אתגר ה- LED Grow Light

אור-הפחתת דיודות (LED) גדל אורות הפך אבן הפינה של חקלאות מבוקרת-סביבה, המאפשרת מניפולציות ספקטרליות מדויקות לשפר את הפוטוסינתזה, photomorphogenesis, ואת איכות היבול הכוללת.למרות יעילות האנרגיה שלהם בהשוואה ל-125 גברים בלחץ גבוה או לתקן halidetures מתכת, נוריות אינן חסינות לבעיות תרמיות. חלק משמעותי של חשמל ל- HIV כדי להיות יעיל יותר מ-125 ליטר חום, בדרך כלל, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, פחות מ-או יעילות של תאים קלים, לעומת פחות ממין C ביעילות, לעומת פחות מגובה של פחות מגובה של פחות מ-125 מעלות, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לעומת יעילות של פחות מ-או מ-או יותר ממתכת, לעומת יעילות של פחות ממתכת, לעומת יעילות של פחות מסולפתיקים, לעומת 0, לעומת 0, לעומת יעילות של תאים של תאים קלים, לעומת 0, לעומת יעילות של תאים ממוחזרת לחץ דם, לעומת 0, לעומת 0, לעומת 0, לעומת 0, לעומת 0, לעומת 86%, לעומת 0, לעומת 0, לעומת 86%, לעומת טמפרטורות חום יעיל יותר מגובה של תאים ממוחזרת לחץ גבוה יותר מחוספסד, 000

ביישומים חקלאיים, נורות LED לגדול לעתים קרובות ארוזים במערך כדי לספק צפיפות פוטוסינתזה גבוהה פוטוסינתזה פוטוסינתזה פוטוסינתזה פוטוסינתזה (PPFD) על פני canopy.the מגיאומטריה מחוספס, בשילוב עם תנאים מתפתל אשר עשויים לכלול טמפרטורה גבוהה לחות מ transpiration הצמח, יוצר סביבה תרמית תובענית. inadequate חום dissipation לא רק מקצר את חיי LEDspan אלא גם להפחית את הפלט ואת הניתוחים משניים, אשר יכול להשפיע על ידי תאים מודרניים, אשר יכול להיות יעיל של תהליך metati המודרנית.

דינמיקה נוזלית Computational (CFD) כלים כגון Ansys Fluent מציעים מהנדסים מעבדה וירטואלית לחזות התפלגות טמפרטורה, תבניות זרימת אוויר, ומנגנוני העברת חום לפני בניית אבטיפוס פיזי. על ידי הדמיה של פיזיקה מזוגית של מוליכים, convection (גם טבעי וגם מאולץ), וקרינה תרמית, מעצבים יכולים לזהות כתמים חמים, להעריך אסטרטגיות קירור, ואופטימיזציה חום עבור ביצועים מקסימליים.

החשיבות של דיסipation חום LED גדל אורות

ההתנהגות התרמית של LED גדל אור ישירות משפיע על האמינות, יעילות חשמלית וביצועים אופטיים.טמפרטורת צומת - הטמפרטורה בצומת p-n של שבב LED - הוא הנהג העיקרי של השפעות אלה. עבור כל 10 מעלות צלזיוס מעל טמפרטורת הצומת הדירוג, החיים השימושיים של LED ניתן להעלים (תופעה שתוארה על ידי מערכת יחסים Arrhenius).

מעבר לתחזוקה של לומן, החום משפיע על ה-FLT:0 סטרס קדימה (FLT) 1 ו- (FLT:2 גלי החום של יציבות ריצוף 3 של נוריות. as טמפרטורה עולה, המתח קדימה טיפות, שינוי העומס החשמלי על הנהג וגורם פוטנציאלי למנוע את המעבר הנוכחי אם הנהג חסר פיצוי הולם.

