LED技术在道路照明中问题的探讨.doc

LED技术在道路照明中问题的探讨

2007-9-4
摘要：详细探讨了当前LED道路照明中二次光学设计、散热设计和光伏系统设计三大问题。
前言LED照明技术经过多年的发展与积累，已进入商业化发展的快车道。而作为照明行业重要组成部分的道路照明在整个国家的照明耗电量中约占20～30%，地位举足轻重。所以，发展和推广半导体照明技术必然地就要考虑半导体照明技术在道路照明中的应用。一般地，在LED路灯的开发和推广应用过程中都会遇到以下三方面的问题：二次光学设计、散热设计和光伏系统设计。本文将就此做具体的阐述，以期起到抛砖引玉的作用。1二次光学设计1.1光学设计软件的选择在照明领域目前国内常用的光学软件主要分为两类：照明工程设计软件和光学器件设计软件。照明工程设计软件的作用是依据现有配光分布确定的标准化灯具为用户设计一套方案，提供相应的视觉需求。例如，DIALux、OxyTech、Agi32等就是比较常用的照明工程设计软件；光学器件设计软件的作用是依据光源的特点及期望的光学效果设计出相应的光学器件，例如LED用反光杯和透镜。目前，做光学器件设计的常用软件有ZEMAX、TracePro、ASAP、LightTools等。在选择软件的时候，要根据需要决定。市政设计院、道路照明工程公司主要使用照明工程设计软件，而灯具厂家主要使用光学器件设计软件。而且，即使是同类设计软件，其侧重点也不同。例如，TracePro用来做反光杯、反光罩设计比较方便，但用来做透镜设计就很困难；而ZEMAX比较擅长做透镜的设计。在实际设计中，有时需要将不同软件结合起来使用。1.2两种光学器件的优缺点常见的LED用光学器件形式有反光杯和透镜，各有优点和局限性，应该根据需要来选择。根据笔者的设计经验，如果要求光斑是圆形，使用反光杯比使用透镜损耗要小；如果光斑为非圆形，反光杯本身将有一定的光损耗。另外，在处理20o以下光束角的配光需求时，反光杯会比透镜笨拙很多。但是透镜存在色散问题，这一问题难以从根本上解决，只能采取措施缓解色散的程度。可见，具体选择哪一种光学器件要根据配光需求的特点来决定。1.3LED辐射型式的选择一般地，LED的辐射型式有朗柏型、侧射型、蝙蝠翼型和聚光型几种。在道路照明领域，根据设计经验笔者比较倾向于朗柏型和蝙蝠翼型这两种型式。1.4一些不妥当的观点在当前的道路照明领域中可能存在一些不太妥当的观点，作者归纳如下：⑴过分强调灯具流明数和工作面高照度，忽视灯具应用场合和配光设计这样造成的结果就是：路灯中心照度太高，而均匀性不够完善。既浪费能源，还没有达到理想的效果；⑵没有将照明生理学纳入灯具配光设计或照明工程设计道路照明主要是明视照明，涉及照明生理学，要求工作面的足够亮度、均匀性和无眩光。所以，路灯的功能并不仅仅是满足亮度需求。⑶不同配光需求的混同路灯布置方式有单侧布灯、两侧交叉布灯、两侧相对布灯、丁字路口布灯、十字路口布灯和弯道布灯等多种形式。路灯不同的布置方式，其对应的配光要求是不同的。如果所有的应用场合都使用相同的配光设计，是不恰当的。⑷缺乏与光学软件设计商的合作目前，国内的灯具制造商较少与光学软件设计商的合作。例如，德国的著名照明计算软件DIALux在众多的世界著名照明厂商（如Philips、BEGA、THORN、ERCO、OSRAM、BJB、Meyer、LouisPoulsen）支持下开发并提供相关技术服务。这本身也是让自己的企业标准化、国际化的一个平台，可以通过这一平台将自己的产品信息以最快的速度反馈给最广泛的潜在用户。但是，国内只有少数企业做过这项工作。⑸没有考虑到可以直接在LED自身的透镜上做文章LED本身就是一个完整的灯具系统，包含透镜、发光源、热沉、导线架等。如果能够通过LED本身的透镜设计实现配光需要，就不必再使用反光杯或透镜这样的二次光学系统，因为不论使反光杯还是透镜都会带来光损耗。
2LED路灯散热设计2.1散热问题的长期性目前，人们把主要的目光都放在了LED的流明数上，而对LED灯具的散热则给予了较少的关注。实际上，LED的流明数正在迅速的增加。在刚刚过去的2006年，量产LED的单瓦流明数已经达到50流明，而且这一数值还在快速地增长。与之对应的传热学理论体系已经成熟，我们可以使用的传热手段也基本明确：传导、对流、辐射和相变传热（热管就是相变传热的经典范例）。正因如此，在传热或者说散热问题上，我们可以采取的措施是可见的、有限的。根据光通量（流明）与辐射通量（瓦）以下的当量关系：其中，Km=683lm/w，是光通量的比例尺，是辐通量的比例尺。也就是说1W的辐通量在最理想的情况下（黑体辐射）可能产生683lm光通量。由此可见，即使在某一天LED的光效达到200lm/w，也仍然只有不到的能量转化为光能输出，而其余的都转化为热能。所以，从长远