前言
LED照明技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展與積累，已進入商業(yè)化發(fā)展的快車道。而作為照明行業(yè)重要組成部分的道路照明在整個國家的照明耗電量中約占20～30%，地位舉足輕重。所以，發(fā)展和推廣半導體照明技術(shù)必然地就要考慮半導體照明技術(shù)在道路照明中的應用。一般地，在LED路燈的開發(fā)和推廣應用過程中都會遇到以下三方面的問題：二次光學設(shè)計、散熱設(shè)計和光伏系統(tǒng)設(shè)計。本文將就此做具體的闡述，以期起到拋磚引玉的作用。
1、二次光學設(shè)計
1.1 光學設(shè)計軟件的選擇
在照明領(lǐng)域目前國內(nèi)常用的光學軟件主要分為兩類：照明工程設(shè)計軟件和光學器件設(shè)計軟件。照明工程設(shè)計軟件的作用是依據(jù)現(xiàn)有配光分布確定的標準化燈具為用戶設(shè)計一套方案，提供相應的視覺需求。例如，DIALux、OxyTech、Agi32等就是比較常用的照明工程設(shè)計軟件；光學器件設(shè)計軟件的作用是依據(jù)光源的特點及期望的光學效果設(shè)計出相應的光學器件，例如LED用反光杯和透鏡。目前，做光學器件設(shè)計的常用軟件有ZEMAX、TracePro、 ASAP、LightTools等。
在選擇軟件的時候，要根據(jù)需要決定。市政設(shè)計院、道路照明工程公司主要使用照明工程設(shè)計軟件，而燈具廠家主要使用光學器件設(shè)計軟件。而且，即使是同類設(shè)計軟件，其側(cè)重點也不同。例如，TracePro用來做反光杯、反光罩設(shè)計比較方便，但用來做透鏡設(shè)計就很困難；而ZEMAX比較擅長做透鏡的設(shè)計。
在實際設(shè)計中，有時需要將不同軟件結(jié)合起來使用。
1.2 兩種光學器件的優(yōu)缺點
常見的LED用光學器件形式有反光杯和透鏡，各有優(yōu)點和局限性，應該根據(jù)需要來選擇。根據(jù)筆者的設(shè)計經(jīng)驗，如果要求光斑是圓形，使用反光杯比使用透鏡損耗要小；如果光斑為非圓形，反光杯本身將有一定的光損耗。另外，在處理20o以下光束角的配光需求時，反光杯會比透鏡笨拙很多。但是透鏡存在色散問題，這一問題難以從根本上解決，只能采取措施緩解色散的程度。可見，具體選擇哪一種光學器件要根據(jù)配光需求的特點來決定。
1.3 LED輻射型式的選擇
一般地，LED的輻射型式有朗柏型、側(cè)射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領(lǐng)域，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗筆者比較傾向于朗柏型和蝙蝠翼型這兩種型式。
1.4 一些不妥當?shù)挠^點
在當前的道路照明領(lǐng)域中可能存在一些不太妥當?shù)挠^點，作者歸納如下：
⑴ 過分強調(diào)燈具流明數(shù)和工作面高照度，忽視燈具應用場合和配光設(shè)計
這樣造成的結(jié)果就是：路燈中心照度太高，而均勻性不夠完善。既浪費能源，還沒有達到理想的效果；
⑵ 沒有將照明生理學納入燈具配光設(shè)計或照明工程設(shè)計
道路照明主要是明視照明，涉及照明生理學，要求工作面的足夠亮度、均勻性和無眩光。所以，路燈的功能并不僅僅是滿足亮度需求。
⑶ 不同配光需求的混同
路燈布置方式有單側(cè)布燈、兩側(cè)交叉布燈、兩側(cè)相對布燈、丁字路口布燈、十字路口布燈和彎道布燈等多種形式。路燈不同的布置方式，其對應的配光要求是不同的。如果所有的應用場合都使用相同的配光設(shè)計，是不恰當?shù)摹?/P>
⑷ 缺乏與光學軟件設(shè)計商的合作
目前，國內(nèi)的燈具制造商較少與光學軟件設(shè)計商的合作。例如，德國的著名照明計算軟件DIALux在眾多的世界著名照明廠商（如Philips、BEGA、 THORN、ERCO、OSRAM、BJB、Meyer、Louis Poulsen）支持下開發(fā)并提供相關(guān)技術(shù)服務。這本身也是讓自己的企業(yè)標準化、國際化的一個平臺，可以通過這一平臺將自己的產(chǎn)品信息以最快的速度反饋給最廣泛的潛在用戶。但是，國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)做過這項工作。
