測固體之外的流體區(qū)域 1. FloEFD的優(yōu)勢： .FloEFD 有強(qiáng)大的求解能力 . 工程化用戶界面 .智能矩形化自適應(yīng)網(wǎng)格生成 . 修正的壁面函數(shù) .層流-過渡-湍

45、流模擬 .自動判定層流區(qū),過渡區(qū), 湍流區(qū),無需指定流動特征 .自動收斂控制 :收斂性非常強(qiáng)，求解可靠 一次求解成功 . . “What-If” 分析 .支持多CPU分析的多設(shè)計方案,同時可以對結(jié)果進(jìn)行分析比較,選擇優(yōu)勢設(shè)計方案 2..典型電子系統(tǒng)設(shè)計所需材料. a.包括的材料有： Alloys, Ceramics, Glasses & Minerals, Laminates, Metals, Polymers and Semiconductors. b.為典型的IC封裝提供特殊的單熱阻庫. c.導(dǎo)熱膠材料庫：Bergquist, Chomerics, Dow Corning

46、 and Thermagon. 第五章 LED路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計 41 第四章LED路燈結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 新型太陽能 LED路燈光伏系統(tǒng)設(shè)計 4.1.1 新型太陽能LED路燈光伏系統(tǒng)設(shè)計要素 1. 新型太陽能LED路燈系統(tǒng) 新型太陽能LED路燈系統(tǒng)是指采用太陽能作為能源，半導(dǎo)體LED作為光源，路燈開啟和關(guān)閉實(shí)行智能化管理的全新環(huán)保、綠色照明

47、。太陽能LED路燈的設(shè)計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。完整的太陽能LED照明系統(tǒng)主要有以下5部分組成： 太陽能電池板。太陽能電池板是在有陽光時用來產(chǎn)生電能的，發(fā)電功率要根據(jù)照明用電的功率和照明時間來計算。 ②蓄電池。蓄電池的作用是把有陽光時太陽能電池產(chǎn)生的電存儲起來，供沒有陽光時使用。蓄電池的容量要根據(jù)太陽能電池板的功率和LED燈的功率以及照明時間來決定。 ③太陽能充電控制器。太陽能充電控制器的功能是在陽光充足、光照時間長時控制充電程度，電池充滿即停止充電，不便蓄電池過充損壞，以保護(hù)蓄電池，延長其使用壽命。 ④LED驅(qū)動器

48、。這是系統(tǒng)的核心控制電路。它的功能有三個： ●完成LED的恒流驅(qū)動控制，便流過LED的電流不隨蓄電池的電壓變化。 ●具有光控功能，天亮?xí)r自動關(guān)燈，天黑時自動開燈。 ●低電壓保護(hù)。當(dāng)電池電壓下降到10. 8V時輸出關(guān)閉，以免過放電損壞蓄電池。 LED照明燈。LED照明燈具有光效高、壽命成等優(yōu)點(diǎn)，目前，用于路燈的LED光源是由多只LED組合而成的模組結(jié)構(gòu)。 2. 太陽能LED路燈設(shè)計所需的數(shù)據(jù) 太陽能LED路燈的設(shè)計思路也可依據(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，然后計算蓄電池的容量。但太陽能LED路燈又有其特殊性，需要確保系統(tǒng)工作

49、的穩(wěn)定與可靠，所以在設(shè)計時需要特別注意。 太陽能供電系統(tǒng)在哪個地區(qū)使用、該地日光輻射情況，以及太陽能LED路燈使用地的經(jīng)度與緯度。了解并掌握使用地的氣象資源，比如月 (年)平均太陽能輻照情況、平均氣溫、風(fēng)雨等資料，根據(jù)這些條件可以確定當(dāng)?shù)氐奶柲軜?biāo)準(zhǔn)峰值時數(shù) (h)和太陽能電池組件的傾斜角與方位角。 太陽能LED 路燈所選光源的功率 ( lv)。光源功率的大小直接影響著整個系統(tǒng)的參數(shù)。 ③太陽能LED路燈每天晚上工作的時間 (h)。這是決定太陽能LED路燈系統(tǒng)中組件大小的核心參數(shù)，通過確定工作時間，可以初步計算負(fù)載每天的功耗知與之相應(yīng)的太陽能電池組件的充電電流。

