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基于分析模型的led照明系统可行性研究

已有 898 次阅读2018-3-27 14:00 |个人分类:电子技术| led, 照明系统

      室外LED照明系统不仅要承受雨水和灰尘,还要承受太阳辐射。一般来说,LED照明系统是在没有太阳荷载的情况下计算的。如果照明系统只在夜间工作,这是一个有效的假设。本文讨论了基于LED的室外环境下照明系统的分析建模。

  照明系统

  该系统包括一个可旋转的LED灯具,它安装在外壳中。围墙由一个铝制的隔间组成,上面有一个圆顶。LED灯具是一个主动冷却散热器,有25个冷白光LED。LED的结温需要根据不同的正向电流来决定。机箱内的部件,如电机、驱动和LED电源装置(PSU)散热。

  照明系统示意图

  图1:照明系统示意图。

  分析模型

  导出了用于分析照明系统的热阻图,如图2所示。照明系统垂直安装在圆顶上下。假定照明系统与地面没有良好的接触。

  热阻图

  图2:照明系统的电气等值图的热阻图。

  尺寸

  LED被安装在一个200毫米×200毫米的金属芯板(MCB)。散热器底座尺寸具有相同的面积为MCB。散热器是100毫米高,冷却两个风扇一起散热3瓦。散热器/风扇组合具有0.6 K / W的热阻。

  外壳为圆形,直径400毫米,高400毫米。

  假定围护结构和穹顶的壁厚对分析的影响是微不足道的。因此,忽略了墙壁的传导阻力。

  还假定只有外壳向外界传递热量。

  圆顶由200毫米高的直线部分组成,直径与外壳相同。

  环境条件

  太阳荷载(直接、间接和漫反射)假定适用于外壳和圆顶的一半外部区域。

  一生为条件,太阳能负荷为700瓦/平方米2在20°C.环境

  为最大条件,太阳能负荷为1020瓦/平方米2在40°C.环境

  圆屋顶的太阳吸收率α太阳穹顶假定为0.4。

  外壳的太阳吸收率α太阳能EN被假定为0.4。

  外壳的发射率被假定为0.85。

  计算将在没有风和一个2米/秒,使用5和15 W / m2·K传热系数的风速,分别。


  发光二极管

  总共有25个冷白色发光二极管将在350到1000毫安之间进行评估。评价采用Luxeon  Rebel的可靠性和寿命数据的B10,L70寿命为40000小时的条件与要求。一辈子的条件B10,L70意味着对于一个特定的寿命,发光二极管的10%预计将在指定的结温的失败和正向电流。失败的标准是当LED的光输出减少到原来光的70%。

  InGaN的Luxeon Rebel LED的预期寿命的图像

  图3:预期(B10,L70)InGaN Luxeon Rebel LED的寿命。1

  所需的结温是使用寿命和最高温度条件计算的。寿命条件取自图3,而最大条件是从参考。2。寿命和最高温度是用公式1计算的,如表1所示。尽管表1显示了寿命条件比某些前向电流额定值的最大条件更为严重,但本文中对寿命和最大条件都进行了评估。

  方程式1(1)

  正向电流,如果[马] Tj,一生下Tamb Tj,一生ΔTJ,寿命

  350 132 20 115.2 95.2

  700 128.3 20 112 92

  1000 126 20 110.1 90.1

  正向电流,如果[马] Tj,最大条件的Tamb Tj,最大ΔTJ,麦克斯

  350 150 40 133.5 93.5

  700 150 40 133.5 93.5

  1000 150 40 133.5 93.5

  表1:最大和寿命结温度需要1,2。

  LED可以安装在FR4 PCB或金属芯板。有一个发光二极管连接到10 K / W的LED散热板的热阻计算公式2,如果是在安培的电流,Vf是伏特和ηL电压的发光效率。研究中使用的值见表2。

  方程式2(2)

  正向电流[ MA ]估计正向电压V ]散热[ w ]

  350 3.2 0.896

  700 3.4 1.876

  1000 3.5 2.8

  表2:假设20%光效率的LED散热。


  电机和驱动器

  机箱内使用电机和驱动器来旋转照明系统。从这些设备的总功耗被假定为10 W.。

  LED电源单元(PSU)

  LED电源单元也会散发热量是由方程3给出,其中n是LED和ηPSU数量的电源效率,这被认为是85%。

  方程式3(3)