ניהול רב-ממדי משפיע גם על הטמפרטורה העולה:0 (quantum יעילותsFLT) 1 של נוריות.יעילות הקוונטית הפנימית יורדת עם עלייה בטמפרטורה, כלומר יותר כוח קלט מבזבז חום, יצירת מחזור אכזרי.עבור עיצוב חום נתון, טמפרטורה גבוהה יותר של כיור חום (למשל, חממה במהלך הקיץ) מקטין את ההבדל הזמין לזיהום טבעי, לחץ תרמי נוסף על פני השטח הרצוי, כגון חומרים מכוערים, או חום, יכול להיות מסוגל למנוע את כל אמצעי תאורה גבוהה יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כי הוא מסוגל להשפיע על פני השטח הקפדני, כמו גם על פני השטח הקפדני, כי הוא מסוגל להיות מסוגל לגרום חום גבוהה יותר, כמו על פני השטח הקפדני, כמו על פני השטח הקפדני, על פני השטח הקפדני, על ידי חימום גבוה יותר, או חום גבוהה יותר, כמו על פני השטח, כמו על ידי חימום גבוה יותר, על ידי חימום גבוה יותר, כמו על ידי חימום גבוה יותר, כמו על ידי חימום גבוה יותר, כמו על ידי חימום גבוה יותר, כמו גם על ידי חימום גבוה יותר, כמו על ידי חימום גבוה יותר, על ידי חימום גבוה יותר, כמו על ידי חימום גבוה יותר, כמו על ידי חימום גבוה יותר, כי הוא מסוגל להיות מסוגל להיות מסוגל להיות מסוגל להיות

אסטרטגיות למניעת חום נפוצות

  • (ב) ⁇ חום עוברי (FLT:1) - מפרשים או מתים - מזחלות אלומיניום שמבוססות על רצף טבעי.הם פשוטים, אמינים ושקטים, אך דורשים שטח משטח מספיק וזרימה אוויר לא מאובחנת.
  • (FLT:0) קירור קולקטיבי FLT:1 - אוהדים או מכים אשר מפעילים אוויר על הכיור החום, הגדלת מחסני חום אחידים. קירור פעיל מאפשר עיצובים קומפקטיים יותר אבל מציג רעש, הצטברות אבק ונקודות כשל פוטנציאלי.
  • (FLT:0) צינורות הית' והתאים ה- vapor CellsveFLT:1) - שני מכשירים להעברת חום הפקודים להפיץ חום ממקורות LED מרוכז לאזור מתפתל גדול יותר, לעתים קרובות בשילוב עם fins ומעריצים.
  • (FLT:0) קווידוקר קירוב:1 (FLT) - מערכות סגורות באמצעות מים או נוזלים דיאלקטריים, לעתים רחוקות בשימוש אורות גדלים בשל עלות ומורכבות, אך החלים במערךים קיצוניים.

Ansys Fluent יכול לדמות את כל האסטרטגיות האלה, המאפשר למהנדסים להשוות ביצועים תרמיים על פני מושגים קירור שונים מוקדם במחזור העיצוב.

שימוש ב Ansys Fluent for thermal Analysis

Ansys Fluent הוא פותר CFD למטרות כלליות המשתמש בשיטה סופית לפירוק משוואות Nvier-Stokes, משוואות אנרגיה ומשוואה תחבורה קרינה.עבור LED גדל ניתוח תרמי אור, התוכנה חייבת להתמודד עם העברת חום conjugate (CHT) - הפתרון בו זמנית של התנהגות יציבה וזיהום נוזל בצד.

יצירת גאומטריה ומאשינג

השלב הראשון הוא פיתוח מודל תלת-ממדי של LED גדל אור ההרכבה, כולל חבילות LED, לוח מעגלים מודפס (PCB) או מתכת-core PCB (MCPCB), חומרי ממשק תרמיים (TIMs), כיור חום, ואת נפח האוויר שמסביב (התחום החישובי) ניתן לייבא הגיאומטריה מכלים CAD (למשל, SolidWorks, CATIA, Ansy SpaceimCim) או בצורת ישירות.

דור ה- PCB הוא צעד קריטי המשפיע על דיוק סימולציה ועלות חישובית.עבור בעיות העברת חום, מרש באיכות גבוהה נדרש לפתור את שכבות הגבול התרמית הדקות ליד ממשקים בעלי השפעה מוצקה ולתפוס נתיבים דרך שכבות דקות של TIM (לעתים קרובות 0.1-0.2 מ"מ) מהנדסים בדרך כלל משתמשים ב-FLT:0hybrid meshFLT: 1: Ax) חום (הוא מכיל תאים מורכבים או נוזליים) כמו מים ריקים (ממים) או נוזליים) באופן מדויק (ממים) או בינוניים)

שיטות הטובות ביותר עבור סימולציות LED תרמי כוללים:

  • החלת מינימום של 5-10 שכבות prism עם קצב צמיחה של 1.2-1.3 על פני השטח רטובים.
  • הבטחת הערך y+ בתאים ה- קיר-אדג'נט היא על סדר 1 לזרימה של לליטר או בסביבות 30-300 כאשר משתמשים בפונקציות קיר עבור הדבקה טבעית מטרידה.
  • סירוב לשד סביב מקורות חום ( שבבי LED) ופערים דקים (TIM שכבות).
  • ביצוע מחקר עצמאות מרש כדי לאשר כי תוצאות לא משתנות באופן משמעותי עם זיכוך נוסף.

