新型太阳能路灯热分析与结构设计

摘要摘要LED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3340。关键词：大功率LED；热沉；热分析ABSTRACTLED lighting source as the fourth generation has been widely applied to display and lighting system equipment, but because of its photoelectric conversion 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 LED 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 modeling 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 thickness 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 analysis 目录i目录第一章 绪论1第二章 太阳能LED路灯32.1 LED的发展历程与前景32.1.1 LED概述32.1.2 LED照明的发展历程32.1.3 LED照明的发展前景52.2 太阳能路灯构成及光源62.3 新型太阳能路灯的优缺点92.4 发展新型LED路灯的意义12第三章 设计必备软件介绍133.1 proe概述133.1.1 proe的简介：133.1.2 proE的特点与功能143.2 EFDpro概述16第四章LED路灯结构设计194.1 新型太阳能 LED路灯光伏系统设计194.1.1 新型太阳能LED路灯光伏系统设计要素194.1.2 控制器选择及太阳能电池组件支架的抗风设计224.2 LED路灯灯头设计234.2.1 LED路灯照明设计234.2.2路照明灯具结构设计：27第五章LED路灯热分析及散热结构设计295.1热分析的相关材料与参数295.2 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385.4模型的建立与热分析405.4.1proe建模405.4.2热分析41第六章 结论与展望45第七章 结束语47致谢49参考文献51 第一章 绪论9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，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L E D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2.1 LED的发展历程与前景2.1.1 LED概述LED（Lighy Emitting Diode），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。LED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1000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。2.1.2 LED照明的发展历程1907年Henry Joseph Round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BernhardGudden和Robert Wichard 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砷化镓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，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。磷化镓的改变使得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，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。LED采用双层磷化镓蕊片（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LED。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年代早期到中期对砷化镓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，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、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镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓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砷化镓（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，它是用锗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LED。 