كيفية حل مشكلة تبديد الحرارة في مصباح الشارع LED عالي القدرة؟

لماذا ترتفع درجة حرارة مصباح الشارع LED عالي القدرة — والتصميم التبريدّي الذي يعالجه

يحوّل مصباح الشارع LED بقدرة ١٢٠ واط ما نسبته تقريبًا ٣٥–٤٠٪ من الطاقة الكهربائية المُدخلة إلى ضوء، بينما تتحول النسبة المتبقية البالغة ٦٠–٦٥٪ إلى حرارة — أي ما يعادل ٧٢–٧٨ واط من الطاقة الحرارية التي يجب نقلها باستمرار من نقطة اتصال الصمام الثنائي (LED junction) إلى الهواء المحيط لمدة ١٢ ساعة كل ليلة، وعلى مدار ٣٦٥ ليلة سنويًّا، ولمدة عقدٍ كامل. وإذا تراكمت هذه الحرارة عند نقطة اتصال الصمام الثنائي أسرع مما تستطيع هيكلية المصباح تبديدها، فإن درجة حرارة النقطة ترتفع فوق العتبة الحرجة البالغة ٨٥°م — وهي النقطة التي يتسارع عندها انخفاض شدة الإضاءة (lumen depreciation) من انخفاض تدريجي بمعدّل ٣–٥٪ كل ١٠٠٠٠ ساعة إلى خسارة كارثية تتراوح بين ٢٠–٣٠٪ خلال الفترة الزمنية نفسها، فيصبح عمر المصباح LED المُصنّف أصلاً بـ ٥٠٠٠٠ ساعة عند مستوى L70 فعليًّا ٢٠٠٠٠ ساعة فقط.

تتكوّن سلسلة تبديد الحرارة في مصباح الشارع LED من أربعة روابط، ويُحدِّد أضعف رابطٍ منها درجة حرارة الوصلة. الرابط ١: الواجهة الحرارية بين شريحة LED ولوحة الدوائر المطبوعة ذات القلب المعدني (MCPCB) — وهي وصلة لحام أو طبقة لاصقة حرارية بسماكة تتراوح بين ٥٠ و١٠٠ ميكرون، ويجب أن تنقل الحرارة بأقل مقاومة حرارية ممكنة (أقل من ١,٥°م/واط في التطبيقات عالية القدرة). الرابط ٢: الواجهة بين لوحة الدوائر المطبوعة ذات القلب المعدني (MCPCB) ومبدِّد الحرارة الألومنيومي — وتكون عادةً طبقة من معجون حراري أو وسادة حرارية تملأ الفراغات الهوائية المجهرية بين السطحين، لأن الهواء موصل حراري أسوأ بعشرة آلاف مرة من الألومنيوم. الرابط ٣: مبدِّد الحرارة الألومنيومي نفسه — وهو هيكل مصبوب بالقالب يحتوي على زعانف مدمَّجة تزيد المساحة السطحية المعرَّضة للهواء المحيط بعامل يتراوح بين ١٠ و٢٠ مرةً مقارنةً بسطح مستوٍ له نفس البُعد. الرابط ٤: التوصيل الحراري السلبي — تدفق الهواء الطبيعي فوق زعانف مبدِّد الحرارة الناتج عن فرق درجة الحرارة بين سطح الزعنفة الساخن والهواء المحيط الأكثر برودة. لا مراوح، ولا مضخات — إذ يجب أن يبدِّد مصباح الشارع LED حرارةً مقدارها ٧٨ واط بصمتٍ وبلا أجزاء متحركة، لأن أي جهاز تبريد ميكانيكي يُدخل نقطة فشل ستتعطل قبل أن تفشل مصابيح LED.

هايرولكس، وهي مؤسسة وطنية متخصصة في التكنولوجيا العالية ولديها خبرة تزيد على ١٣ سنة في تصنيع إضاءة الشوارع الخارجية بالليد، تصمّم غلاف مصابيح الشوارع الليدية من ألومنيوم مُسبوك بالقالب، مع هندسة مُحسَّنة للزعانف — حيث تُحسب المسافات بين الزعانف وارتفاعها وسمكها بدقة حسب مدى القدرة المحدَّد (من ٣٠ واط إلى ١٢٠ واط لمصابيح الشوارع الليدية الشمسية، وتصل إلى ١٥٠ واط لمصابيح الشوارع الليدية التي تعمل بالشبكة الكهربائية)، وذلك لتحقيق توازنٍ مثالي بين الأداء الحراري والمتانة الإنشائية والوزن ومقاومة تأثير حمل الرياح على القطب.

