戶外LED照明系統(tǒng)不僅要承受雨水和灰塵，還要承受太陽(yáng)輻射。通常，LED照明系統(tǒng)是在沒有太陽(yáng)能負(fù)載的情況下計(jì)算的。如果照明系統(tǒng)僅在夜間運(yùn)行，則這是有效的假設(shè)。本文討論了基于LED的照明系統(tǒng)在室外應(yīng)用中的分析建模，適用于各種環(huán)境條件。

照明系統(tǒng)

該系統(tǒng)由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的LED燈具組成，安裝在一個(gè)外殼中。外殼由鋁制隔間組成，圓頂放置在鋁制隔間上。 LED燈具是一個(gè)主動(dòng)冷卻的散熱器，帶有25個(gè)冷白光LED。需要針對(duì)不同的正向電流確定LED的結(jié)溫。在機(jī)箱內(nèi)部，電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器和LED電源單元（PSU）等組件散熱。

圖1：照明系統(tǒng)示意圖

分析模型

推導(dǎo)出熱阻圖來分析照明系統(tǒng)，如圖2所示。照明系統(tǒng)垂直安裝，圓頂向上或向下。假設(shè)照明系統(tǒng)與地面沒有良好的接觸。

圖2：以電氣等效物給出的照明系統(tǒng)的熱阻圖。

尺寸

LED安裝在200 mm x 200 mm金屬芯板（MCB）上。散熱器底座尺寸與MCB具有相同的面積。散熱器高100 mm，由兩個(gè)散熱功率為3 W的風(fēng)扇冷卻。散熱器/風(fēng)扇組合的熱阻為0.6 K/W.

外殼是圓形的，直徑為400毫米，高度為400毫米。

假設(shè)外殼和圓頂?shù)谋诤駥?duì)分析的影響可以忽略不計(jì)。因此，忽略了壁的導(dǎo)電電阻。

還假設(shè)只有外殼將熱量傳遞到外面。

圓頂由200毫米高的直線部分組成，直徑與外殼相同。

環(huán)境條件

假設(shè)太陽(yáng)能負(fù)載（直接，間接和漫射）適用于外殼和圓頂?shù)囊话胪獠繀^(qū)域。

對(duì)于壽命條件，在20°C的環(huán)境溫度下，太陽(yáng)能負(fù)荷為700 W/m2。

在最高條件下，太陽(yáng)能負(fù)荷為1020 W/m2，環(huán)境溫度為40°C。

假設(shè)穹頂?shù)奶?yáng)吸收率α太陽(yáng)圓頂為0.4。

外殼的太陽(yáng)吸收率αsolar-EN假設(shè)為0.4。

發(fā)射率外殼的假設(shè)是0.85。

計(jì)算將在無風(fēng)和風(fēng)速為2 m/s的情況下進(jìn)行，分別使用5和15 W/m2·K的傳熱系數(shù)。

LED

A總共25個(gè)冷白光LED將在350至1000 mA下進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估使用LUXEON Rebel可靠性和B10，L70條件下的壽命數(shù)據(jù)，所需壽命為40，000小時(shí)。壽命條件B10，L70意味著在特定壽命期間，預(yù)期10％的LED在指定的結(jié)溫和正向電流下失效。失敗的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)LED的光輸出減少到其原始光輸出的70％時(shí)。

圖3：預(yù)期（B10， L70）Ingan LUXEON Rebel LED的使用壽命。 1

使用壽命和最高溫度條件計(jì)算所需的結(jié)溫。壽命條件取自圖3，而最大條件來自參考。 2 壽命和最高溫度使用公式1計(jì)算并顯示在表1中。盡管表1顯示了壽命條件比某些正向電流額定值的最大條件更嚴(yán)重，本文評(píng)估了壽命和最大條件。

（1）

正向電流，如果［mA ］ Tj，壽命條件Tamb Tj，壽命ΔTj，壽命350 132.0 20.0 115.2 95.2 700 128.3 20.0 112.0 92.0 1000 126.0 20.0 110.1 90.1正向電流，如果［mA］ Tj，最大條件Tamb Tj，maxΔTj，max 350 150.0 40.0 133.5 93.5 700 150.0 40.0 133.5 93.5 1000 150.0 40.0 133.5 93.5

表1：所需的最大和壽命結(jié)溫。 1，2

LED可以安裝在FR4 PCB上或金屬核心板。 LED的結(jié)至板熱阻為10 K/W.使用公式2計(jì)算LED的散熱，其中If是以安培為單位的正向電流，Vf是以伏特為單位的電壓，ηL是光效率。表2中給出了研究中使用的值。

（2）

正向電流［mA］估計(jì)正向電壓［V］散熱［W］ 350 3.2 0.896 700 3.4 1.876 1000 3.5 2.8

表2：LED散熱假設(shè)光效率為20％。

電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器用于外殼中旋轉(zhuǎn)照明系統(tǒng)。假設(shè)這些器件的總功耗為10 W。