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AlInGaP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AlInGaP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38lm/W，实验室研究成果可以达到70lm/W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。2.1.3 LED照明的发展前景目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%，大大降低照明用电是节省能源的重要途径，为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具，并达到了一定的成效。但是，距离“绿色照明”的要求还远远不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。LED以其固有的优越性正吸引着世界的目光。美国、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测，美国55%白炽灯及55%的日光灯被LED取代，每年节省350亿美元电费，每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100%白炽灯换成LED，可减少12座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗。台湾地区25%白炽灯及100%的日光灯被白光LED取代，每年节省110亿度电。 LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。国家发改委、财政部、科技部等部门正在努力推动LED产品取代传统的白炽灯和高压钠灯等传统光源，并确立了到2015年实现节能260亿元人民币的目标。在技术和政策的推动下，LED路灯终将成为替代传统路灯的首选。2.2 太阳能路灯构成及光源1. 太阳能路灯基本结构 太阳能路灯利用太阳能电池的光生伏电效应原理，白天太阳能电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电，设定的时间到后控制器切断光源电源。太阳能路灯由以下几个部分组成：太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池、太阳能路灯光源、灯杆及灯具外壳、线缆和连接紧固辅件，如图 2.1所示。 图 2.1 太阳能路灯基本结构图2. 太阳能电池组件 太阳能电池组件是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。在众多太阳能光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池三种。在太阳光充足、日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低。在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。 单体太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被树叶等遮挡物长时间遮挡，被遮挡的单片太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，甚至会造成整个太阳能电池组件损坏，这就是所谓的热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使太阳能电池表面不能附着遮挡物。3. 太阳能控制器无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能，具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切换负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。 对任何一个太阳能照明系统来说，充放电控制电路的优劣将直接影响到系统应用的成败。由于太阳能光伏发电系统输入的能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通发电系统对蓄电池充电的控制复杂。一个性能良好的光伏控制器应具有控制蓄电池充放电、温度调节、最大功率跟踪和过充保护、过放保护、短路保护、反接保护等多种保护功能以及自动开关和时间调整功能。从而保证系统可靠运行，同时使太阳能电池组件可以在不同温度和辐照情况下智能输出最大功率，使照明系统具有很高的效率。4， 蓄电池 由于太阳能照明系统蓄电池的充电直接由太阳能电池提供，得到的能量极不稳定，所以要配置容量合理、性能可靠的蓄电池，以保证光伏发电系统的正常工作。在太阳能光伏照明系统中，通常选用的是免维护铅酸蓄电池。免维护铅酸电池是一种新型的蓄电池，它采用全密封方式，放电率高，特性稳定；无须加水；安装简单，占地面积小，可水平和垂直安装；期望寿命一般为5 7年。