LED路燈應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)分析

　夜晚來臨時(shí)，你駕車行駛在馬路上，路燈忠實(shí)地陪伴你，使你安全地回家。路燈帶給你的視覺舒適感受首先來源于路面的亮度比較均勻，然后馬路兩邊的人或物也能看見，使你能了解可能會(huì)突發(fā)的情況。路燈的照明達(dá)到了上述的要求時(shí)，它的配光一定是合理的。因此，如果你使用LED 路燈時(shí)，雖然它擁用較好光色、壽命長(zhǎng)、調(diào)光功能等優(yōu)點(diǎn)，它的配光水平仍然是致關(guān)重要的。目前，LED 路燈剛剛起步，需要不斷地完善，無論是路燈的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是散熱技術(shù)，都還在不斷改進(jìn)中。

　　LED 路燈和使用傳統(tǒng)光源路燈的光學(xué)設(shè)計(jì)方式是不同的。傳統(tǒng)光源路燈是通過使用反射器將一個(gè)光源的光通量平均分配到受照路面上。而LED 路燈的光源由非常多個(gè)LED 組成，通過設(shè)計(jì)每個(gè)LED 的投射方向，使受照路面獲得均勻的照度。

　　目前，LED 路燈在次干路和支路上的應(yīng)用前景非常好。次干路是城市中與主干路結(jié)合組成路網(wǎng)，起集散交通作用的道路。次干路的照度要求達(dá)到15lx，照度均勻度0.4，平均亮度要求達(dá)到1.0cd/m2，亮度總均勻度0.4，亮度縱向均勻度0.5，閾值增量≤10。達(dá)到節(jié)能水平的LED 路燈，在照明質(zhì)量達(dá)到以上要求的同時(shí)照明功率密度應(yīng)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)車道數(shù)≥4 條時(shí)，照明功率密度≤0.70，車道數(shù)4 條時(shí)，照明功率密度≤0.85。為滿足上述要求，LED 路燈的配光形狀應(yīng)有嚴(yán)格的要求。在馬路的縱向，光束應(yīng)投射到較遠(yuǎn)的地方，使得燈具的間距增大。在路燈的下方，光強(qiáng)應(yīng)是最小的，隨著仰角γ 增大，光強(qiáng)I′增大。當(dāng)I′和γ 滿足一定的函數(shù)關(guān)系時(shí)，路面能得到均勻的照度。此函數(shù)關(guān)系如下：　

　　當(dāng)然，由于光學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，配光形狀難以完全符合此函數(shù)關(guān)系，可以減小γ 角的投射范圍，減少燈間距來得到均勻的照度。在馬路縱向，最大光強(qiáng)度的投射方向與馬路縱線應(yīng)成一定的角度c，角度c 的大小決定于馬路的寬度，見圖2。在垂直于馬路的方向上，路燈的配光曲線形狀也可以按這個(gè)函數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)，γ 角的范圍決定于馬路的寬度(c=90o)和人行道的位置(c=270o)，見圖3。

　　目前，在許多工廠設(shè)計(jì)的LED 路燈中也不乏有配光姣好的例子。比如圖4 是一款120WLED 路燈的配光曲線。它的最大光強(qiáng)通過c 角15°，γ 角57.5°。c=0°、180、15°的配光曲線的形狀接近于公式1 的函數(shù)關(guān)系式。此燈具用在四車道的次干路上，雙側(cè)對(duì)稱布置，當(dāng)燈桿高度為8 米，燈具間距30 米時(shí)，照明質(zhì)量符合國(guó)家關(guān)于道路照明標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)果如表1。其照明功率密度(LPD)是0.70，也達(dá)到了對(duì)高壓鈉燈路燈的照明功率密度要求。

