城市道路照明

1、新型LED城市道路照明系統(tǒng)1 引言公共城市照明在照明市場上占有龐大的份額，根據(jù)統(tǒng)計，城市公共照明在我國照明耗電中占30%的比例，約439 億kwh，以平均電價0.65 元/kwh 計算，一年開支285 億元。目前，廣泛應用于城市公共照明的是高壓鈉燈，特別是在主干道上，高壓鈉燈可以提供100lm/W 以上的發(fā)光效率。但其本身的缺憾也很明顯：光源的光譜成分偏黃，顯色指數(shù)極低；燈具的壽命短，更換工作量大；不便于對于燈的功率進行調(diào)節(jié)；隨著20 世紀90 年代固體物理學的高速發(fā)展和新半導體材料的突破性發(fā)現(xiàn)，近10 年來LED 技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展。白光LED 的出現(xiàn)，以其特有的低電壓驅(qū)動、體積小、重

2、量輕、顯色性好、調(diào)光性能好、壽命長(達2 萬小時以上)、耐振動、不易損壞、符合環(huán)保要求等優(yōu)勢，使半導體光源將成為城市道路照明理想的節(jié)能光源。其顯著的優(yōu)點為：光效高。目前商業(yè)化的白光LED 光效已達到90-100lm/W 左右，預計2 年內(nèi)能達到150lm/W 以上，而這并非LED光效的上限，各國的專家都把光效地目標定在200lm/W 左右。壽命長。理想的目標是10 萬小時，而目前商業(yè)化的白光LED 壽命可到5 萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命要長10 一20倍。做成城市道路照明光源，則可以10 年不換光源，大大節(jié)省了日常的維護費用。便于對于燈的功率進行智能調(diào)節(jié)；可以附加二次光學系統(tǒng)，最大限度地利用LED

3、 的光能，滿足各種應用場合特定的照度與光強分布。近年來, 常規(guī)化石能源日趨緊張，石油、煤等常規(guī)能源價格不斷攀升,特別國際油價更達到歷史高位,造成了能源供應的形勢愈加嚴峻。由于LED 的這些顯著優(yōu)點和白光LED 技術(shù)的日臻成熟，開發(fā)高效、長壽、綠色環(huán)保的半導體光源城市道路照明系統(tǒng)，具有十分重要的意義。2 二次光學系統(tǒng)的設計道路照明系統(tǒng)不同于一般的照明燈具，其被照明的場是一矩形區(qū)域。表1-1 和表1-2 為國家路燈標準。根據(jù)國家公路照明標準，主干道的平均照度是15lx，均勻性為30%；次干道的平均照度是8lx,均勻性為30% ，其中均勻性為照射路面的最低照度/平均照度。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·

4、;LED照明中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明由于高壓鈉燈為全角360 度發(fā)光，通常在光源背面加上一個反光裝置使發(fā)出的光照射到路面上以提高能量利用。但是由于高壓鈉燈光源龐大，缺乏有效的光學裝置，高壓鈉燈在路面上形成的光斑通常是一個不均勻的圓斑：中心處很亮，而在徑向衰減很快。如圖（1）所示。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明為了達到國家照明標準的均勻性要求，通常不得不提高輸出功率使得周圍暗斑的照度主干道不小于5 lx,次干道不小于2.4 lx,然而大量的能量則浪費在路燈的正下方中心處和道路的外側(cè)，從而降低

5、了總的能量利用率。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明現(xiàn)有的LED 發(fā)光源是光強分布近似朗伯源的點光源，單個的功率都在1 瓦左右，而道路照明往往要求有特定形狀的被照光場，如國家規(guī)定主干道路燈的照明區(qū)域為10x50 平米的矩形區(qū)域。因此要組成道路照明系統(tǒng)，就不能簡單地將LED 組合一起，這樣形成的圓形光場將不利于光能的利用，無法滿足國家標準對整個被照區(qū)域光照度均勻性的要求。如果能夠?qū)ED 芯片發(fā)出的光合理的分配道路面上面，在路面上面形成一個均勻照度的長方形區(qū)域，則可以在低的發(fā)光效率下實現(xiàn)高于高壓鈉燈的能量利用率。如圖（2）所示。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明下面我們從系統(tǒng)效率的角

6、度來估算不同路燈的光效，由表2 可見，LED 光源的系統(tǒng)效率要比傳統(tǒng)鈉燈的高很多。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明國內(nèi)生產(chǎn)各類道路照明燈具的生產(chǎn)廠家也不少。而目前在大功率LED 道路照明方面，一些工廠開始進行開發(fā)嘗試，但若是簡單地進行多芯片或多器件組合，則在實際的照射面積、有效面積的照度不均勻性等方面都很難達到國家的相關(guān)標準。也就無法將LED 路燈應用到支路照明、次干道照明進而拓展到主干道照明領(lǐng)域，而如果硬要為達標準而增加功率，則LED 高光效的特點就不復存在。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明要設計適用于半導體道路照明的高效光學系統(tǒng)，關(guān)鍵