50、 ④太陽能LED路燈使用地的連續(xù)陰雨天數(shù) (d)。這個參數(shù)決定了蓄電池容量的大小及陰雨天過后恢復(fù)電池容量所需要的太陽能電池組件功率。確定兩個連續(xù)陰雨天之間的間隔天數(shù)D，這是決定系統(tǒng)在一個連續(xù)陰雨天過后充滿蓄電池所需要的電池組件功率。 3蓄電池組容量設(shè)計 太陽能光伏系統(tǒng)采用的儲能裝置是蓄電池，與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。它的容量比負(fù)載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長且維護(hù)簡單。太陽能照明系統(tǒng)必須配備蓄電池才能工作，這是因為： 太陽能電池只能在白

51、天進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化工作，電能在夜晚才能用于照明，因此必須儲各在蓄電池內(nèi)。儲各的容量要足夠當(dāng)?shù)剡B續(xù)幾個陰天的照明需要。 太陽能電池板的輸出能量極不穩(wěn)定，配備蓄電池后，太陽能燈才能正常工作。 太陽能電池和蓄電池容量的組合，既是在保證路燈負(fù)載可靠性需要的前提下，確定使用最少的太陽能電池組件和蓄電池容量，以最優(yōu)化設(shè)計達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。 4. 太陽能電池與蓄電池及負(fù)載的匹配 若一天要把l2V/40Ab的蓄電池充滿，可選用電壓為 15 ~l8V，電流為 4A 的太陽能電池板，或選取電流為IA的電池板用4塊并聯(lián)使用。如果要求兩天將蓄電池充滿，那么太陽能電池板選 2A

52、的電流即可。充電時，太陽能電池的電壓要高于蓄電池電壓20% ~ 30%。 如12：V/lOAh 的蓄電池充滿電后，可供 l2V/IOW的燈工作8h。IOW燈的工作電流為1= P/V = 10/12 =0.8Ao 蓄電池按10小時放電率計算，正常放電電流為 IA，考慮到效率間題，所以燈可以正常工作8 ~ l0h。如用40W燈，電流為 40/12 =3.3A，那就只能工作2 ~3h?；蜻@樣計算，IOW的太陽能電池給蓄電池電，供 IOW的燈來用電：按理想狀態(tài)來講，充電lOh就能用電lOh，而實(shí)際上是達(dá)不到的，只能用7 ~ 8h。如果用40W燈照明，那能用2h。 5. 蓄電池組容量的計算

53、 蓄電池的容量對保證連續(xù)供電是很重要的，在一年內(nèi)，太陽能電池方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份時，要靠蓄電池的電能給以補(bǔ)足，在超過用電需要的月份時，是靠蓄電池將多余的電能儲存起來。蓄電池的容量由下列因素決定： 蓄電池單獨(dú)工作天數(shù)。在特殊氣候條件下，蓄電池允許放電達(dá)到蓄電池所剩容量占正常額定容量的20%。 蓄電池每天放電量。對于日負(fù)載穩(wěn)定且要求不高的場合，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%。 ③蓄電池要有足夠的容量，以保證不會因過充電造成失水。一般在選蓄電池容量時，只要蓄電池容量大于太陽能電池組件峰值電流的