选择蓄电池容量的一般原则是：首先够满足夜晚照明要求，并能把白天太阳能电池组件产生的能量尽量存储下来，同时还能满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能满足夜晚照明的需要，蓄电池容；量过大则蓄电池长期处在亏电状态，缩短蓄电池寿命，同时也浪费不必要的投资。5. 新型太阳能路灯光源 太阳能路灯根据实际情况需要，可在l2V直流节能灯、低压钠灯、高压钠灯、无极电磁感应灯、LED灯等多种光源中进行选择。不管选用那种光源，其亮度与光源的功率有直接关系，也直接影响系统配置和授资费用。在相同照明时间的条件下，光源功率越大，亮度越高，系统配置越大，费用越高；功率越小，亮度越低，系统配置降低，费用减少。太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，新型太阳能灯具采用LED光源。LED灯是一种通过直流低压点亮发光二极管组来实现照明需求的一种新型照明方式，具有亮度高、显色性好等特点；另外，由于LED路灯的输入为低压直流，能与太阳能结合起来，LED作为太阳能路灯的光源将是今后发展的趋势。 6. 灯杆及灯具外壳灯杆的高度应根据道路的宽度、灯具的间距，道路的照度标准确定。灯具一般是指用于安装照明光源的部分，也就是通常所说的灯头；灯杆分为变径杆、锥形杆、组合杆等多种形式，并通过挑臂与灯具连接。一般的灯杆、灯具都可作为太阳能灯的选择对象。如果采用在灯杆上直接安装太阳能电池组件的方案，需根据太阳能电池组件面积加工制作太阳能电池组件的支架，同时考虑灯杆的抗风强度问题。灯具和灯杆的选择面较宽，一般满足实用、美观的要求即可。7. 线缆和连接紧固铺件线缆用于连接太阳能电池组件、蓄电池、充放电控制器、光源等器件。线缆的线径标准随系统配置需要确定，线缆的长度随灯秆高度和器件安装位置确定。连接紧固辅件用于固定各器件连线的输入、输出端子，固定灯杆及灯具。2.3 新型太阳能路灯的优缺点新型太阳能路灯采用高效单晶 (多晶)硅太阳能电池供电，采用 铁锂蓄电池存储电能，用LED灯照明，并采用先进的充放电和照明控制电路，具有性能可靠、发光效率高、亮度大、安装方便、无须铺设电缆电线、无须交流电能和电费、采用直流供电、光敏控制、安全可靠、节能、经济、环保、实用 (根据配置和型号不同，充电一天可用 3 7 天)、寿命长 (太阳能电池可用15 20年、蓄电池可用57年。1. LED路灯的优点由于LED的工作电流是直流，且工作电压较低。太阳能电池将光能转化为直流电能，且太阳能电池组件可以通过串、并联方式组合得到实际需要的电压。这些特点恰好与 LED相匹配，两者结合将获得很高的能源利用率、较高的安全性能和可靠性，实现节能、环保、安全、高效的照明系统。LED路灯灯头如图 2.2所示。图 2.2 LED路灯灯头LED作为路灯的光源，它和传统路灯光源比较的主要优点有： 光效高、节能。LED光源色温4500 6500K，显色指数85 以上，颜色更接近于自然光，与高压钠灯相比，入眼感到同样亮度时所需的光强低许多，因此，在道路照明中采用98W 的LED路灯，其照明效果就相当于250W的高压钠灯。 LED 的能耗较小，随着技术的进步，它将成为一种新型的节能照明光源。 长寿。LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，放置在一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗振性能好。由于大功率LED路灯是由很多LED光源组成，即使个别损坏了也不会对正常照明产生太大影响，不像高压钠灯损坏时全灯熄灭，大功率LED路灯寿命长达5万小时，是高压钠灯的十几倍，户外使用寿命长达10年以上。 自动控制。可根据时间和外部环境调节LED路灯功率，提高节能性。LED能实现较完美的调光功能。由于LED的工作范围较大，其光输出和工作电流成正比，因此可以减小电流的方法来调光。另外，由于LED进行频繁开关对其没有太大的损伤，LED 的调光还可以采用脉冲宽度调节的方法来得到，通过调节电压的占空比和工作频率，能够有效调节LED的发光强度。 显色性好。LED路灯发出的是白色光，显色指数达85 以上，与阳光 (显色指数 100)相差不多，色彩更真实，也不存在危害性的紫外光线和红外光线，不吸引昆虫。 有效减少眩光。目前的路灯光线呈 180。散射，LED路灯通过独特的二次光学设计，使得路灯的光线投射到路面形成一块矩形光斑，几乎没有散射的眩光，对周围不造成光污染。且光场区亮度分布均匀，光线柔和，有效减少驾驶员眼睛疲劳，使驾驶更安全。 无频闪。大功率LED路灯采用直流供电，配有恒流驱动装置，使大功率LED路灯发光恒定，彻底无闪烁。 发光响应时间快。LED的响应时间只有几十纳秒，远快于白炽灯、气体放电灯等光源，且大功率LED路灯通电即达到正常亮度，无开灯延时现象。便于实行智能控制，更加节能。 安全。LED照明是一种固态照明，可以有效防振、防爆，对于类似振动比较大的高速公路和对安全性要求更高的隧道和矿井等尤其适用。 优良的散热性能。低热阻的结构设计与良好的散热设计，保证了 LED 的PN结结温不会超过75，从而保证了LED的发光效率及工作寿命。 在灯具的光学系统内，LED光源的光通量损失最小。