⑸ 沒有考慮到可以直接在LED自身的透鏡上做文章
LED本身就是一個完整的燈具系統(tǒng)，包含透鏡、發(fā)光源、熱沉、導線架等。如果能夠通過LED本身的透鏡設(shè)計實現(xiàn)配光需要，就不必再使用反光杯或透鏡這樣的二次光學系統(tǒng)，因為不論使反光杯還是透鏡都會帶來光損耗。
2、LED路燈散熱設(shè)計
2.1 散熱問題的長期性
目前，人們把主要的目光都放在了LED的流明數(shù)上，而對LED燈具的散熱則給予了較少的關(guān)注。實際上，LED的流明數(shù)正在迅速的增加。在剛剛過去的 2006年，量產(chǎn)LED的單瓦流明數(shù)已經(jīng)達到50流明，而且這一數(shù)值還在快速地增長。與之對應的傳熱學理論體系已經(jīng)成熟，我們可以使用的傳熱手段也基本明確：傳導、對流、輻射和相變傳熱（熱管就是相變傳熱的經(jīng)典范例）。正因如此，在傳熱或者說散熱問題上，我們可以采取的措施是可見的、有限的。
根據(jù)光通量（流明）與輻射通量（瓦）以下的當量關(guān)系：
其中，Km = 683 lm/w， 是光通量的比例尺， 是輻通量的比例尺。也就是說1W的輻通量在最理想的情況下（黑體輻射）可能產(chǎn)生683lm光通量。
由此可見，即使在某一天LED的光效達到200lm/w，也仍然只有不到 的能量轉(zhuǎn)化為光能輸出，而其余的都轉(zhuǎn)化為熱能。所以，從長遠看LED燈具的散熱問題將是一個長期存在的問題。
2.2 路燈散熱設(shè)計的方式選擇
目前散熱方式主要有：自然對流散熱、加裝風扇強制散熱、熱管和回路熱管散熱等。加裝風扇強制散熱方式系統(tǒng)復雜、可靠性低，熱管和回路熱管散熱方式成本高。而路燈具有戶外夜間使用、散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等有利于空氣自然對流散熱的優(yōu)點，所以LED路燈建議盡可能選擇自然對流散熱方式。
2.3 散熱設(shè)計中的誤區(qū)
國內(nèi)的燈飾企業(yè)較少有專門的人員和部門來做傳熱設(shè)計，這在LED照明時代將是一個錯誤的制度，會把企業(yè)帶入一些誤區(qū)。具體而言，可能的問題有：
⑴ 散熱翅片面積隨意設(shè)定
有的燈飾企業(yè)在為燈具加裝翅片的時候，并沒有定量的概念，而只是憑感覺來設(shè)計其面積，這是一個嚴重的錯誤。
⑵ 散熱翅片布置方式不合理
燈具散熱翅片的布置沒有考慮到燈具的使用方式，影響到翅片效果的發(fā)揮。
以LED路燈為例，散熱面在燈具的側(cè)上面，而且燈頭存在安裝傾角。所以，一般地建議散熱翅片沿燈具的C90方向排列，以便于散熱翅片間空氣的流動，而不是將散熱翅片沿燈具的C0方向排列。
⑶ 強調(diào)熱傳導環(huán)節(jié)、忽視對流散熱環(huán)節(jié)
目前，這個問題可能是一個普遍性的問題。眾多的廠家考慮了各種各樣的措施：熱管、回路熱管、加導熱硅脂等等，卻沒有認識到熱量最終還是要依靠燈具的外表面積散走。
⑷ 忽視傳熱的均衡性
這個問題則是一個更深層次的問題。如果翅片的溫度分布嚴重不均勻，將會導致其中一部分的翅片（溫度較低的部分）沒有發(fā)揮作用或作用很有限。
3、光伏系統(tǒng)設(shè)計
LED的低能耗、低工作電壓和太陽能電池組件的低輸出功率、低輸出電壓之間的配合堪稱絕配。所以在討論LED路燈的時候不能不討論太陽能LED路燈。在開發(fā)和推廣太陽能LED路燈的過程中，筆者了解到目前太陽能路燈中的一些問題。下面將闡述這些問題，并提出一些新概念。
3.1 不恰當?shù)脑O(shè)計思想
（1） 使用LED之外的其它光源
筆者曾經(jīng)遇到一位歐洲客戶，希望我們?yōu)槠溟_發(fā)以高壓鈉燈為光源的太陽能路燈照明系統(tǒng)。這是一個錯誤，既說明當前太陽能照明市場的不成熟，也說明我們對客戶的宣傳教育沒有到位。如果太陽能路燈系統(tǒng)使用LED以外的其它光源，不可避免地在充放電電路中要增加逆變電路。而逆變電路至少帶來20%的損耗，也就是說有20%峰瓦數(shù)的太陽能電池板被浪費掉了。在目前太陽能電池板價格仍然居高不下的時期，這樣的做法是很不明智的，也脫離了太陽能照明的初衷。