54、25 倍，則蓄電池在充電時就不會造成失水。 ④蓄電池自放電率。隨著蓄電池使用時間的增長及電池溫度的升高，自放電率會增加。對于新的電池，自放電率通常小于容量的.5%，但對于舊的質(zhì)量不好的電池，自放電率可增至每月 10% ~ 15%。 4.1.2 控制器選擇及太陽能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計 1. 控制器選擇 控制器是整個路燈系統(tǒng)中充當(dāng)管理的關(guān)鍵部件，它的最大功能是對蓄電池進(jìn)行全面的管理，好的控制器應(yīng)當(dāng)根據(jù)蓄電池的特性，設(shè)定各個關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)，比如蓄電池的過充點(diǎn)、過放點(diǎn)、恢復(fù)連接點(diǎn)等。在選擇路燈控制器時，特別需要注意控制器恢復(fù)連接點(diǎn)參數(shù)，由于蓄電池有電壓自恢復(fù)特性，當(dāng)蓄電池處于過

55、放電狀態(tài)時，控制器切斷負(fù)載，隨后蓄電池電壓恢復(fù)，如果控制器各參數(shù)點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，則可能出現(xiàn)燈具閃爍不定，縮短蓄電池和光源的壽命。 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、時控與防反接等功能。蓄電池防過充、過放保護(hù)，是當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到保護(hù)設(shè)定值后就改變電路的狀態(tài)。在選用器件上，目前有采用微處理器的，也有采用比較器的，方案較多，各有特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該根據(jù)需求特點(diǎn)選定相應(yīng)的方案。 2. 太陽能電池組件支架抗風(fēng)設(shè)計 在太陽能路燈系統(tǒng)中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一個需要非常重視的問題就是抗風(fēng)設(shè)計?？癸L(fēng)設(shè)計主要分為太陽能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計和燈桿的抗風(fēng)設(shè)計。 (

56、1)太陽能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計 依據(jù)太陽能電池組件廠家的技術(shù)參數(shù)資料，太陽能電池組件可以承受的迎風(fēng)壓強(qiáng)為2700Pa。若抗風(fēng)系數(shù)選定為 27m/s (相當(dāng)于十級臺風(fēng))，根據(jù)非黏性流體力學(xué)，太陽能電池組件承受的風(fēng)壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s 的風(fēng)速而不至于損壞的。所以，設(shè)計中關(guān)鍵要考慮的是太陽能電池組件支架與燈桿的連接。在設(shè)計中太陽能電池組件支架與燈桿的連接設(shè)計使用螺栓桿固定連接。 (2)路燈燈桿的抗風(fēng)設(shè)計 若路燈的參數(shù)為：電池板傾角 A =160；燈桿高度 = 5m。設(shè)計選取燈桿底部焊縫寬度=4mm，燈桿底部外徑 = l68mm。焊縫

57、所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩 W 的計算點(diǎn) P到燈桿受到的電池板作用荷載 F作用線的距離為 1.545m。風(fēng)：荷載在燈桿破壞面上的作用矩M= Fxl.545。根據(jù)27m/s的設(shè)計最大允許風(fēng)速，2x3OW的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為 730N?？紤]1.3 的安全系數(shù)，F(xiàn) = 1.3x73O = 949N。所以： M 二Fxl.545 = 949 xl.545 =l466Nm 圓環(huán)形破壞面的抵抗矩： W= x (3r2+ 3r + 3 ) 式中：r是圓環(huán)內(nèi)徑，是圓環(huán)寬度 (焊縫寬度)。 若圓環(huán)內(nèi)徑r=84，破壞面抵抗矩為：

58、 風(fēng)荷載在破壞面上作用矩引起的應(yīng)力為M/W= 1466/(88.768 xlO-6)= 16.5 xlO6Pa =16.5MPa《215MPa，式中215MPa是Q235鋼的抗彎強(qiáng)度。所以，設(shè)計選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質(zhì)量能保證，燈桿的抗風(fēng)是沒有問題的。 4.2 LED路燈燈頭設(shè)計 4.2.1 LED路燈照明設(shè)計 1. 確定照明需求和設(shè)計目標(biāo) 設(shè)計目標(biāo)是基于現(xiàn)有燈具的性能，或者基于應(yīng)用的照明需求。LED 照明必須滿足或超過目標(biāo)應(yīng)用的照明要求。因此，在建立設(shè)計目標(biāo)之前就必須確定照明要求。對于某些應(yīng)用，存在現(xiàn)成的照明標(biāo)準(zhǔn)，可以直接確定要求。對于沒有照明標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，可先確