תכונות חומריות ותנאים קשים

הגדרות חומריות מדויקות הן חיוניות לתוצאות משמעותיות.חומרים משותפים ותכונותיהם כוללות:

  • (FLT:0LED שבב (gallium nitride, GaNrea)FLT:1: מוליכות תרמית -130 W/mK (במטוס) אבל anisotropic; לעתים קרובות מודל מקור חום רב נפח עם קצב הדור הנגזר מחשמל מינוס פלט אופטי.
  • חבילת ה-0LED (גוף פלסטיק או פלסטיק) אנדרל 1: מוליכות טיפוסית 15-30 W/mK עבור oxide (Al2O3).
  • (FLT:0)MCPCBIRFLT:1: אלומיניום תת-קרקעי (200 W/mK) עם שכבה דיאלקטרית דקה (2-4 W/mK) ושרידים נחושת (400 W/mK).
  • (FLT:0) חומר ממשק קדמוני (TIM)BuildFLT:1: מוליכות 1-10 W/mK בהתאם לסוג (רווחה שנייה, מפלט, חומר לשינוי שלב).
  • (ב) ויקרא י"א: "ה' אלקים" (שם י"ד, כ"ד)
  • (FLT:0) AircioFLT:1; תכונות תלויות טמפרטורה ולחץ; עבור סחר טבעי בחללים סגורים, התוספת של Bousinesq משמש כדי מודלים שינויים צפיפות עם טמפרטורה.

תנאים קשים מגדירים את סביבת ההפעלה:

  • (FLT:0) Inlet/outletFLT:1: עבור זיהום טבעי, גבולות התחום חישוביים מוגדרים ככדורי לחץ וכלי רכב עם אפס לחץ מד וטמפרטורה מחממת (למשל, 25 מעלות צלזיוס) עבור הדבקה בכפייה, מהירות בlet עם פרופיל אחיד או מצב מעריצים מוחל.
  • (FLT:0)WallssveFLT:1: קירות מוצקים (משטחי כיור חמים, המתחם) עשויים להיות בעלי הרשאות ספציפיות מוגדרת לקרינה, בדרך כלל 0.8–0.9 עבור אלומיניום מחוספס.
  • מקור:0 (Heat OriginFLT:1): כל שבב LED מוקם קצב ייצור חום בנפח (W/m3) שווה (כוח כלי - כוח אופטי) / נפח השבבים.
  • (ב) ,0) ,GravityFLT:1: וקטור הכבידה מופעל עבור הדבקה טבעית; כוחות של buoyancy מניעים את הזרם.

מודלים לפיזיקה והגדרות Solver

פלורנט מציע מודלים מרובים להעברת חום וזרימה.עבור LED טיפוסי גדל אור עם זיהום טבעי או נמוך במהירות, ההגדרות הבאות מומלץ:

  • (ב) משוואה:0 (ב) משוואה: 1 (הופנה מהדף)
  • <חזק>Viscous Model: laminar עבור מספרי Rayleigh נמוכים (Ra < 109); עבור Ra גדול יותר או הכפייה כפויה עם אוהדים, k ⁇ או מודל SST k ⁇ משמש עם טיפול קיר משופר.
  • מודל ה-FLT:0 ,Radiation ModelFLT:1: מודל פני השטח אל-Surface (S2S) מעדיף להגביל את הגיאוגרפיה עם הבדלים בטמפרטורות בינוניות.הוא מהווה חילופי קרינה בין פני השטח באמצעות גורמים ראייתיים.
  • (ב) ,0)BuoyancyFLT:1: מודל הבולסינסינק יעיל ומדויק עבור הבדלים בטמפרטורות עד 50 K.
  • (ב) [15] ,0 solverveFLT:1: פתרון מבוסס לחץ על התכנסות מהירה יותר על בעיות מצב יציב.