（2） 盲目追求連續(xù)陰雨保證天數(shù)
當前，有一些廠家宣稱自己的太陽能LED路燈可以保證15天的連續(xù)陰雨天數(shù)。根據(jù)筆者的實際經(jīng)驗，5天的連續(xù)陰雨保證天數(shù)是比較經(jīng)濟合理的。我們假定可以保證15天連續(xù)陰雨，這意味著太陽能電池板的峰瓦數(shù)要比5天連續(xù)陰雨保證天數(shù)所需的電池板峰瓦數(shù)高50～80%，同時蓄電池容量也要翻番。這種設(shè)計方法在目前還不現(xiàn)實。
（3） 系統(tǒng)參數(shù)固定
太陽能LED路燈系統(tǒng)的參數(shù)主要包括：太陽能電池板峰瓦數(shù)、太陽能電池板傾角、蓄電池容量、燈頭標稱功率。
現(xiàn)在，很多廠家在推自己的產(chǎn)品時會給出一個固定的性能參數(shù)表。實際上，這在太陽能LED路燈系統(tǒng)是不妥當?shù)摹Ｔ诒姸鄥?shù)中，燈頭標稱功率可以相對固定，而太陽能電池板峰瓦數(shù)、蓄電池容量和太陽能電池板傾角應該根據(jù)太陽能LED路燈系統(tǒng)的使用地點確定。其中，太陽能電池板峰瓦數(shù)要根據(jù)當?shù)囟嗄陙淼奶栞椛滟Y料、負載特征（例如：是冬季負載、夏季負載還是全年均衡負載）、客戶對負載的工作時間要求來確定；蓄電池容量主要取決于客戶對負載的工作時間要求；太陽能電池板傾角取決于當?shù)鼐暥取數(shù)囟嗄陙淼奶栞椛滟Y料等因素。
由此可見，我們不能期望設(shè)計出一套太陽能LED路燈系統(tǒng)，對世界上各個地區(qū)、所有客戶都是合適的。真正經(jīng)濟合理的做法應該是根據(jù)用戶的需求和特點臨時設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)。
（4） 蓄電池容量與太陽能電池板參數(shù)不匹配
僅僅提高蓄電池的容量，而太陽能電池板的峰瓦數(shù)并沒有相應提高。這種設(shè)計并不能增加連續(xù)陰雨保證天數(shù)。
（5） 以傳統(tǒng)路燈的要求衡量太陽能路燈
由于太陽能的全年分布的嚴重不均勻性，以及當前太陽能電池板價格高昂兩個因素的共同作用，我們很難以經(jīng)濟的方式使得太陽能路燈具備傳統(tǒng)路燈同樣的工作能力。所以，目前以傳統(tǒng)路燈的標準來衡量太陽能路燈，既不客觀、也不公平。
3.2 一些新的概念
筆者根據(jù)實際設(shè)計中遇到的問題與自己的理解，提出以下概念，期望能得到廣大光伏系統(tǒng)設(shè)計專家得指正：
（1） 滿荷工作
定義：負載每天的實際工作時數(shù)等于設(shè)計工作時數(shù)。
（2） 欠荷工作
定義：負載每天的實際工作時數(shù)小于設(shè)計工作時數(shù)。欠荷工作的一個特例是實際工作時數(shù)為0小時。
（3） 滿荷工作天數(shù)
定義：負載處于滿荷工作的總天數(shù)。滿荷工作的日子里，太陽日照平均水平不小于全年平均日照水平。
（4） 欠荷工作天數(shù)
定義：負載處于欠荷工作的總天數(shù)。欠荷工作的日子里，太陽日照平均水平不大于全年平均日照水平。
（5） 不保證天數(shù)
定義：負載工作時數(shù)為0小時的全年總天數(shù)定義為不保證天數(shù)。不保證天數(shù)是出于經(jīng)濟性考慮而給出的一個量。在實際設(shè)計中，筆者建議設(shè)定一個不保證天數(shù)值。根據(jù)筆者的理解這一值可以設(shè)計為3～5天。
4、結(jié)束語
本文詳細探討了半導體照明技術(shù)應用于路燈照明需要面對和解決的三大塊問題：二次光學設(shè)計、散熱設(shè)計和光伏系統(tǒng)設(shè)計。指出當前設(shè)計中常見的一些不妥當?shù)脑O(shè)計思想，并根據(jù)筆者的經(jīng)驗給出相應的見解。
隨著全球能源形勢的日益緊張和建設(shè)節(jié)約型社會理念的深入人心，半導體照明技術(shù)這一節(jié)能環(huán)保的新一代照明技術(shù)必將取代傳統(tǒng)的照明技術(shù)。屆時作為照明行業(yè)重要應用方向的道路照明也必定是半導體照明的天下。
|
