戶外LED照明系統不僅要承受雨水和灰塵，還要承受太陽輻射。通常，LED照明系統是在沒有太陽能負載的情況下計算的。如果照明系統僅在夜間運行，則這是有效的假設。本文討論了基于LED的照明系統在室外應用中的分析建模，適用于各種環境條件。

照明系統

該系統由一個可旋轉的LED燈具組成，安裝在一個外殼中。外殼由鋁制隔間組成，圓頂放置在鋁制隔間上。 LED燈具是一個主動冷卻的散熱器，帶有25個冷白光LED。需要針對不同的正向電流確定LED的結溫。在機箱內部，電機，驅動器和LED電源單元（PSU）等組件散熱。

圖1：照明系統示意圖

分析模型

推導出熱阻圖來分析照明系統，如圖2所示。照明系統垂直安裝，圓頂向上或向下。假設照明系統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，由兩個散熱功率為3 W的風扇冷卻。散熱器/風扇組合的熱阻為0.6 K/W.

外殼是圓形的，直徑為400毫米，高度為400毫米。

假設外殼和圓頂的壁厚對分析的影響可以忽略不計。因此，忽略了壁的導電電阻。

還假設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。

環境條件

假設太陽能負載（直接，間接和漫射）適用于外殼和圓頂的一半外部區域。

對于壽命條件，在20°C的環境溫度下，太陽能負荷為700 W/m2。

在最高條件下，太陽能負荷為1020 W/m2，環境溫度為40°C。

假設穹頂的太陽吸收率α太陽圓頂為0.4。

外殼的太陽吸收率αsolar-EN假設為0.4。

發射率外殼的假設是0.85。

計算將在無風和風速為2 m/s的情況下進行，分別使用5和15 W/m2·K的傳熱系數。

LED

A總共25個冷白光LED將在350至1000 mA下進行評估。評估使用LUXEON Rebel可靠性和B10，L70條件下的壽命數據，所需壽命為40，000小時。壽命條件B10，L70意味著在特定壽命期間，預期10％的LED在指定的結溫和正向電流下失效。失敗的標準是當LED的光輸出減少到其原始光輸出的70％時。

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

使用壽命和最高溫度條件計算所需的結溫。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重，本文評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溫。 1，2

LED可以安裝在FR4 PCB上或金屬核心板。 LED的結至板熱阻為10 K/W.使用公式2計算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散熱假設光效率為20％。

電機和驅動器

電機和驅動器用于外殼中旋轉照明系統。假設這些器件的總功耗為10 W。

LED電源單元（PSU）

LED電源單元也會散熱，由公式3給出，其中N是LED的數量，ηPSU是PSU效率，假定為85％。

（3）

計算程序

第一個該分析的計算步驟是確定外壁溫度。這可以通過在機箱周圍應用控制卷來完成。將等式4的穩態能量平衡應用于控制體積得到等式5，其針對外殼壁溫度TEN迭代求解。請注意，在計算中，溫度以開爾文為單位，而不是攝氏度。這是因為輻射方程使用開爾文溫度來計算熱通量。

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。將能量平衡方程應用于控制體積得到方程式13，然后根據散熱片溫度THS求解。假設內部空氣混合良好。因此，公式14中的傳熱系數假設為8 W/m2·K。

圖5：散熱器周圍的控制體積。

圖6：從散熱片到LED結的電阻圖。

可以根據LED結到散熱片的導通電阻計算結溫，如公式15所示。然后可以將其重新排列為公式16計算LED結溫。

已完成多項研究分析照明系統的各種參數。這些研究的摘要列于表3中。

表3：要進行的研究的總結。

結果

對于不同的案例研究，計算結果在表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行改進的地方。圖7（c）顯示了從各種來源作為絕對值施加到系統的熱能。圖7（d）中的值與（c）類似，但是以總數的百分比給出。

對于基線模型，研究表明當LED為LED時，LED結溫高于規格。以700mA（S3和S4）和1000mA（S5和S6）運行。當分析改進的模型時，發現結溫仍然高于1000mA的規格。然而，對于700mA，發現結溫在規格范圍內。當檢查其他溫度時，發現空氣溫度為99℃。這對于風扇，PSU，電機和驅動器來說太高了。考慮到最大LED存儲溫度為135oC， 2 ，可以得出結論，LED的組件，例如，封裝，溫度過高。

表4：結果摘要。

圖7：系統組件之間的溫差（a），作為太陽吸收率的函數的結溫（b）和施加到系統的熱能，以絕對值（c）和總百分比表示（ d）。

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

觀察圖7（a）中S11的溫差圖，最大溫差介于兩者之間。外殼和環境。如圖7（d）所示，外殼的太陽能負載是系統總熱負荷的50％。由于外殼太陽能負載是總負載的50％，因此建議使用太陽能屏蔽來降低外殼與環境之間的溫差。太陽能防護罩的缺點是當沒有太陽能防護罩時，風對系統的影響較小。在S16中，顯示當系統處于2m/s的風中時結溫降低17°C.

第二大溫差是在外殼和內部空氣之間。為了減小這種溫差，外殼內的空氣必須能夠沿著外殼和圓頂的所有表面移動。這將增加傳熱系數，并且可以通過擋住外殼的內部來完成。但是，這必須通過計算流體動力學進行分析。

對于基線研究，顯示在350 mA（S1）時，結溫在使用壽命條件的規格范圍內。但是，對于最大條件（S2），空氣溫度非常高。通過使用優秀模型（S7）改進了這一點。