与传统光源不同，LED是半空间发光的光源。LED的发光体芯片尺寸很小，在进行灯具设计时基本上可以把它看做点光源，可按点光源光通量分布模型计算，比较简单。 直流供电。太阳能电池单体电压为 0.5 1.2V。通过串、并联可获得各种直流电压的供电电源，而LED的驱动也用直流电源，单管工作电压一般为 0.8 3.8V，也可通过串、并联使两者非常相配，可以省却太阳能光电照明系统中使用其他照明光源所必需的逆变器。这样既可提高能源利用率，又可节约成本，还可改善系统可靠性。 结构牢固。太阳能电池组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装，整个系统没有转动部件。LED是用有机高分子材料封装的固体光源，其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件，是一种全固体结构，因此能经受振动、冲击，结构牢固。2. LED路灯的缺点1.单个LED功率低。为了获得大功率，要多个并联使用。 2.显色指数低。LED照射下显示的颜色没有白炽灯真实，这要从光谱分布上来分析，属于技术问题。 3.光斑。 由于白光LED本身制造工艺上缺陷加上与反射杯或透镜的配合误差，容易造成“黄圈”问题。 4.LED照射均匀度问题。如果不进行二次光学设计，LED的照射是比较集中，所以一定要进行二次光学设计，使其光强分布 图呈蝙蝠形。 5.LED的光衰问题。相比小功率LED，大功率LED路灯的光衰就会要好很多。 6. 大功率的LED会释放大量热量，而且发热后亮度会明显降低，所以存在散热问题。2.4 发展新型LED路灯的意义路灯照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。而大量高效、节能、环保的新型LED路灯的发展是符合全球节能环保的绿色大潮流，也符合我国十二五规划中提到的低碳生活。新型LED路灯与传统路灯的对照如下表：表2.1 传统路灯与LED路灯数据对比表2.2 传统路灯与LED路灯五年总体费用比较由此可见新型LED路灯真正地实现了低碳、高效、节能、环保。在能源紧缺、环境恶化的现状下发展LED路灯是保护环境、保护全人类的重要举措。 第三章 设备必备软件介绍 15第三章 设计必备软件介绍3.1 proe概述3.1.1 proe的简介：图3.1 proe界面1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER proewildfire6.0。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。主要特性有 1.全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。2.基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 3.装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。4.数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。5.装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。6.易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。3.1.2 pro/E的特点与功能Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 1 参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 2 单一数据库 Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 3. ProEngineer Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI，ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下： 1 特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）； 2 参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）； 3 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。 4 支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，ProPROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等)。 5 贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 ProENGINEER的基本功能。 3.2 EFDpro概述FloEFDpro 是无缝嵌入proe环境的工程化的流体/传热分析件.EFDpro基于与传统CFD软件相同的理论基础, 但是却提供全新的应用思想；.FLOEFD无缝集成Pro/ENGINEER .