LED路灯照明系统散热设计及模拟仿真毕业设计.doc

目 录1.绪论 11.1绿色光源LED的现状 11.2论文主要研究的内容 32.国家“十城万盏”LED半导体照明工程实施进展情况 43.光的照明基础知识 63.1光度学基础知识 63.1.1光的基本概念和理论 63.1.2光的传播特性 73.1.3光的基本度量 93.2色度学基础知识 113.2.1颜色 113.2.2和颜色有关的照明参量 134. LED在各个领域中的应用 154.1 LED汽车照明 154.2 LED道理隧道照明 174.3 LED在其它方面的应用 205. LED的发光原理及主要参数、特性 225.1 LED的发光原理及结构 225.2 LED主要参数及特性 245.2.1 LED的电学特性 245.2.2 LED的光学特性 255.2.3 LED的热学特性 256.大功率LED灯散热设计 276.1 LED散热的必要性 276.2 LED的散热技术 277. LED路灯设计 297.1《城市道路照明设计标准》 297.2设计目标为校园路灯 307.3计算所需要LED的个数 307.4路灯灯头设计 327.5 LED路灯的散热 338. LED路灯散热设计（软件仿真） 348.1 IcePak软件介绍 348.2用Icepak进行热仿真及分析 348.2.1建模 348.2.1对模型进行热分析 359.校园LED路灯应用 41结论 43致谢 44参考文献 45 / / 1. 绪论1.1 绿色光源LED的现状当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

随着低碳经济的全面推动，绿色照明备受各国政府的重视低碳经济就是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，其实质是能源效率和清洁能源结构问题，核心是能源技术创新和制度创新，目标是减缓气候变化和促进人类的可持续发展根据美国能源信息局的报告，发电（大部分为照明应用提供电源）制造了37的温室气体在我国，照明用电的电消耗约2000亿千瓦时，占年发电量的12%左右实行绿色照明将减少用电量，从而降低碳排放所以，实现绿色照明符合低碳经济的发展LED是发光二极管的简称，具有节能、环保、耗电量少、寿命长、色彩丰富、耐震动、可控性强等特点，发光效率高且达到同样照明效果的功率低在同等照明亮度的状况下，LED灯比普通灯平均节电40％~50％为了在照明领域实现低碳经济，各国政府都提出和实施绿色照明工程美国、日本、欧盟等国家和地区纷纷制定政策扶持LED照明产业的发展　　我国政府从1996年开始组织实施绿色照明工程，并将其列入“九五”、“十五”节能重点领域和“十一五”十大重点节能工程2009年10月，又发布了《半导体照明节能产业发展意见》，旨在推动我国半导体照明节能产业健康有序发展，培育新的经济增长点及促进节能减排，提出将开发和推广替代白炽灯、卤钨灯等节能效果显著、性价比高的半导体照明定型产品；开发和推广停车场、隧道、道路等性能要求高、照明时间长的功能性半导体照明定型产品；发展中大尺寸液晶显示背光源、汽车照明等增长潜力大的半导体照明产品；发展医疗、农业等特殊用途的半导体照明产品。

许多城市已经利用LED光源照明技术在城市灯光环境建设中,产生了良好的效果,像护栏照明、广场照明、庭院照明、投光照明、水下照明等系列由于LED光源的显著优点和白光LED技术的日臻成熟,LED光源城市道路照明系统有着广阔的应用前景对节省建设资金,缓减用电矛盾,构建节约型社会具有重大意义 LED灯具性能上的优势：（1）节能，安全性高:LED光源如果设计合理,很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题所以灯具反射损失低,灯具整体光效高,如果采用PWM数字调光系统,更省电;目前白光LED的发光效率约为80 lm/W,较传统高压钠灯可以节电50%~60%如果和太阳能系统直接配套,无需额外的逆变、转换过程,能达到最大的能源利用率2）低维护成本,安装维护简便:如果灯具整体设计合理,大功率LED光源理论上可以正常使用10年不用更换,而传统高压钠灯平均1年半就要更换一次,所以可以大大降低维护成本同时采用LED路灯除了在单灯成本及最初安装的造价比高压钠灯高外,在铺设成本、耗电成本及寿命方面均大大优于高压钠灯由于驱动电流小、电缆、变压器和工程费用也相应的减少3）显色性佳,配光容易:LED的显色指数高(75~90),基本上接近自然光。

光色可以人为控制,可以通过配光满足不同照明领域的需求对光照射区域的光色均匀度可控,能够避免传统光源单调色的现象4）环保,便于管理:LED光源无辐射,更不会造成光污染;使用寿命长,不需要经常进行更换,管理维护方便现阶段LED灯具性能上的缺陷：（1）发光效率较低,亮度不足,灯具的成本高:目前虽然试验室水平大功率白光LED的发光效率已经超过了100 lm/W,但量产的、性价比高的大功率白光LED发光效率还在80 lm/W左右,在灯具设计中如果要提高整体的灯具亮度指标,势必要增加LED的数量,从而增加灯具的成本2）地面对LED光的反射率低:由于目前白光LED光谱特征,路面及周边物体对其反射率低,特别是沥青路面,虽然地面的照度指标能达到要求,但路面的亮度较低,和钠灯的黄光相比,这是它的一个弱点输出功率及光通量的提高要从大功率白光LED的外延技术、芯片工艺等基础层次进一步提升3）当前技术下LED的光通量还不够大,光效太低,色温不易控制,造成灯具的整体品质难以保证;灯具的稳定性,可靠性难以保证;有效光的照明角度偏小、分布不均匀,光学、散热设计复杂总之，LED是一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、和高强度放电（HID）灯（如高压钠灯和金卤灯）之后的第四代新光源。

