基于室外LED照明系统的分析建模研究

户外LED照明系统不仅要承受雨水和灰尘，还要承受太阳辐射。通常，LED照明系统是在没有太阳能负载的情况下计算的。如果照明系统仅在夜间运行，则这是有效的假设。本文讨论了基于LED的照明系统在室外应用中的分析建模，适用于各种环境条件。

照明系统

该系统由一个可旋转的LED灯具组成，安装在一个外壳中。外壳由铝制隔间组成，圆顶放置在铝制隔间上。 LED灯具是一个主动冷却的散热器，带有25个冷白光LED。需要针对不同的正向电流确定LED的结温。在机箱内部，电机，驱动器和LED电源单元（PSU）等组件散热。

图1：照明系统示意图

分析模型

推导出热阻图来分析照明系统，如图2所示。照明系统垂直安装，圆顶向上或向下。假设照明系统与地面没有良好的接触。

图2：以电气等效物给出的照明系统的热阻图。

尺寸

LED安装在200 mm x 200 mm金属芯板（MCB）上。散热器底座尺寸与MCB具有相同的面积。散热器高100 mm，由两个散热功率为3 W的风扇冷却。散热器/风扇组合的热阻为0.6 K/W.

外壳是圆形的，直径为400毫米，高度为400毫米。

假设外壳和圆顶的壁厚对分析的影响可以忽略不计。因此，忽略了壁的导电电阻。

还假设只有外壳将热量传递到外面。

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

假设太阳能负载（直接，间接和漫射）适用于外壳和圆顶的一半外部区域。

对于寿命条件，在20°C的环境温度下，太阳能负荷为700 W/m²。

在最高条件下，太阳能负荷为1020 W/m²，环境温度为40°C。

假设穹顶的太阳吸收率α太阳圆顶为0.4。

外壳的太阳吸收率αsolar-EN假设为0.4。

发射率外壳的假设是0.85。

计算将在无风和风速为2 m/s的情况下进行，分别使用5和15 W/m²·K的传热系数。

LED

A总共25个冷白光LED将在350至1000 mA下进行评估。评估使用LUXEON Rebel可靠性和B10，L70条件下的寿命数据，所需寿命为40，000小时。寿命条件B10，L70意味着在特定寿命期间，预期10％的LED在指定的结温和正向电流下失效。失败的标准是当LED的光输出减少到其原始光输出的70％时。

图3：预期（B10， L70）Ingan LUXEON Rebel LED的使用寿命。 1

使用寿命和最高温度条件计算所需的结温。寿命条件取自图3，而最大条件来自参考。 2 寿命和最高温度使用公式1计算并显示在表1中。尽管表1显示了寿命条件比某些正向电流额定值的最大条件更严重，本文评估了寿命和最大条件。

（1）

正向电流，如果［mA ］ Tj，寿命条件Tamb Tj，寿命ΔTj，寿命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正向电流，如果［mA］ Tj，最大条件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：所需的最大和寿命结温。 1，2

LED可以安装在FR4 PCB上或金属核心板。 LED的结至板热阻为10 K/W.使用公式2计算LED的散热，其中If是以安培为单位的正向电流，Vf是以伏特为单位的电压，ηL是光效率。表2中给出了研究中使用的值。

（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：LED散热假设光效率为20％。

电机和驱动器

电机和驱动器用于外壳中旋转照明系统。假设这些器件的总功耗为10 W。

LED电源单元（PSU）

LED电源单元也会散热，由公式3给出，其中N是LED的数量，ηPSU是PSU效率，假定为85％。

（3）

计算程序

第一个该分析的计算步骤是确定外壁温度。这可以通过在机箱周围应用控制卷来完成。将等式4的稳态能量平衡应用于控制体积得到等式5，其针对外壳壁温度TEN迭代求解。请注意，在计算中，温度以开尔文为单位，而不是摄氏度。这是因为辐射方程使用开尔文温度来计算热通量。

图4：围墙外的控制体积。

等式11中的因子FEN是外壳表面积的增加。该因子的任何增加超过1意味着外壳表面变得波浪状或波纹状。因此，它具有比以前更高的表面积。

第二步是计算散热片温度。这是通过向散热器施加控制体积来完成的，如图5所示。将能量平衡方程应用于控制体积得到方程式13，然后根据散热片温度THS求解。假设内部空气混合良好。因此，公式14中的传热系数假设为8 W/m²·K。

图5：散热器周围的控制体积。

图6：从散热片到LED结的电阻图。

可以根据LED结到散热片的导通电阻计算结温，如公式15所示。然后可以将其重新排列为公式16计算LED结温。

已完成多项研究分析照明系统的各种参数。这些研究的摘要列于表3中。

表3：要进行的研究的总结。

结果

对于不同的案例研究，计算结果在表4中给出。图7（a）显示了组件之间的温差。这给出了最大温差的可视指示以及可以进行改进的地方。图7（c）显示了从各种来源作为绝对值施加到系统的热能。图7（d）中的值与（c）类似，但是以总数的百分比给出。

对于基线模型，研究表明当LED为LED时，LED结温高于规格。以700mA（S3和S4）和1000mA（S5和S6）运行。当分析改进的模型时，发现结温仍然高于1000mA的规格。然而，对于700mA，发现结温在规格范围内。当检查其他温度时，发现空气温度为99℃。这对于风扇，PSU，电机和驱动器来说太高了。考虑到最大LED存储温度为135ºC， 2 ，可以得出结论，LED的组件，例如，封装，温度过高。

表4：结果摘要。

图7：系统组件之间的温差（a），作为太阳吸收率的函数的结温（b）和施加到系统的热能，以绝对值（c）和总百分比表示（ d）。

虽然先前的研究表明700 mA LED对于基线模型是不可行的，但还研究了改进的模型用于围墙的太阳能吸收率变化的影响。虽然系统的热负荷减少了272 W（S11）至188 W（S15），但气温仍然过高。而且，它们被认为对于表面来说太光泽而具有0.2的吸收率。随着时间的推移，灰尘层会减少光泽，沙尘会在表面产生沙尘。

观察图7（a）中S11的温差图，最大温差介于两者之间。外壳和环境。如图7（d）所示，外壳的太阳能负载是系统总热负荷的50％。由于外壳太阳能负载是总负载的50％，因此建议使用太阳能屏蔽来降低外壳与环境之间的温差。太阳能防护罩的缺点是当没有太阳能防护罩时，风对系统的影响较小。在S16中，显示当系统处于2m/s的风中时结温降低17°C.

第二大温差是在外壳和内部空气之间。为了减小这种温差，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，并且可以通过挡住外壳的内部来完成。但是，这必须通过计算流体动力学进行分析。

对于基线研究，显示在350 mA（S1）时，结温在使用寿命条件的规格范围内。但是，对于最大条件（S2），空气温度非常高。通过使用优秀模型（S7）改进了这一点。