直接应用Pro/ENGINEER模型.自动探测固体之外的流体区域1. FloEFD的优势： .FloEFD 有强大的求解能力. 工程化用户界面.智能矩形化自适应网格生成 . 修正的壁面函数.层流-过渡-湍流模拟.自动判定层流区,过渡区, 湍流区,无需指定流动特征.自动收敛控制 :收敛性非常强，求解可靠 一次求解成功 . “What-If” 分析.支持多CPU分析的多设计方案,同时可以对结果进行分析比较,选择优势设计方案 2.典型电子系统设计所需材料.a.包括的材料有： Alloys, Ceramics, Glasses & Minerals, Laminates, Metals, Polymers and Semiconductors.b.为典型的IC封装提供特殊的单热阻库.c.导热胶材料库：Bergquist, Chomerics, Dow Corning and Thermagon. 第五章 LED路灯热分析及散热结构设计 41第四章LED路灯结构设计4.1 新型太阳能 LED路灯光伏系统设计4.1.1 新型太阳能LED路灯光伏系统设计要素1. 新型太阳能LED路灯系统 新型太阳能LED路灯系统是指采用太阳能作为能源，半导体LED作为光源，路灯开启和关闭实行智能化管理的全新环保、绿色照明。太阳能LED路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。完整的太阳能LED照明系统主要有以下5部分组成： 太阳能电池板。太阳能电池板是在有阳光时用来产生电能的，发电功率要根据照明用电的功率和照明时间来计算。 蓄电池。蓄电池的作用是把有阳光时太阳能电池产生的电存储起来，供没有阳光时使用。蓄电池的容量要根据太阳能电池板的功率和LED灯的功率以及照明时间来决定。 太阳能充电控制器。太阳能充电控制器的功能是在阳光充足、光照时间长时控制充电程度，电池充满即停止充电，不便蓄电池过充损坏，以保护蓄电池，延长其使用寿命。 LED驱动器。这是系统的核心控制电路。它的功能有三个： 完成LED的恒流驱动控制，便流过LED的电流不随蓄电池的电压变化。 具有光控功能，天亮时自动关灯，天黑时自动开灯。 低电压保护。当电池电压下降到10. 8V时输出关闭，以免过放电损坏蓄电池。 LED照明灯。LED照明灯具有光效高、寿命成等优点，目前，用于路灯的LED光源是由多只LED组合而成的模组结构。2. 太阳能LED路灯设计所需的数据 太阳能LED路灯的设计思路也可依据一般的太阳能发电系统，先确定太阳能电池组件的功率，然后计算蓄电池的容量。但太阳能LED路灯又有其特殊性，需要确保系统工作的稳定与可靠，所以在设计时需要特别注意。 太阳能供电系统在哪个地区使用、该地日光辐射情况，以及太阳能LED路灯使用地的经度与纬度。了解并掌握使用地的气象资源，比如月 (年)平均太阳能辐照情况、平均气温、风雨等资料，根据这些条件可以确定当地的太阳能标准峰值时数 (h)和太阳能电池组件的倾斜角与方位角。 太阳能LED 路灯所选光源的功率 ( lv)。光源功率的大小直接影响着整个系统的参数。 太阳能LED路灯每天晚上工作的时间 (h)。这是决定太阳能LED路灯系统中组件大小的核心参数，通过确定工作时间，可以初步计算负载每天的功耗知与之相应的太阳能电池组件的充电电流。太阳能LED路灯使用地的连续阴雨天数 (d)。这个参数决定了蓄电池容量的大小及阴雨天过后恢复电池容量所需要的太阳能电池组件功率。确定两个连续阴雨天之间的间隔天数D，这是决定系统在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需要的电池组件功率。3蓄电池组容量设计 太阳能光伏系统采用的储能装置是蓄电池，与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。太阳能照明系统必须配备蓄电池才能工作，这是因为： 太阳能电池只能在白天进行光电转化工作，电能在夜晚才能用于照明，因此必须储各在蓄电池内。储各的容量要足够当地连续几个阴天的照明需要。 太阳能电池板的输出能量极不稳定，配备蓄电池后，太阳能灯才能正常工作。 太阳能电池和蓄电池容量的组合，既是在保证路灯负载可靠性需要的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件和蓄电池容量，以最优化设计达到可靠性和经济性的最佳结合。4. 太阳能电池与蓄电池及负载的匹配 若一天要把l2V/40Ab的蓄电池充满，可选用电压为 15 l8V，电流为 4A 的太阳能电池板，或选取电流为IA的电池板用4块并联使用。如果要求两天将蓄电池充满，那么太阳能电池板选 2A 的电流即可。充电时，太阳能电池的电压要高于蓄电池电压20% 30%。 如12：V/lOAh 的蓄电池充满电后，可供 l2V/IOW的灯工作8h。IOW灯的工作电流为1= P/V = 10/12 =0.8Ao 蓄电池按10小时放电率计算，正常放电电流为 IA，考虑到效率间题，所以灯可以正常工作8 l0h。如用40W灯，电流为 40/12 =3.3A，那就只能工作2 3h。或这样计算，IOW的太阳能电池给蓄电池电，供 IOW的灯来用电：按理想状态来讲，充电lOh就能用电lOh，而实际上是达不到的，只能用7 8h。如果用40W灯照明，那能用2h。5. 