59、定現(xiàn)有照明特性后，在確定應(yīng)用的照明需求。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。 照明要求確定好了之后，就可以確定 LED照明的設(shè)計目標(biāo)了。設(shè)計目標(biāo)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用照明需求而定。并應(yīng)列出影響設(shè)計的所有其他目標(biāo)，如特殊光要求、耐高溫要求等。與定義照明要求時一樣，關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)與光輸出和功耗有關(guān)。設(shè)計目標(biāo)應(yīng)包括工作環(huán)境、材料清單(BOM)成本和使用壽命。 2. 估計光學(xué)系統(tǒng)、熱系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的效率 設(shè)計目標(biāo)會對光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)產(chǎn)生限制，根據(jù)這些限制對各系統(tǒng)的效率進(jìn)行估計，將照明目標(biāo)；和系統(tǒng)效率

60、結(jié)合起來，就能確定照明需要的LED數(shù)量。設(shè)計過程中最重要的參數(shù)之一是，需要多少只 LED才能滿足設(shè)計目標(biāo)。其他的設(shè)計決策都是圍繞LED數(shù)量展開的，因為 LED數(shù)量直接影響光輸出、功耗以及照明成本。 查看LED數(shù)據(jù)手冊列出的典型光通量，用該數(shù)除設(shè)計目標(biāo)流明，依據(jù)此設(shè)計方法滿足不了應(yīng)用的照明要求。因LED的光通量依賴于多種因素，包括驅(qū)動電流和結(jié)溫。要準(zhǔn)確計算所需要的數(shù)量，必須首先估計光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)的效率。 (1)光學(xué)系統(tǒng)效率 通過分析光損失估計光學(xué)系統(tǒng)的效率。要分析的兩種主要的光損失為： 次級光學(xué)器件。次級光學(xué)器件是不屬于LED本身的所有光學(xué)系統(tǒng)，如LE

61、D上的透鏡或擴(kuò)散片。與次級光學(xué)器件相關(guān)的損失，根據(jù)使用的特定元件的不同而不同。通過各次級光元件的典型光學(xué)效率在85% ~ 90%。如果照明需要次級光學(xué)器件，則存在次級光損失。 ②燈具內(nèi)的光損失。當(dāng)光線在到達(dá)目標(biāo)物之前，打到燈具罩上時，就產(chǎn)生了燈具光損失。某些光被燈具罩吸收，有些則反射回?zé)艟?。固定物的效率由照明的布局、燈具亮的形狀及燈具罩的材料決定o LED 光具有方向性，可達(dá)到的效率比全方向照明可能達(dá)到的要高得多。 3. 計算需要的LED數(shù)量 ( 1)實(shí)際需要的流明量 根據(jù)設(shè)計目標(biāo)和估計的損失程度，可以計算滿足設(shè)計目標(biāo)的LED數(shù)量。所有系統(tǒng)效率估算好之后，就可計

62、算要達(dá)到設(shè)計目標(biāo)需要的實(shí)際LED流明數(shù)。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。 (2)工作電流 另一個需要確定的是LED的工作電流，LED 的工作電流對確定 LED照明的效能和使用壽命是很關(guān)鍵的。因增加工作電流，則各LED的光輸出會變大，因而減少了所需的LED數(shù)量σ而增加工作電流的同時也帶來多個缺點(diǎn)： 功效降低。工作電流提高會降低功 LED產(chǎn)生的功效，一般電源尺寸大小將隨著工作電流的提高而增大，因為產(chǎn)生相同的流明數(shù)需要的功率更大。 ②最高環(huán)境溫度降低或使用壽命縮短。電流的提高將增大LED結(jié)和LED熱通道的溫差，實(shí)際上，由于已經(jīng)確定了

