在工廠的能耗中,照明能耗占有一定的分量。例如在一個4萬平方米的廠房建筑物中,照明用電負(fù)荷約為400KW,因此,在工廠照明燈具的選用中,如何實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保是擺在工廠設(shè)計者一個重要的課題。采用新型LED光源為基礎(chǔ)的照明燈具,除了節(jié)能環(huán)保外,它還具有壽命長、響應(yīng)時間快、光色純光線集中等優(yōu)點,近年來,廣受消費者的青睞。
2、LED照明設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)
新技術(shù) 、新材料和新工藝不斷應(yīng)用到大功率 LED光源的設(shè)計中,為大功率 LED燈具設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ) .由于同為 LED光源的應(yīng)用產(chǎn)品差異性較大,其設(shè)計 、測試等標(biāo)準(zhǔn)的出臺具有一定滯后性 ,所以導(dǎo)致不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、性能等方面互換性較差 .同時,LED燈具產(chǎn)品本身就是一個機(jī)、光、電等因素的整合,其設(shè)計更是涉及到眾多領(lǐng)域的技術(shù)。
3、LED工礦燈設(shè)計實例
LED工礦燈的設(shè)計,涉及較多細(xì)節(jié),我們按照以下幾個重要的注意事項,逐一分析討論,以此來體現(xiàn)設(shè)計流程和方法,如圖所示:
功率選擇
光源選擇
散熱設(shè)計
機(jī)構(gòu)設(shè)計
光學(xué)設(shè)計
3.1 功率選擇
傳統(tǒng)工礦燈以250W或400W高壓鈉燈和金鹵燈居多,和新型的LED燈具的特性對比,有著較為明顯的差別,見下表:
考慮到在實際使用中的高壓鈉燈和金鹵燈光衰及二次出光問題,其實際發(fā)光效率遠(yuǎn)低于80lm/W,往往無法達(dá)到標(biāo)稱的7成。依此我們**開發(fā)的LED工礦燈功率設(shè)定為120W左右,一旦光照效果符合預(yù)期,即比傳統(tǒng)燈具節(jié)能**過50%.
3.2 光源選擇
目前市面上大功率LED光源比較**的**有:CREE、OSRAM、NICHIA、Lumileds(較早的LED),另外閩臺廠商的晶元、艾迪森以及國內(nèi)的封裝大廠深圳萬潤、珠海瑞豐、江西聯(lián)創(chuàng)等也是應(yīng)用較為普及的**。
為**產(chǎn)品的穩(wěn)定性,此工礦燈我們選用較為**的CREE光源。
3.3 散熱設(shè)計:
在大功率LED 中,散熱是個大問題。例如,1 個10W 白光LED 若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%,則有 8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能,若不加散熱措施,則大功率LED的器芯溫度會急速上升,當(dāng)其結(jié)溫(TJ)上升**過較大允許溫度時(一般是150℃),大功率LED會因過熱而損壞。因此散熱設(shè)計也是我們較為重要的內(nèi)容,以下我們分別從鋁基板和散熱器兩方面結(jié)合,來探討散熱設(shè)計。
3.3.1 基板選用
在LED產(chǎn)品應(yīng)用中﹐通常需要將多個LED光源組裝在一電路基板上。電路基板除了扮演承載LED模塊結(jié)構(gòu)的角色外﹐另一方面﹐隨著LED輸出功率越來越高﹐基板還**扮演散熱的角色﹐以將LED晶體產(chǎn)生的熱傳派出去﹐因此在材料選擇上**兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及散熱方面的要求。針對基板,我們分別比較了FR4、陶瓷基板以及MCPCB.
(1)FR4導(dǎo)熱系數(shù)約0.36W/m?K,無法滿足高功率LED照明散熱要求;
(2)Ceramic導(dǎo)熱系數(shù)大于80W/m?K,價格昂貴、加工性差,無法大面積使用;
(3)MCPCB導(dǎo)熱系數(shù)大于2.0W/m?K,價格適中、加工性強(qiáng),技術(shù)成熟可批量生產(chǎn)。
3.3.2 散熱器設(shè)計
散熱器的作用就是吸收基板或芯片傳遞過來的熱量,然后發(fā)散到外界環(huán)境,**LED芯片的溫度正常。絕大多數(shù)散熱器均經(jīng)過精心設(shè)計,可適用于自然對流和強(qiáng)制對流的情況。即主動式散熱器和被動式散熱器。其各自的性能特點見下表:
考慮到成本及穩(wěn)定性,我們選用被動散熱方式。而被動散熱器,根據(jù)材料,又分為鋁擠型(Al Extrusion)散熱器和鋁壓鑄型(Al Die-Casting)散熱器。各自的特點如下:
關(guān)于Heat sink上使用Heatpipe&Fin&Vapor-Champer,經(jīng)過測試,emitter溫度下降不多,再根據(jù)工程用燈的穩(wěn)定性要求,故不考慮使用。
3.4 機(jī)構(gòu)設(shè)計
機(jī)構(gòu)設(shè)計涉及不僅涉及整燈的機(jī)械結(jié)構(gòu),也涉及到燈具的外形美觀。接下來,我們從以下四方面來進(jìn)行壓鑄散熱器的具體設(shè)計。
A. Best Look
對于外觀,我們設(shè)想了以下兩種形式。
C. Best Thermal
散熱器的散熱性能很大程度是由散熱器的機(jī)構(gòu)設(shè)計有決定的。材料同為ADC-12的壓鑄鋁,當(dāng)散熱器的外經(jīng)、Fin片高度、Fin片密度等參數(shù)不同時,散熱性能可能相差甚遠(yuǎn)。設(shè)計過程中,我們分別選用了四種不同結(jié)構(gòu)的散熱器,對其進(jìn)行了熱流仿真模擬,如下圖
通過熱流仿真模擬,我們發(fā)現(xiàn)Case4的熱性能較好。如下表:
同時,我們可以得出以下結(jié)論:
(1)降低Fin高度的同時增大Heat sink的外徑可得到更為有效的散熱效果。
(2)同樣重量的Heat sink,增高高度與增大散熱器直徑相比,后者可達(dá)到更為有效的散熱效果。
(3)Case4 Thermal為較佳,我們通過降低Fin的高度去增大了散熱器的外徑,成本不變的條件下得到較好的散熱器。
4、LED工礦燈驗證結(jié)果
為了**燈具的品質(zhì),我們在產(chǎn)品量產(chǎn)出貨前進(jìn)行了配光、Thermal、電氣*、**性等方面的一系列測試,以下為各項測試的驗證結(jié)果。
5、成本與效益評估
眾所周知,相比高壓鈉燈或金鹵燈作廠房照明用,LED工礦燈初期投入成本顯然要高出傳統(tǒng)燈具很多。然而由于LED光源具有光效高的特點,再加上制成燈具時, LED光源指向性強(qiáng)的優(yōu)點很*體現(xiàn)出來, LED燈具較傳統(tǒng)燈具的效率也就高得多,所以其節(jié)能特點就能明顯地體現(xiàn)出來。下表為我們的120WLED工礦燈與傳統(tǒng)400W高壓鈉燈的一個投資效益分析。