מודל LED גדל אור בפירוט

סימולציה ריאלית מעבר LED יחיד. a טיפוסית של corture מבנית עשוי להכיל 10-200 נוריות בודדות מסודרים ברשת קבועה על מלבן או מעגלי MCPCB.הספא הבין-LED משפיע על צלב תרמי: אם דידות הן קרוב מדי, גלי החום שלהם אינטראקציה, העלאת הטמפרטורה הממוקדת המקומית וצמצום היעילות של מהנדסי הקובעת החום חייב להחליט אם כל מודל הוא נמוך יותר, או מפולקס, הוא נמוך יותר, הוא חום.

הכיור החום הוא לעתים קרובות המרכיב המורכב ביותר מבחינה גיאומטרית. a היטב מעוצבת עבור אור לינארי עשוי להיות שורות מרובות של סנפירים עם ספיגה מסוימת, בסיס, גובה פינט מאפשר מחקרים parametric כדי להעריך במהירות כיצד שינויים בדחיסות פינט, גובה, או חומר משפיע על טמפרטורת הצומת המקסימלי. לדוגמה, עלייה של 10 מ"מ בגובה עשוי להפחית את הטמפרטורה על ידי 3- C5 יכול להוסיף משקל אוטומטי.

העברת חום וזרימה אוויר: שיקולים מעשיים

ההתקנה של הסימולציה חייבת לקחת בחשבון את שלוש הצורות של העברת חום:

  • (FLT:0)ConductionveFLT:1; בתוך מרכיבים מוצקים (עמודיLED, מוכר, PCB, TIM, כיור חום) המפתן מטפל בזה דרך משוואה האנרגיה באזורים מוצקים, הדורש קישוריות מרש והתנהגויות תרמיות נכונות.
  • (FLT:0)ConvectionFLT:1; טבעי או כפויה.קונפדרציה טבעית מונעת על ידי buoyancy: אוויר חם ליד כיור החום עולה, שואב אוויר קריר יותר מלמטה.מסילה זה דורש שטח גדול מספיק חישובי (בדרך כלל 3-5 פעמים את המימדים) כדי למנוע חסימתם מלאכותי של הזרם.
  • <חזק>Radiation: לעתים קרובות מוזנחים בסימולציות של כיור חום מתכת בגלל הטמפרטורות הנמוכות יחסית (<100 ° C) וציפוי הרשאות גבוהות, אבל זה יכול לתרום 5-15% מסך העברת החום הכוללת.

קונורגנס דורש מעקב זהיר של שאריות אנרגיה (שאריות אנרגיה צריך לרדת מתחת 10-6 ומשתנה מפתח כמו הטמפרטורה הכיור חום ממוצע או שיעור דחיית החום הכולל.מודל מצורף היטב מתאחד ב 500-2000 גלגולים לניתוח מצב יציב. סימולציות טרנספורמטיביות (למשל, התנהגות חימום) עשוי להיות נחוץ עבור יישומים שבהם אורות מחזור / לעתים קרובות, אבל יציב הוא נורמה עבור פעולה לא מדינה.

תוצאות ואופטימיזציה של עיצוב

לאחר שהסימולציה מגיעה להתכנסות, לאחר עיבוד מגלה שפע של מידע.

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) וקטורים וזרימת שטף:1) מראה תבניות זרימת אוויר, אזורי החלמה ואזורי קיפאון מאחורי בסיסי כיור חום.
  • (ב) התפלגות ה-[[1924]]]]]], אשר מצביעה על כך שהחום מועבר ביעילות מצומת LED אל תוך ה-Ambient.
  • (ב) ,0) , 000 טמפרטורות טמפרטורות תמימות 1 של כל LED, נגזר מן הטמפרטורה בשכבה הפעילה של השבב.

מהנדסים משווים את התוצאות הללו כנגד קריטריונים עיצוביים (למשל, Tj < 105 ° C) אם נקודות חמות מעל סף, העיצוב משתנה:

  • (ב) ,0) ,השטח על פני השטח של finer 1: finer, יותר fins, או הוספת פינים פינים עבור הפרעות משופרות.
  • (ב) ,0) שיפור זרימת האוויר של חיל האוויר: התאמת fin ספאcing כדי למנוע שכבת גבול מתמזגת, להוסיף vents to the דיור, או מעריצים לחיסול אזורי מתים.
  • (ב) ,0) ,UV (ב) , (ב) , (ב) , (ב) , ).
  • (FLT:0) לחנך את הדור החום של חום (FLT:1: לנהוג נוריות בזרמים נמוכים יותר (אם מטרות PPFD מאפשרות) או לבחור נוריות יעילות יותר.