63、最高結(jié)溫，因此這樣可以降低照明的最高環(huán)境溫度，反之，如果最高環(huán)境溫度不是降低，而是升高，則在LED的使用壽命期內(nèi)，光輸出下降會更快。 根據(jù)應(yīng)用的不同，在設(shè)計中 LED 使用壽命和功效是應(yīng)優(yōu)先考慮的設(shè)計目標(biāo)，以XLampXR-E數(shù)據(jù)手冊所列的最小工作電流 (350mA)工作，可最大限度提高LED功效并延長使用壽命。 (3)LED數(shù)量 工作電流確定之后，就可以計算備LED的流明輸出數(shù)了。由于LED 的熱損失已經(jīng)在實(shí)際需要的流明數(shù)計算中考慮到了，故LED供應(yīng)商提供的技術(shù)參數(shù)可以直接使用。 在設(shè)計中應(yīng)使用LED技術(shù)參數(shù)中的最小光通量，而不是LED技術(shù)參數(shù)中給出的

64、典型值。根據(jù)此最小光通量來設(shè)計，可確保滿足設(shè)計目標(biāo)要求。若使用4000KCCT的XLampXR-E LED，350mA時的最小光通魯為 67.2 (P2fluxbin)。LED的數(shù)量SLED計算如下： 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)。 4. 選擇最佳設(shè)計 LED數(shù)計算好之后，考慮滿足設(shè)計目標(biāo)的所有設(shè)計可能。由于每只 LED都是一個照明光源，比傳統(tǒng)照明的使用壽命要長許多，因此LED可以與新型和非常規(guī)設(shè)計元件一起集成到照明系統(tǒng)中。設(shè)計中可以充分利用LED光

65、的方向性和大量可用的次級光學(xué)器件。 ( 1)光學(xué)系統(tǒng) LED燈具的光學(xué)二次開發(fā)在整個燈具設(shè)計的過程中扮演了非常重要的角色，在燈具的整體設(shè)計流程中應(yīng)該是優(yōu)先考慮的一環(huán)。 裸LED和現(xiàn)有燈反射器。現(xiàn)有CFL燈具的角度和LED的角度非常相似，因此，若選擇不使用次級光學(xué)器件，可使成本最低，并且系統(tǒng)光損失最小。使用的元件較少，所用費(fèi)用也較少，可使照明系統(tǒng)組裝更簡單并且費(fèi)用更低。 ②帶有次級光學(xué)器件的LED和現(xiàn)有燈反射器。次級光學(xué)器件是除LED初級光學(xué)器件外附加的光學(xué)元件，用于對LED的光輸出進(jìn)行整形。 ③不是每只 LED都使用一個光學(xué)器件，整個LED陣列可以使用一個漫射

66、器來傳播光。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是光束角度比裸LED能達(dá)到的光束角度寬，并且消除了多照明陰影效應(yīng)，光照度分布、多源陰影效應(yīng)和美觀度通常也決定了光學(xué)系統(tǒng)的選擇。 (2)熱系統(tǒng) 現(xiàn)有燈具罩。最低成本方法是將現(xiàn)有設(shè)計的燈具罩作為 LED照明的燈具罩，新照明設(shè)計不能采用這種方法，因多數(shù)現(xiàn)有罩都是銅制的，熱導(dǎo)性差。一般來說，選擇鋼罩不利于散熱。 定制散熱片。定制方案可為應(yīng)用提供了優(yōu)化散熱片，在設(shè)計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。 (3)電氣系統(tǒng) 定制設(shè)計LED驅(qū)動器。隨者LED照明的逐漸普及，更多的LED驅(qū)動器針對應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，這樣效率更高，并且能獲得管理部門的完全認(rèn)可，但會延長 LED燈具的開發(fā)時間。在目前的大功率LED環(huán)境下，總照明效率的提高受LED本身的影響比受驅(qū)動器的影響要大。 4.2.2路照明燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計： 1．燈具結(jié)構(gòu)： a.組成結(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)動器，電器室蓋板五部分組成。見圖4.1-圖4.6。 圖4.1 一體化壓鑄鋁制散熱器背面