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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      1.3  LED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、Louis Poulsen）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2  LED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 = 683 lm/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，从长远看LED灯具的散热问题将是一个长期存在的问题。

      2.2  路灯散热设计的方式选择      目前散热方式主要有：自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性低，热管和回路热管散热方式成本高而路灯具有户外夜间使用、散热面位于侧上面以及体型受限制较小等有利于空气自然对流散热的优点，所以LED路灯建议尽可能选择自然对流散热方式      2.3  散热设计中的误区      国内的灯饰企业较少有专门的人员和部门来做传热设计，这在LED照明时代将是一个错误的制度，会把企业带入一些误区具体而言，可能的问题有：      ⑴散热翅片面积随意设定      有的灯饰企业在为灯具加装翅片的时候，并没有定量的概念，而只是凭感觉来设计其面积，这是一个严重的错误      ⑵散热翅片布置方式不合理      灯具散热翅片的布置没有考虑到灯具的使用方式，影响到翅片效果的发挥      以LED路灯为例，散热面在灯具的侧上面，而且灯头存在安装倾角所以，一般地建议散热翅片沿灯具的C90方向排列，以便于散热翅片间空气的流动，而不是将散热翅片沿灯具的C0方向排列      ⑶强调热传导环节、忽视对流散热环节      目前，这个问题可能是一个普遍性的问题。

众多的厂家考虑了各种各样的措施：热管、回路热管、加导热硅脂等等，却没有认识到热量最终还是要依靠灯具的外表面积散走      ⑷忽视传热的均衡性      这个问题则是一个更深层次的问题如果翅片的温度分布严重不均匀，将会导致其中一部分的翅片（温度较低的部分）没有发挥作用或作用很有限3  光伏系统设计      LED的低能耗、低工作电压和太阳能电池组件的低输出功率、低输出电压之间的配合堪称绝配所以在讨论LED路灯的时候不能不讨论太阳能LED路灯      在开发和推广太阳能LED路灯的过程中，笔者了解到目前太阳能路灯中的一些问题下面将阐述这些问题，并提出一些新概念      3.1  不恰当的设计思想      （1）   使用LED之外的其它光源      笔者曾经遇到一位欧洲客户，希望我们为其开发以高压钠灯为光源的太阳能路灯照明系统这是一个错误，既说明当前太阳能照明市场的不成熟，也说明我们对客户的宣传教育没有到位      如果太阳能路灯系统使用LED以外的其它光源，不可避免地在充放电电路中要增加逆变电路而逆变电路至少带来20%的损耗，也就是说有20%峰瓦数的太阳能电池板被浪费掉了在目前太阳能电池板价格仍然居高不下的时期，这样的做法是很不明智的，也脱离了太阳能照明的初衷。

      （2）   盲目追求连续阴雨保证天数      当前，有一些厂家宣称自己的太阳能LED路灯可以保证15天的连续阴雨天数根据笔者的实际经验，5天的连续阴雨保证天数是比较经济合理的我们假定可以保证15天连续阴雨，这意味着太阳能电池板的峰瓦数要比5天连续阴雨保证天数所需的电池板峰瓦数高50～80%，同时蓄电池容量也要翻番这种设计方法在目前还不现实      （3）   系统参数固定      太阳能LED路灯系统的参数主要包括：太阳能电池板峰瓦数、太阳能电池板倾角、蓄电池容量、灯头标称功率      现在，很多厂家在推自己的产品时会给出一个固定的性能参数表实际上，这在太阳能LED路灯系统是不妥当的在众多参数中，灯头标称功率可以相对固定，而太阳能电池板峰瓦数、蓄电池容量和太阳能电池板倾角应该根据太阳能LED路灯系统的使用地点确定其中，太阳能电池板峰瓦数要根据当地多年来的太阳辐射资料、负载特征（例如：是冬季负载、夏季负载还是全年均衡负载）、客户对负载的工作时间要求来确定；蓄电池容量主要取决于客户对负载的工作时间要求；太阳能电池板倾角取决于当地纬度、当地多年来的太阳辐射资料等因素      由此可见，我们不能期望设计出一套太阳能LED路灯系统，对世界上各个地区、所有客户都是合适的。

真正经济合理的做法应该是根据用户的需求和特点临时设计系统参数      （4）   蓄电池容量与太阳能电池板参数不匹配      仅仅提高蓄电池的容量，而太阳能电池板的峰瓦数并没有相应提高这种设计并不能增加连续阴雨保证天数      （5）   以传统路灯的要求衡量太阳能路灯      由于太阳能的全年分布的严重不均匀性，以及当前太阳能电池板价格高昂两个因素的共同作用，我们很难以经济的方式使得太阳能路灯具备传统路灯同样的工作能力所以，目前以传统路灯的标准来衡量太阳能路灯，既不客观、也不公平3.2  一些新的概念      笔者根据实际设计中遇到的问题与自己的理解，提出以下概念，期望能得到广大光伏系统设计专家得指正：      （1）   满荷工作      定义：负载每天的实际工作时数等于设计工作时数      （2）   欠荷工作      定义：负载每天的实际工作时数小于设计工作时数      欠荷工作的一个特例是实际工作时数为0小时      （3）   满荷工作天数      定义：负载处于满荷工作的总天数满荷工作的日子里，太阳日照平均水平不小于全年平均日照水平      （4）   欠荷工作天数      定义：负载处于欠荷工作的总天数。

欠荷工作的日子里，太阳日照平均水平不大于全年平均日照水平      （5）   不保证天数      定义：负载工作时数为0小时的全年总天数定义为不保证天数不保证天数是出于经济性考虑而给出的一个量      在实际设计中，笔者建议设定一个不保证天数值根据笔者的理解这一值可以设计为3～5天      4   结束语      本文详细探讨了半导体照明技术应用于路灯照明需要面对和解决的三大块问题：二次光学设计、散热设计和光伏系统设计指出当前设计中常见的一些不妥当的设计思想，并根据笔者的经验给出相应的见解      随着全球能源形势的日益紧张和建设节约型社会理念的深入人心，半导体照明技术这一节能环保的新一代。