العناصر التصميمية التي تُقرِّر نجاح أو فشل أداء التبريد

يجب أن توازن هندسة المُبرِّدات في غلاف مصباح الشارع LED بين ثلاثة متطلبات متنافسة. فزيادة المسافة بين المُبرِّدات (من ٨ إلى ١٢ مم) تحسِّن التبريد بالحمل الحراري السلبي لأن الهواء يمر بحرية أكبر بين المُبرِّدات، لكنها تقلِّل المساحة الإجمالية لسطح المُبرِّدات المتاحة لنقل الحرارة. أما تقليل هذه المسافة (من ٤ إلى ٦ مم) فيزيد من مساحة السطح، لكنه يقيِّد تدفق الهواء، وقد يؤدي تراكم الحرارة في القنوات الضيقة الناتج عن ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة الوصلة رغم زيادة مساحة السطح — وهي نتيجة غير بديهية أكَّدتها المحاكاة الحرارية. وتستخدم أغلفة مصابيح الشارع LED المصنوعة من الألومنيوم المصبوب تحت الضغط من شركة HAIROLUX مسافات مُحسَّنة بين المُبرِّدات، جرى التحقق منها عبر المحاكاة الحرارية لكل نطاق من استهلاك القدرة (الواط) الخاص بكل منتج، حيث يعمل الغلاف في الوقت نفسه كغلاف إنشائي (محمي ضد الرطوبة بمعيار IP65/IP66) وكمُبرِّد رئيسي — وهي تصميمات ثنائية الوظيفة تلغي الحاجة إلى واجهة حرارية منفصلة بين المُبرِّد والغلاف، والتي كانت ستضيف مقاومة حرارية.

التطبيق في العالم الحقيقي: اختبار مقاومة الحرارة على طريق سريع في الشرق الأوسط

حدَّدت مشروع إضاءة طريق سريع في المملكة العربية السعودية تركيب وحدات مصابيح شارع ليد بقدرة ١٥٠ واط على أعمدة ارتفاعها ١٢ متراً على طول طريق سريع صحراوي، حيث تتجاوز درجات الحرارة المحيطة في فصل الصيف بانتظام ٤٥°م خلال النهار وتبقى أعلى من ٣٥°م ليلاً — وهي ظروف تقلِّل بشكل كبير من كفاءة التبريد بالحمل الطبيعي لمصابيح شارع الليد، لأن الفرق في درجة الحرارة بين مشتت الحرارة والهواء المحيط ينخفض من نحو ٥٠°م (في درجة حرارة محيطة ٢٥°م) إلى نحو ٢٥°م (في درجة حرارة محيطة ٤٥°م). وقامت المشروع في البداية بتثبيت مصابيح شارع ليد من مورِّدٍ لم يُجرِ أي تحقق حراري لأداء هذه المصابيح في ظروف الحرارة العالية المحيطة؛ وبعد مرور ١٨ شهراً، انخفض إنتاج المصابيح من التدفق الضوئي بنسبة ٢٥–٣٠٪، ما جعلها لا تلبّي الحد الأدنى من معايير الإضاءة المطلوبة للطريق السريع.

استبدلت الجهة المختصة وحدات مصابيح الشارع الليد المعطّلة بمصابيح هايرولكس المصممة خصيصًا للبيئات ذات درجات الحرارة المحيطة العالية: زيادة مساحة سطح الأجنحة (أجنحة أعمق، وطول غلاف ممتد)، واستخدام مادة واجهة حرارية عالية الأداء بين لوحة الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات والمشتت الحراري، ومُشغّلات الليد المُصنَّفة للعمل في درجة حرارة محيطة تبلغ ٧٠°م بدلًا من الدرجة القياسية البالغة ٥٠°م. وبعد ثلاث سنوات من التشغيل في نفس الظروف الصحراوية، بلغ انخفاض التدفق الضوئي ٨٪ — وهو ما يقع ضمن المسار المتوقع للاحتفاظ بنسبة ٧٠٪ من التدفق الضوئي الأصلي (L70) لأكثر من ٥٠٬٠٠٠ ساعة. وأثبت التصميم الحراري لمصابيح هايرولكس الليد الخاصة بالشوارع أن التشغيل في بيئات درجات الحرارة المحيطة العالية قابل للحل عبر الهندسة، وليس قيدًا جوهريًّا في تكنولوجيا الليد.

الأسئلة الشائعة

ما هي أعلى درجة حرارة آمنة لمفصل الليد؟

٨٥°م هي درجة الحرارة القصوى القياسية لاتصال الصمام الثنائي الباعث للضوء في قطاع الإضاءة العامة لضمان عمر تشغيلي طويل. وفوق هذه الدرجة، يتسارع انخفاض التدفق الضوئي بشكل غير خطي. فعند ١٠٥°م، قد تصل صمامات LED المُصنَّفة لعمر افتراضي قدره ٥٠٠٠٠ ساعة عند مستوى L70 إلى هذا المستوى في غضون ١٥٠٠٠ ساعة فقط. وتُصمِّم شركة هايرولكس أنظمة التبريد الخاصة بمصابيح الشوارع LED بحيث تحافظ على درجة حرارة الاتصال دون ٨٠°م حتى في أشد الظروف الجوية سخونة.