蓄电池组容量的计算 蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的，在一年内，太阳能电池方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份时，要靠蓄电池的电能给以补足，在超过用电需要的月份时，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。蓄电池的容量由下列因素决定： 蓄电池单独工作天数。在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的20%。 蓄电池每天放电量。对于日负载稳定且要求不高的场合，目放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的80%。 蓄电池要有足够的容量，以保证不会因过充电造成失水。一般在选蓄电池容量时，只要蓄电池容量大于太阳能电池组件峰值电流的25 倍，则蓄电池在充电时就不会造成失水。 蓄电池自放电率。随着蓄电池使用时间的增长及电池温度的升高，自放电率会增加。对于新的电池，自放电率通常小于容量的.5%，但对于旧的质量不好的电池，自放电率可增至每月 10% 15%。4.1.2 控制器选择及太阳能电池组件支架的抗风设计1. 控制器选择 控制器是整个路灯系统中充当管理的关键部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理，好的控制器应当根据蓄电池的特性，设定各个关键参数点，比如蓄电池的过充点、过放点、恢复连接点等。在选择路灯控制器时，特别需要注意控制器恢复连接点参数，由于蓄电池有电压自恢复特性，当蓄电池处于过放电状态时，控制器切断负载，随后蓄电池电压恢复，如果控制器各参数点设置不当，则可能出现灯具闪烁不定，缩短蓄电池和光源的寿命。 太阳能充放电控制器基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等功能。蓄电池防过充、过放保护，是当蓄电池电压达到保护设定值后就改变电路的状态。在选用器件上，目前有采用微处理器的，也有采用比较器的，方案较多，各有特点和优点，应该根据需求特点选定相应的方案。 2. 太阳能电池组件支架抗风设计 在太阳能路灯系统中，在结构设计中，一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为太阳能电池组件支架的抗风设计和灯杆的抗风设计。 (1)太阳能电池组件支架的抗风设计 依据太阳能电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为 27m/s (相当于十级台风)，根据非黏性流体力学，太阳能电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s 的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是太阳能电池组件支架与灯杆的连接。在设计中太阳能电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。 (2)路灯灯杆的抗风设计 若路灯的参数为：电池板倾角 A =160；灯杆高度 = 5m。设计选取灯杆底部焊缝宽度=4mm，灯杆底部外径 = l68mm。焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩 W 的计算点 P到灯杆受到的电池板作用荷载 F作用线的距离为 1.545m。风：荷载在灯杆破坏面上的作用矩M= Fxl.545。根据27m/s的设计最大允许风速，2x3OW的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为 730N。考虑1.3 的安全系数，F = 1.3x73O = 949N。所以： M 二Fxl.545 = 949 xl.545 =l466Nm 圆环形破坏面的抵抗矩：W= x (3r2+ 3r + 3 ) 式中：r是圆环内径，是圆环宽度 (焊缝宽度)。若圆环内径r=84，破坏面抵抗矩为： 风荷载在破坏面上作用矩引起的应力为M/W= 1466/(88.768 xlO-6)= 16.5 xlO6Pa =16.5MPa215MPa，式中215MPa是Q235钢的抗弯强度。所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。4.2 LED路灯灯头设计4.2.1 LED路灯照明设计1. 确定照明需求和设计目标 设计目标是基于现有灯具的性能，或者基于应用的照明需求。LED 照明必须满足或超过目标应用的照明要求。因此，在建立设计目标之前就必须确定照明要求。对于某些应用，存在现成的照明标准，可以直接确定要求。对于没有照明标准的应用，可先确定现有照明特性后，在确定应用的照明需求。照明灯具的光输出和功率特性是确定现有照明特性的关键，根据照明灯具提供的技术参数，可获得各种灯具的关键特性，由此确定现有照明的特性。 照明要求确定好了之后，就可以确定 LED照明的设计目标了。设计目标应根据应用照明需求而定。并应列出影响设计的所有其他目标，如特殊光要求、耐高温要求等。与定义照明要求时一样，关键设计目标与光输出和功耗有关。