新型太阳能路灯热分析与结构设计.docx

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1、摘要1.ED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

2、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%o关键词：大功率LED;热沉；热分析ABSTRACTABSTRACT1.EDlightingsourceasthefourthgenerationhasbeenwidelyappliedtodisplayandlightingsystemequipment,butbecauseofitsphotoelectricconversionrateislow,mostpoweractualturnsintoheat,sohowtoraiseth

3、eheatcapacityishighpowerLEDrealizedindustrializationurgentlytobesolvedinoneofthekeytechnology.ThoughmanyenterprisesinChinadevelopmentproductionLEDurbanlightinglamps,butmanyaremadewithlittlepowerLEDlights,smallpowerarrayofstrong,LEDlightfailurecoolingproblemsolved,LEDtomany,usednumberofpracticalenhan

4、cement.UrbanlightingLEDstreetlampsusehighpowerLEDisdevelopmenttrend.TakingacompanyLEDlampsformodelusingEFDprofiniteelementsoftware,theparameterizedmodelingandthermalanalysis,obtainedthesteady-statetemperaturefielddistribution,basedontheorthogonalexperimentbydesign,analysesthealuminumheatsinkdifferen

5、tstructuralparametersontheeffectoftemperaturefield.Bythefinalresult,inappropriaterangemakeradiatorfinthicknessandspacinglesser,cangettheidealoptimizationstructure,alreadycancontrolchipmaximumtemperature,andeffectivelyreducedtheradiatorquality.ArticleLEDlampsexamplefortheoriginaloptimizedthequalityof

6、thequalityof33.40%.Keywords:highpowerLEDHeatsinkThermalanalysis目录第一章绪论1第二章太阳能LED路灯22.1.1 LED的发展历程与前景22.1.2 1.ED概述22.1.3 1.ED照明的发展历程22.1.4 1.ED照明的发展前景42.2 太阳能路灯构成及光源52.3 新型太阳能路灯的优缺点82.4 发展新型LED路灯的意义11第三章设计必备软件介绍123.1 PRoE概述123.1.1 proe的简介：123.1.2 proE的特点与功能1332EFDPRO概述15第四章LED路灯结构设计184.1 新型太阳能LED路灯光伏

7、系统设计184.1.1 新型太阳能LED路灯光伏系统设计要素184.1.2 控制器选择及太阳能电池组件支架的抗风设计214.1.3 1.ED路灯灯头设计224.1.4 1.ED路灯照明设计224.1.5 路照明灯具结构设计：26第五章LED路灯热分析及散热结构设计285.1 热分析的相关材料与参数285.2 散热结构设计335.3 LED路灯配光和结构所采用的具体技术方案375.4 模型的建立与热分析395.4 .Iproe建模395.5 .2热分析40第六章结论与展望44第七章结束语46致谢48参考文献50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，

8、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

9、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1.ED(LighyEmittingD

10、iode),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。1.ED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

11、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100o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BemhardGUdden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

12、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碑化镇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，在神化线基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。磷化钱的改变使得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，磷化钱被使用作为发光光

13、源，随后就发出灰白绿光。LED采用双层磷化钱蕊片(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LED0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年代早期到中期对神化钱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，采用锢铝磷化钱生产出了桔红、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钱LED,随即又制造出能产

14、生高强度的绿光和蓝光钿氮钱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神化线(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，它是用错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

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1ED。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AIInG

16、aP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AllnGaP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381mW,实验室研究成果可以达到701mW,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