לולאת אופטימיזציה הרצינית מואצת מאוד באמצעות CFD. במקום לבנות ובדיקה של 10 אבטיפוס פיזי, מהנדס יכול לדמות 50 וריאציות עיצוב בשבוע.יתר על כן, Ansys Fluent יכול להיות יחד עם כלים אופטימיזציה מובנה (למשל, אופטימיזציה לאחור או Generic Algorithm) כדי לחפש באופן אוטומטי את הגיאומטריה הממזערת את הטמפרטורה תוך עמידה על משקל, או יכולת אדם.

מחקר: אופטימיזציה של 200-וואט קואר גדל אור

שקול 200 LED גדל אור המיועד צריפים חקלאיים אנכיים.העיצוב הראשוני הופיע 400 מ"מ × 200 מ"מ חום אלומיניום כיור עם 20 מ"מ גבוה פינים שטח 8 מ"מ בנפרד, קריר באופן פסיבי. Ansys Fluent סימולציה חזו טמפרטורה מקסימלית של 112 מעלות צלזיוס על ambient של 25 מעלות צלזיוס - above את יעד 105 מעלות צלזיוס.

המעצב שינה את כיור החום על ידי הוספת ערוץ מרכזי (החלקה של מערך ה-fin לשני בנקים) והגדלת גובה פין ל-30 מ"מ.הסימולציה החדשה מראה צומת של 98 מעלות צלזיוס, בהצלחה עמידה בדרישות.בנוסף, הוספת אוהד נמוך 120 מ"מ בקצה אחד ירד הטמפרטורה עוד יותר ל 82 מעלות צלזיוס, אם כי עלות של 3 של צריכת חשמל ורעש אקוסטי.

אימות בוצע על ידי בניית אבטיפוס ומדידה טמפרטורות thermocouple על בסיס MCPCB ובטיחות חום.תוצאות הסימולציה תואמות בתוך ±3 ° C, המאשר את הדיוק של המודל. אימות כזה חיוני לבניית אמון בתוצאות CFD ועדכון שיטות סימולציה כאשר חומרים חדשים או גיאוגרפיה מוצגים.

מסקנה: Thermal Simulation כאבן הפינה של עיצוב LED Horticultural

ניתוח תרמי עם Ansys Fluent הוא צעד חיוני בעיצוב נורות אמין ויעיל LED גדל עבור יישומים חקלאיים. על ידי הבנה של מנגנוני פירוק חום - המוליכים דרך הערימה, הדבקה משטחים חום, וקרינה בתוך הדיור - גורמים יכולים לספק מוצרים כי לשמור טמפרטורות צומת יציבות, תפוקת אור עקבי, וחיים תפעוליים ארוכים.

כמו תאורה כפרית ממשיכה בקנה מידה של מתקנים גדולים יותר - חוות אנכיות תעשייתיות, מערכות מזחלות מרובות מעוותות, ומזג אווירי חממה - האתגרים התרמיים הופכים מורכבים יותר בשל חימום הדדי בין תיקונים לבין הסביבה המאתגרת של הסביבה. מגמות עתידיות כוללות את השילוב של CFD עם מודלים פוטוביולוגיים חישוביים לייעל ביצועים תרמיים וספקטרוםיים, השימוש של ייצור עבור שפעת מתאימה, כמו גם דרישות גיאומטריות איטיות, לא יכול להיות מסוגלות יותר.

עבור מהנדסים המבקשים ללמוד יותר על יישום CFD לניהול תרמי LED, מספר משאבים מציעים הדרכה טכנית עמוקה יותר:0; Ansys Fluent Product PageFLT:1 מספק תיעוד ומקרה; ה-FLT:2LED מקצועי ibph: 3D מגזינים:0; 000 תכונות קבועות על עיצוב תרמי; ומחקר בכתבי עת כגון FLTDApplied EngineeringFalrated;2LED:2LEDs:2LEDs מקיפים את שיטות תחזוקה, אך ניתן להגדיל את התכונות של תחזוקה מינימליות אלה, אך ניתן להגדיל את הטכניקות תחזוקה מינימליות יותר, אך ורקדה, אך ניתן להפיץ תכונות עיבוד מודלים קריטיות, אך ורקדה, 000.