设计目标应包括工作环境、材料清单(BOM)成本和使用寿命。2. 估计光学系统、热系统和电气系统的效率 设计目标会对光学、热和电气系统产生限制，根据这些限制对各系统的效率进行估计，将照明目标；和系统效率结合起来，就能确定照明需要的LED数量。设计过程中最重要的参数之一是，需要多少只 LED才能满足设计目标。其他的设计决策都是围绕LED数量展开的，因为 LED数量直接影响光输出、功耗以及照明成本。 查看LED数据手册列出的典型光通量，用该数除设计目标流明，依据此设计方法满足不了应用的照明要求。因LED的光通量依赖于多种因素，包括驱动电流和结温。要准确计算所需要的数量，必须首先估计光学、热和电气系统的效率。 (1)光学系统效率 通过分析光损失估计光学系统的效率。要分析的两种主要的光损失为： 次级光学器件。次级光学器件是不属于LED本身的所有光学系统，如LED上的透镜或扩散片。与次级光学器件相关的损失，根据使用的特定元件的不同而不同。通过各次级光元件的典型光学效率在85% 90%。如果照明需要次级光学器件，则存在次级光损失。 灯具内的光损失。当光线在到达目标物之前，打到灯具罩上时，就产生了灯具光损失。某些光被灯具罩吸收，有些则反射回灯具。固定物的效率由照明的布局、灯具亮的形状及灯具罩的材料决定o LED 光具有方向性，可达到的效率比全方向照明可能达到的要高得多。3. 计算需要的LED数量 ( 1)实际需要的流明量 根据设计目标和估计的损失程度，可以计算满足设计目标的LED数量。所有系统效率估算好之后，就可计算要达到设计目标需要的实际LED流明数。因电气效率只影响总功耗和灯具效能，而不影响照明的光输出量。 (2)工作电流 另一个需要确定的是LED的工作电流，LED 的工作电流对确定 LED照明的效能和使用寿命是很关键的。因增加工作电流，则各LED的光输出会变大，因而减少了所需的LED数量而增加工作电流的同时也带来多个缺点： 功效降低。工作电流提高会降低功 LED产生的功效，一般电源尺寸大小将随着工作电流的提高而增大，因为产生相同的流明数需要的功率更大。 最高环境温度降低或使用寿命缩短。电流的提高将增大LED结和LED热通道的温差，实际上，由于已经确定了最高结温，因此这样可以降低照明的最高环境温度，反之，如果最高环境温度不是降低，而是升高，则在LED的使用寿命期内，光输出下降会更快。 根据应用的不同，在设计中 LED 使用寿命和功效是应优先考虑的设计目标，以XLampXR-E数据手册所列的最小工作电流 (350mA)工作，可最大限度提高LED功效并延长使用寿命。 (3)LED数量 工作电流确定之后，就可以计算备LED的流明输出数了。由于LED 的热损失已经在实际需要的流明数计算中考虑到了，故LED供应商提供的技术参数可以直接使用。 在设计中应使用LED技术参数中的最小光通量，而不是LED技术参数中给出的典型值。根据此最小光通量来设计，可确保满足设计目标要求。若使用4000KCCT的XLampXR-E LED，350mA时的最小光通鲁为 67.2 (P2fluxbin)。LED的数量SLED计算如下： SLED = BS/ BD = 1050 lm /67. 2lm = 16只LED式中：SLED为 LED的数量；Bs为实际流明；BD 为每只LED的流明数。4. 选择最佳设计LED数计算好之后，考虑满足设计目标的所有设计可能。由于每只 LED都是一个照明光源，比传统照明的使用寿命要长许多，因此LED可以与新型和非常规设计元件一起集成到照明系统中。设计中可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次级光学器件。 ( 1)光学系统LED灯具的光学二次开发在整个灯具设计的过程中扮演了非常重要的角色，在灯具的整体设计流程中应该是优先考虑的一环。裸LED和现有灯反射器。现有CFL灯具的角度和LED的角度非常相似，因此，若选择不使用次级光学器件，可使成本最低，并且系统光损失最小。使用的元件较少，所用费用也较少，可使照明系统组装更简单并且费用更低。 带有次级光学器件的LED和现有灯反射器。次级光学器件是除LED初级光学器件外附加的光学元件，用于对LED的光输出进行整形。 不是每只 LED都使用一个光学器件，整个LED阵列可以使用一个漫射器来传播光。这种方法的优点是光束角度比裸LED能达到的光束角度宽，并且消除了多照明阴影效应，光照度分布、多源阴影效应和美观度通常也决定了光学系统的选择。 (2)热系统 现有灯具罩。最低成本方法是将现有设计的灯具罩作为 LED照明的灯具罩，新照明设计不能采用这种方法，因多数现有罩都是铜制的，热导性差。一般来说，选择钢罩不利于散热。定制散热片。定制方案可为应用提供了优化散热片，在设计中需要利用热仿真软件，或根据目标应用及LED的特性进行热设计。 (3)电气系统 定制设计LED驱动器。随者LED照明的逐渐普及，更多的LED驱动器针对应用进行了优化设计，这样效率更高，并且能获得管理部门的完全认可，但会延长 LED灯具的开发时间。在目前的大功率LED环境下，总照明效率的提高受LED本身的影响比受驱动器的影响要大。 4.2.2路照明灯具结构设计：1灯具结构：a.组成结构：我们的LED 路灯由铝合金压铸灯体，LED模块，钢化玻璃透光罩，AC/DC 恒流驱动器，电器室盖板五部分组成。见图4.1-图4.6。图4.1 一体化压铸铝制散热器背面