7、問題在于設計出有效可靠的光學系統(tǒng)使得光源發(fā)出的光均勻的分配道路面上面，即解決有序地光能量的傳輸問題，而這正是非成像光學的一個主要的研究方向，即給定照度分布光學系統(tǒng)的設計。非成像光學是近幾十年來逐漸發(fā)展起來的專門研究光能量傳輸問題的新的光學分支，主要通過設計折射和反射表面 “有序”控制光線的光學系統(tǒng)，從而提高能量的傳輸效率。在點光源的近似條件下，上述給定照度分布問題的解可以抽象成一個數(shù)學模型。然而當在三維空間中考慮該問題時，該問題變成一個非常復雜的二階非線性蒙特安培偏微分方程，人們進行了各種各樣的方法研究這個方程的解法67。由于求解過程非常復雜，在特定的邊界條件下得到的解并不具有實用價值，無法得

8、出實用的光學系統(tǒng)。我們的研究為解決非成像光學中給定照度問題提供一個新的解決方法和理論依據(jù)，能夠更方便地將非成像光學應用到半導體照明領(lǐng)域的光學系統(tǒng)設計，能更好地收集和利用光源發(fā)出的大角度光線，能更好地發(fā)掘LED 的潛力，據(jù)此設計出全新的LED 道路照明系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的光效，形成自主只是產(chǎn)權(quán)。新的理論與方法也將適用于其它半導體照明應用領(lǐng)域的非成像光學系統(tǒng)設計，如采用LED 作為光源的新型汽車車燈、投影儀光源、背光源照明設計等方面。因此通過改進道路照明的結(jié)構(gòu)來提高傳輸效率，具有很大的提升空間。一種較實用的方法是采用非成像光學的原理設計特殊的光學系統(tǒng)，更合理地分配LED 發(fā)出的光能，可以在滿足國家標準

9、對光照度和均勻性要求的前提下，來提高道路照明系統(tǒng)的性能，盡量提高能量的利用率。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明3，新型路燈的設計在理論研究方面，主要解決半導體光源二次光學設計中三維非成像光學設計的難點，填補國內(nèi)外在這方面的空白，并能據(jù)此研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的城市道路照明應用產(chǎn)品。具有很多其他同類產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)越性：照度分布形狀合理：根據(jù)單顆LED 設計二次光學系統(tǒng)，其照度分布如圖3 所示，由于照射形狀是一個長方形，可以方便的拼接起一條沒有盲區(qū)的明亮道路，也就是可以在滿足國家道路照明標準的前提下，合理的將能量分配道路面上，有效地減少了浪費的能量。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照

10、明中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明高均勻性，高效率：新型路燈的另一個優(yōu)勢就是在照明區(qū)域內(nèi)具有很高的照明均勻性，均勻性優(yōu)于國家規(guī)定的路燈照明標準的要求，這樣就可以在達到同樣人眼對亮度的感覺情況下，減少對路面照度的要求，進一步節(jié)約能源。使用靈活，安裝方便：目前，大功率LED 的發(fā)光效率已經(jīng)達到90lm/w,但是單顆LED 不能滿足道路照明的需求，因此需要多顆LED 拼裝成一盞實用的路燈。 由于每一個LED 都可以在整個矩形照明區(qū)域內(nèi)形成均勻的照度分布，因此可以根據(jù)實際路面的照明要求及燈桿的高度，簡單地改變LED 的數(shù)量，而不用改動光學系統(tǒng)，具有很高的使用靈活性。穩(wěn)定可靠圖4 是對高壓鈉燈L

11、ED 路燈在三天時間內(nèi)測量的光源照度均勻度的變化，可以清楚地看出，LED 路燈不但在空間上，在時間上也同樣比高壓鈉燈要均勻穩(wěn)定得多。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明使用壽命長從目前的光衰試驗結(jié)論來看，連續(xù)點亮5000 小時，基本無光衰，因此LED 路燈做到3-5 萬小時的使用壽命已經(jīng)是完全可以實現(xiàn)目標。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明4，結(jié)論多年來進行LED 路燈的研發(fā)并轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品，碰到和解決了很多問題，學校和企業(yè)注冊了五十項發(fā)明與實用新型專利。在此基礎上建起了全中國唯一大規(guī)模量產(chǎn)LED 路燈的廠家，擁有較多的應用案例，實際安裝已超過200 公里。LED 路燈產(chǎn)品在路面上應用了一年多，并做了六次重大產(chǎn)品改良，產(chǎn)品日趨成熟。在解決問題中積累的產(chǎn)品開發(fā)和工程應用的經(jīng)驗，可有助于用戶了解半導體照明產(chǎn)品的真實特性，增加選用信心，減少政治和技術(shù)的風險。半導體光源城市道路照明系統(tǒng)作為一個新的技術(shù)，在應用上還有許多難題，其中