لماذا يُستخدم الألومنيوم في هيكل مصابيح الشوارع LED؟

يتمتَّع الألومنيوم بموصلية حرارية تبلغ نحو ٢٠٠ واط/متر·كلفن — أي ما يعادل تقريبًا ٨٠٠ ضعف موصلية البلاستيك (٠٫٢٥ واط/متر·كلفن) و٥ أضعاف موصلية الفولاذ (٤٠ واط/متر·كلفن). كما يوفِّر الألومنيوم المُسبوك بالقالب مقاومةً هيكليةً عاليةً، ومقاومةً للتآكل، وإمكانية إعادة التدوير الكاملة. وتتكوَّن أغلفة مصابيح الشوارع LED من شركة هايرولكس من ألومنيوم مسبوك بالقالب ومزوَّدة بزعانف مدمجة لتبديد الحرارة.

هل يمكن أن تطيل أنظمة التبريد النشطة (مثل المراوح) عمر مصابيح الشوارع LED؟

التبريد النشط يقلل من درجة حرارة الوصلة على المدى القصير، لكنه يستلزم وجود مروحةٍ تبلغ عمرها الافتراضي عادةً ما بين ٣٠٠٠٠ و٥٠٠٠٠ ساعة — أي أقل من تصنيف مصباح الشارع LED الذي يبلغ ٥٠٠٠٠ ساعة فأكثر. وعند عطل المروحة، ترتفع درجة حرارة وصلة الـLED فجأةً وتتدهور مصابيح الـLED بسرعة. أما التبريد السلبي (المبدد الحراري + التوصيل الحراري الطبيعي) فلا يحتوي على أجزاء متحركة إطلاقاً ولا يُعرَّض لأي أنماط عطل — وهو التصميم المفضَّل لضمان طول عمر مصابيح شوارع الـLED.

كيف يؤثر تراكم الغبار على تبريد مصابيح شوارع الـLED؟

يؤدي الغبار العالق على زعانف المبدد الحراري إلى تشكيل طبقة عازلة تقلل انتقال الحرارة إلى الهواء المحيط بنسبة تتراوح بين ٥٪ و١٥٪ حسب سماكة الطبقة المتراكمة. أما تصاميم الزعانف ذاتية التنظيف — وهي زعانف مائلة نحو الأسفل ذات أسطح أملس — فهي تقلل من احتمال احتباس الغبار مقارنةً بالأسطح الأفقية. وقد أخذ تصميم زعانف شركة HAIROLUX في الاعتبار كلاً من الأداء الحراري ومقاومة التلوث.

هل يؤثر تصنيف الحماية IP لمصباح شارع الـLED على عملية التبريد؟

توفِّر درجات الحماية الأعلى (IP66 مقابل IP65) حمايةً أفضل ضد الرطوبة والغبار، لكنها قد تُقيّد تدفق الهواء الداخلي، ما يؤدي إلى احتجاز الحرارة داخل الغلاف المغلق. ويتمثّل التصميم الأمثل في تحقيق توازن بين الإغلاق (لحماية البيئة) ومسارات التوصيل الحراري التي تجاوز الحيز المغلق — فتنقل الحرارة عبر جدار الغلاف بالتوصيل، وليس عبر التجويف المغلق للهواء بالحمل الحراري. وتستخدم مصابيح الشارع LED من شركة HAIROLUX بدرجة حماية IP65/IP66 هذا النهج القائم على مسارات التوصيل الحراري.

كيف أتحقق من الأداء الحراري لمصباح شارع LED؟

اطلب من الشركة المصنِّعة تقرير المحاكاة الحرارية الذي يبيّن درجة حرارة الوصلة عند أعلى درجة حرارة محيطة متوقَّعة للمشروع، وليس عند ظروف المختبر القياسية البالغة 25°م. كما اطلب بيانات اختبار LM-80 الخاصة بنموذج LED المستخدم فعليًّا، وتوقعات TM-21 التي تأخذ بعين الاعتبار درجة حرارة الوصلة الفعلية للمصباح في موقع التركيب (وليس درجة حرارة الوصلة المثالية التي تحددها شركة تصنيع LED). وتقدِّم شركة HAIROLUX وثائق الأداء الحراري مع عروض الأسعار الخاصة بالمشاريع.