　　前面提到過LED 光源的半空間發(fā)光的特點(diǎn)，LED 光源在燈具內(nèi)使用，光源光通量的損失比高壓鈉燈或金屬鹵化物燈少。就目前來講，LED 光源的光效達(dá)不到高壓鈉燈或金屬鹵化物燈的水平，即相同功率的光源，光通量沒有高強(qiáng)度氣體放電燈高。但是，由于LED 光源的半空間發(fā)光的特點(diǎn)，使得LED 燈具的光通量輸出可以接近于高強(qiáng)度氣體放電燈燈具水平。當(dāng)路燈將光線照射到路面上，光線的投射方向只存在半個(gè)空間。高強(qiáng)度氣體放電燈的發(fā)光空間占據(jù)了整個(gè)空間，見圖5(a)。如果沒有燈具，光源的上半空間光線全部浪費(fèi)。使用燈具，反射器可以將上半空間的光線反射到下半空間內(nèi)，但反射器對(duì)光線的吸收作用，以及光線反射時(shí)受到光源自身的遮擋轉(zhuǎn)換成熱能，或反射器對(duì)光線二次反射的再吸收，光源的一部分光線損失了。

　　燈具效率是反映光源光線損失程度的參數(shù)。從小功率高壓鈉燈路燈(70W~150W)光度性能狀況來看，燈具效率一般處于65~75%的水平。以100W 高壓鈉燈為例，也就是說即使光源的光通量達(dá)到8000lm，路燈的光通輸出有5200lm~6000lm。LED光源在這方面是具有優(yōu)勢(shì)的，LED 的發(fā)光只存在于半個(gè)空間，見圖5(b)，在不用燈具的情況下，也能將光線100%投射到路面。對(duì)燈具需要設(shè)計(jì)的是在較小的角度范圍內(nèi)改變光線的投射方向，在這個(gè)過程中，光的損失是微小的。目前，LED 路燈的光效達(dá)到了40~50lm/W，以100WLED 路燈為例，燈具光通量輸出可以達(dá)到4000~5000lm。目前，LED 路燈才剛剛起步，相信不斷地加強(qiáng)設(shè)計(jì)力量，路燈的配光會(huì)更加優(yōu)化，最后達(dá)到完美。

　　目前，LED 路燈還不能用于主干路。主干路是連接城市各主要分區(qū)的干路，采取機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車分隔形式。機(jī)動(dòng)車在主干路上的行駛速度比次干路快，照明水平比次干路高。主干路的照度要求達(dá)到30lx，照度均勻度0.4，平均亮度要求達(dá)到2.0cd/m2，亮度總均勻度0.4，亮度縱向均勻度0.7，閾值增量≤10。達(dá)到節(jié)能水平的路燈，應(yīng)在照明質(zhì)量應(yīng)達(dá)到以上要求的同時(shí)照明功率密度應(yīng)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)車道數(shù)≥6 條時(shí)，照明功率密度≤1.05，車道數(shù)6 條時(shí)，照明功率密度≤1.25。主干路上大多使用250W 或400W 高壓鈉燈路燈，250W或400W 高壓鈉燈的光源光通量達(dá)到28000lm(250W)和48000lm(400W)。這種大功率路燈的燈具效率一般在75~85%之間，因此，燈具的光通量輸出最低也有21000lm。以一盞250W高壓鈉燈路燈為例，燈具效率83.5%，配光曲線如圖6 所示，其最大光強(qiáng)通過c 角10°，γ角70.0°。c=0°、180、10°的配光曲線的形狀良好。這款路燈可使用在四至六車道的主干路，路面照明質(zhì)量結(jié)果如表2。目前，光通量小是LED 路燈不能應(yīng)用在主干路上的主要原因。不同光通量檔次的燈具應(yīng)使用在不同級(jí)別的道路，否則，達(dá)不到節(jié)能的效果。

　　LED 作為新光源，應(yīng)在照明設(shè)備中充分利用它的優(yōu)點(diǎn)，改善它的缺點(diǎn)。LED 是嵌入照明器具中使用的，由于LED 芯片的發(fā)熱量大，在做成大功率燈具時(shí)遇到了困難。各公司目前正在努力解決的課題之一就是“散熱”。雖說發(fā)光效率越來越高，但LED 芯片的發(fā)熱量仍然很大。如果采取散熱措施，LED 芯片的溫度就會(huì)過高、導(dǎo)致芯片本身及封裝樹脂性能的惡化，從而最終引起發(fā)光效率的降低和壽命的縮短。LED 最重要的性能就是“長(zhǎng)壽命”，為了不影響這一指標(biāo)，就需要設(shè)法將芯片上產(chǎn)生的熱量散出去。改善LED 的發(fā)熱問題是攻克大功率照明燈具的關(guān)鍵。

表2

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