LED電源單元（PSU）

LED電源單元也會(huì)散熱，由公式3給出，其中N是LED的數(shù)量，ηPSU是PSU效率，假定為85％。

（3）

計(jì)算程序

第一個(gè)該分析的計(jì)算步驟是確定外壁溫度。這可以通過在機(jī)箱周圍應(yīng)用控制卷來完成。將等式4的穩(wěn)態(tài)能量平衡應(yīng)用于控制體積得到等式5，其針對(duì)外殼壁溫度TEN迭代求解。請(qǐng)注意，在計(jì)算中，溫度以開爾文為單位，而不是攝氏度。這是因?yàn)檩椛浞匠淌褂瞄_爾文溫度來計(jì)算熱通量。

圖4：圍墻外的控制體積。

等式11中的因子FEN是外殼表面積的增加。該因子的任何增加超過1意味著外殼表面變得波浪狀或波紋狀。因此，它具有比以前更高的表面積。

第二步是計(jì)算散熱片溫度。這是通過向散熱器施加控制體積來完成的，如圖5所示。將能量平衡方程應(yīng)用于控制體積得到方程式13，然后根據(jù)散熱片溫度THS求解。假設(shè)內(nèi)部空氣混合良好。因此，公式14中的傳熱系數(shù)假設(shè)為8 W/m2·K。

圖5：散熱器周圍的控制體積。

圖6：從散熱片到LED結(jié)的電阻圖。

可以根據(jù)LED結(jié)到散熱片的導(dǎo)通電阻計(jì)算結(jié)溫，如公式15所示。然后可以將其重新排列為公式16計(jì)算LED結(jié)溫。

已完成多項(xiàng)研究分析照明系統(tǒng)的各種參數(shù)。這些研究的摘要列于表3中。

表3：要進(jìn)行的研究的總結(jié)。

結(jié)果

對(duì)于不同的案例研究，計(jì)算結(jié)果在表4中給出。圖7（a）顯示了組件之間的溫差。這給出了最大溫差的可視指示以及可以進(jìn)行改進(jìn)的地方。圖7（c）顯示了從各種來源作為絕對(duì)值施加到系統(tǒng)的熱能。圖7（d）中的值與（c）類似，但是以總數(shù)的百分比給出。

對(duì)于基線模型，研究表明當(dāng)LED為L(zhǎng)ED時(shí)，LED結(jié)溫高于規(guī)格。以700mA（S3和S4）和1000mA（S5和S6）運(yùn)行。當(dāng)分析改進(jìn)的模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)結(jié)溫仍然高于1000mA的規(guī)格。然而，對(duì)于700mA，發(fā)現(xiàn)結(jié)溫在規(guī)格范圍內(nèi)。當(dāng)檢查其他溫度時(shí)，發(fā)現(xiàn)空氣溫度為99℃。這對(duì)于風(fēng)扇，PSU，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器來說太高了?？紤]到最大LED存儲(chǔ)溫度為135oC， 2 ，可以得出結(jié)論，LED的組件，例如，封裝，溫度過高。

表4：結(jié)果摘要。

圖7：系統(tǒng)組件之間的溫差（a），作為太陽(yáng)吸收率的函數(shù)的結(jié)溫（b）和施加到系統(tǒng)的熱能，以絕對(duì)值（c）和總百分比表示（ d）。

雖然先前的研究表明700 mA LED對(duì)于基線模型是不可行的，但還研究了改進(jìn)的模型用于圍墻的太陽(yáng)能吸收率變化的影響。雖然系統(tǒng)的熱負(fù)荷減少了272 W（S11）至188 W（S15），但氣溫仍然過高。而且，它們被認(rèn)為對(duì)于表面來說太光澤而具有0.2的吸收率。隨著時(shí)間的推移，灰塵層會(huì)減少光澤，沙塵會(huì)在表面產(chǎn)生沙塵。

觀察圖7（a）中S11的溫差圖，最大溫差介于兩者之間。外殼和環(huán)境。如圖7（d）所示，外殼的太陽(yáng)能負(fù)載是系統(tǒng)總熱負(fù)荷的50％。由于外殼太陽(yáng)能負(fù)載是總負(fù)載的50％，因此建議使用太陽(yáng)能屏蔽來降低外殼與環(huán)境之間的溫差。太陽(yáng)能防護(hù)罩的缺點(diǎn)是當(dāng)沒有太陽(yáng)能防護(hù)罩時(shí)，風(fēng)對(duì)系統(tǒng)的影響較小。在S16中，顯示當(dāng)系統(tǒng)處于2m/s的風(fēng)中時(shí)結(jié)溫降低17°C.

第二大溫差是在外殼和內(nèi)部空氣之間。為了減小這種溫差，外殼內(nèi)的空氣必須能夠沿著外殼和圓頂?shù)乃斜砻嬉苿?dòng)。這將增加傳熱系數(shù)，并且可以通過擋住外殼的內(nèi)部來完成。但是，這必須通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。

對(duì)于基線研究，顯示在350 mA（S1）時(shí)，結(jié)溫在使用壽命條件的規(guī)格范圍內(nèi)。但是，對(duì)于最大條件（S2），空氣溫度非常高。通過使用優(yōu)秀模型（S7）改進(jìn)了這一點(diǎn)。