半导体照明（也称固态照明）既是一种基于LED新型光源的固态照明，具体的讲，是一种基于白光LED的固态照明，是一种典型的节能、环保绿色照明LED被公认为是21世纪最具发展前景的高新技术领域之一，由于其蕴藏着巨大的商机，正成为群雄逐鹿的新战场1.2 论文主要研究的内容 由于LED具有高效、节能及寿命长的优点，符合现在所提倡的节能减排、绿色低碳型经济，所以研究设计LED路灯是有实际意义的本文先是介绍了国家“十城万盏”LED半导体照明工程及其施工进展情况，说明了国家对LED照明发展的重视；然后，介绍了照明中所用到的光度学和色度学的基础知识，要设计出合理的路灯，这些基础知识是必须要掌握的，其中光的基本度量，是评价LED照明效果的重要参数；接着，讲述了目前LED在各个领域中的应用，在汽车、道路照明等领域的应用中，LED有非常明显的优势及很好的前景；然后描述了LED的结构及发光原理，对LED的3大特性进行了分析、研究前面几章是研究和介绍LED的基础知识和特性，后面3章是设计LED路灯及散热分析，只有掌握了基础知识，才能设计出合格的路灯对校园LED路灯的设计、路灯的散热分析及仿真是本论文的重点。

本文的路灯设计是针对我校路灯的实际情况来设计的，根据学校路目前路灯覆盖率、照明效果及路面情况来选取的基本参数，从而设计出符合校园要求的LED路灯，和现在的高压钠灯相比，LED路灯更省电，照明效果更好；对路灯的散热，是用软件IcePak进行模拟仿真，从整体到局部进行热分析，最后分析结果说明所设计的路灯散热效果良好2. 国家“十城万盏”LED半导体照明工程实施进展情况“十城万盏”半导体照明应用工程,是一项由科技部提出的计划,应用工程的总体目标是：到2010年,在10～21个城市推广40万盏以上半导体市政照明 灯具 ,实现年节电6000万千瓦时,累计节电1亿千瓦时以上,半导体市政照明灯具产业规模达到80亿元,带动半导体照明相关产业产值超过1000亿元对于工程试点城市,国家将在政策和资金上予以支持2009年注定是中国LED年,4月份国家科技部推出十城万盏计划7月24日,国家发改委和联合国开发计划署(UNDP)、全球环境基金(GEF)合作的中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯项目签字仪式在北京举行联合国秘书长潘基文、国家发改委副主任解振华、中国常驻联合国代表张业遂、财政部副部长李勇、联合国开发计划署(UNDP)中国首席代表马和励出席了签字仪式。

这标志着中国绿色照明国际合作进入新的阶段      其实,国家财政部早在2008年,开始实行的《高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法》已把LED半导体照明产品列入补贴范围,随之相应配套的税费等政策相继出台这是对一个产业空前的支持由2008年北京奥运LED的应用持续发烧,加上2010年上海世界博览会、广州亚洲运动会和2011年深圳世界大学运动会即将陆续登场,所带动的大型LED广告牌、建筑景观照明等应用商机,也是2012年LED产业值得关注的热点       政府的支持,国家节能减排政策的带动将是持续发展的动力LED道路照明市场部分,除了国际展览、赛事的推波助澜外,各国政府大型采购和LED路灯示范计划的实施,以及LED路灯照明地方规范相继制定,预计2012年全球LED路灯市场渗透率将突破1%,开始迈入快速增长期      关于如何开展十城万盏LED试点示范城市工作,科技部高新司对口业务处室原提出的实施方案初步设想是：通过以LED在市政照明的应用示范工程为载体,选择10个城市推广应用LED照明灯具(包括路灯、隧道灯、地铁轻轨、加油站、地下停车场等功能照明灯具)1万盏以上根据LED产品的技术效能、应用的节能效果以及所获得的经济、社会效益,采取后补助的方式,进行补贴,但目前依然没有下达文件。

       2009年5月初,中国科技部批准21个城市开展半导体照明应用工程试点工全国21个试点城市为天津市、上海市、重庆市、石家庄市、保定市、大连市、哈尔滨市、扬州市、宁波市、杭州市、厦门市、福州市、南昌市、潍坊市、郑州市、西安市、武汉市、深圳市、东莞市、成都市、绵阳市  一些有基础的城市在很短的时间内就编制了推广计划,如天津市计划推广50万盏,扬州市计划5万盏,保定市计划3.8万盏,成都市计划1.5万盏,仅这四个城市计划的LED照明灯具就高达63万盏21个城市按1万盏计算,自身就需要安装路灯、隧道灯21万盏,如果这21万盏一半是新安装(含灯杆),一半是更换(不含灯杆),平均以5000元1盏计算,就需资金10.5亿元人民币       实际需求远远超过这个数字,2009年中国大陆将需要140万盏,全球需240万盏,未来市场潜力之大可见一斑甚至有人大胆预言;到2013年以后中国的LED产值将达到1000亿美元以上,咱们暂且不论数字的多少,只是这个产业,只要是能够突破核心技术高端芯片研发瓶颈,我们的节能减排及建设绿色城市的目标是能够实现的        LED是半导体照明的简称它是以半导体芯片为材料的固态光源,依靠电子空穴复合发光,将电能转换成光能的效率高达80%以上。

在奥运场馆建中LED技术作为自主创新的代表被广泛使用      据了解LED的耗能仅为白炽灯的10%,荧光灯的30%;它采用固体封装,使用寿命可达5万小时,是白炽灯的100倍荧光灯的10倍,它无需使用玻璃真空封装,不产生毒副作用和汞污染       中国是世界第二大发电大国2007年发电总量为32559亿千瓦时,年照明用电高达3900亿千瓦时,相当于英国一年的用电总量      上世。