  计算程序

  分析的第一步是确定外壁温度。这可以通过在外壳周围应用控制卷来实现。应用稳态能量平衡,方程4,控制体积产量方程5,这是迭代求解的围墙壁温度,十。请注意,在计算中,温度是欧凯文而不是摄氏度。这是因为辐射方程用欧凯文中的温度来计算热通量。

  围护墙周围控制体积的像

  图4:围墙周围的控制容积。

  方程式4(4)

  方程式5(5)

  哪里

  方程式6(6)

  方程式7(7)

  方程式8(8)

  方程式9(9)

  方程式10(10)

  方程式11(11)

  方程式12(12)

  方程11中的因子是外壳表面面积的增加。任何增加的因素超过1意味着外壳表面已成为波浪或波纹。因此,它比以前有更高的表面积。

  第二步是计算散热器温度。这是通过将控制卷应用到散热器上完成的,如图5所示。应用能量平衡方程的控制体积产量方程13,然后对散热器温度解决,这。室内空气被认为是很好混合的。因此,传热系数公式14假定为8 W / M2·K.

  散热器周围控制容积的图像

  图5:散热器周围的控制卷。

  方程式13(13)

  方程式14(14)

  从散热器到LED结的电阻图

  图6:从散热器到LED结的电阻图。

  可以使用从LED结到散热器的传导电阻来计算结温,如公式15所示。这可以重新排列到方程16来计算LED结温。

  方程式15(15)

  方程式16(16)

  已经进行了几项研究来分析照明系统的各种参数。表3列出了这些研究的摘要。

  表3将要执行的研究摘要

  表3:将要执行的研究摘要。

  结果

  计算结果见表4,用于不同的案例研究。图7(a)显示组件之间的温度差。这给出了最大温度差的视觉指示,并可以进行改进。图7(c)显示从各种来源应用到系统的热能作为绝对值。图7(d)中的值类似于(c),但以总百分比的百分比给出。

  对于基线模型,研究表明,当LED运行在700毫安(S3和S4)和1000毫安(S5和S6)时,LED结温高于规格。对改进后的模型进行了分析,发现结温仍在1000 mA以上。然而,对于700毫安,它被发现,结温在规格之内。在其他温度下进行了检查,结果发现,空气温度为99°这将太高的风扇,电源,电机和驱动器。考虑到LED的最大135oC储存温度,2可以看出,LED的封装组件,例如,在太高的温度。

  表4结果摘要

  表4:结果摘要。

  系统元件间温差的图像

  图7:系统组件(a)的温度差,结温作为太阳吸收率(B)和热能应用于系统中显示的绝对值(c)和总百分比(D)的函数。

  虽然以前的研究表明,700毫安发光二极管是不可行的基准模型,改进的模型也研究了变化的影响,太阳能吸收墙的围墙。虽然热负荷系统已由272降低到188 W(S11)W(S15),空气温度仍然很温暖。另外,它们被认为太亮,表面不能吸收0.2。随着时间的推移,光泽会被灰尘减层,风生尘,砂纸表面。

  在图7中的图(a)的温度差为S11,最大温差的外壳和环境之间。如图7(d)所示,外壳的太阳载荷为系统总热负荷的50%。由于封闭式太阳能负载占总负荷的50%,建议使用太阳能屏蔽以降低外壳和周围环境之间的温差。太阳盾的缺点是当没有太阳盾时,风对系统的影响较小。在S16,它表明,结温降低17°C当系统在2米/秒的风

  第二大温差是在外壳和内部空气之间。为了减少这种温差,外壳内的空气必须能够沿着外壳和圆顶的所有表面移动。这将增加传热系数,并且可以通过关闭外壳内部来实现。然而,这必须用计算流体力学来分析。

  对于基线研究,它表明,在350毫安(S1),结温是在规定的寿命条件。然而,空气温度是相当高的最大条件(S2)。这是通过使用高级模型的改进(S7)。


  总结

  本文展示了如何建立一个外部系统的分析模型并进行严重性研究。结果发现,该系统的太阳能负荷平均为整个系统热负荷的50%。这表明,对于外部系统,太阳辐射,因此太阳吸收率是重要的参数,在设计系统时要考虑的。该系统是不可行的正向电流为1000毫安,而进一步的改进,必须评估使用计算流体动力学,以确定是否700毫安是可行的。用改进后的模型在350毫安时运行,它们在规格之内。风扇、电源、电机和驱动器的温度也合理。

  安全也是系统设计中的一个重要因素。CE认证所需的参数之一是表面温度不超过75°C。然而,当风的影响包括在内时,发现封闭的温度降低了。


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