從配光設計角度談LED道路照明節能

在資源匱乏的當今時(shí)代，低碳經(jīng)濟、節能減排、綠色照明等相關(guān)題材屢見(jiàn)不鮮，國家倡導的LED固態(tài)照明技術(shù)由此迅猛發(fā)展起來(lái)。

　　1 序言

　　LED芯片制造商Cree于2010年3月宣稱(chēng)其芯片光效達到208lm/W（實(shí)驗室數據），而其成熟的主打產(chǎn)品已超過(guò)130lm/W?？梢灶A見(jiàn)，LED光源很快達到并超過(guò)傳統光源的光效，其節能效益逐漸顯現。

　　但是，在道路照明燈具研發(fā)過(guò)程中，仍然存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，如電源損耗、散熱技術(shù)，二次光學(xué)設計等，使得燈具的整體光效大打折扣，燈具系統效率不足75lm/W。到目前為止，LED道路照明仍然處在政府主導的示范性推廣階段，整個(gè)LED道路照明行業(yè)缺乏實(shí)際應用經(jīng)驗，燈具研發(fā)與照明應用之間存在一定的差距，例如，燈具二次配光設計和應用需求的差距，使得LED道路燈具的輸出光通量投射到路面上時(shí)，存在亮度不夠或利用系數過(guò)低問(wèn)題，從而導致了LED道路照明的節能效果并不理想。

　　本文將從配光設計的角度討論如何提高LED道路照明燈具的節能效果，提出除了滿(mǎn)足照度亮度均勻性指標外，有必要采用利用系數CU和照度亮度比E/L來(lái)評價(jià)道路照明燈具配光性能好壞，并總結了道路照明配光設計中的問(wèn)題。

　　2 評價(jià)道路照明配光設計性能的兩個(gè)重要指標

　　在LED照明行業(yè)內，節能是炒作的主要亮點(diǎn)之一，但從實(shí)際工程案例的經(jīng)驗來(lái)看，其節能效果卻遠遠不如廠(chǎng)家宣稱(chēng)的那樣可觀(guān)，如果在不犧牲照明等級和效果的情況下，甚至不如傳統高壓鈉燈節能。其原因很多，例如，散熱技術(shù)的問(wèn)題導致熒光粉在受熱之后出現老化，其轉換光效率降低；電源損耗問(wèn)題，許多廠(chǎng)家在評價(jià)LED節能效果時(shí)，不考慮電源損耗造成的系統光效下降；二次配光問(wèn)題，不少燈具的配光不合理，導致很多的光飄逸出路面，一部分光照射到距道路較遠的區域，不僅浪費能源，還導致光污染和光侵入等不良后果。行業(yè)內缺乏評價(jià)配光性能好壞的技術(shù)指標，而業(yè)內的光學(xué)工程師對道路照明的應用要求不甚了解，他們在做LED燈具配光設計時(shí)，主要目標則是滿(mǎn)足CJJ45—2006城市道路照明設計標準中規定的均勻度和眩光等方面的技術(shù)參數，而對什么樣的配光更適合道路照明了解不夠。CJJ45—2006標準主要是道路照明設計遵循的規范，對道路燈具配光設計構成的約束有限，而且該標準主要依據傳統光源制定，對方興未艾的LED道路照明而言，其約束力很低。

　　什么樣的配光更適合道路照明?簡(jiǎn)言之，就是用更少的光達到道路照明規范中規定的技術(shù)參數，并盡可能的提高均勻性、降低眩光值。但在配光設計時(shí)，由于缺乏技術(shù)指標來(lái)評價(jià)配光性能的好壞，導致行業(yè)內魚(yú)龍混雜的局面。好的配光設計，首先要滿(mǎn)足照度均勻度，這已經(jīng)在業(yè)內達成共識，一般的光學(xué)軟件都能實(shí)現照度均勻性模擬。由于目前尚無(wú)光學(xué)軟件載入道路路面亮度系數庫，光學(xué)設計者無(wú)法模擬不同材質(zhì)的路面亮度均勻性，所以行業(yè)內的多數配光設計無(wú)法滿(mǎn)足亮度縱向均勻度UL或總體均勻度UO，甚至行業(yè)內還沒(méi)有對亮度均勻性有足夠的認識。除了滿(mǎn)足照度及亮度均勻度以外，還需要考慮利用系數是否高，照度與亮度的比值是否夠低，是否具有節能效應。筆者在研究對比不同廠(chǎng)家的配光曲線(xiàn)后，提出采用利用系數CU和照度亮度比E/L來(lái)評價(jià)配光性能的好壞，足以凸顯其光學(xué)性能的優(yōu)劣。

　　2.1 利用系數(Coefficient of Utilization)

　　利用系數是指道路計算面接受到的光通量占燈具輸出總光通量的百分比，可由公式（1）計算，利用系數CU與平均照度E、功率密度LPD的關(guān)系由公式（2）和（3）得出。從公式（3）看出，功率密度LPD與利用系數CU成反比，即:提高利用系數CU，可直接降低功率密度LPD值，達到節能的效果，只有利用系數高的配光設計才能保證路面有足夠的照度與亮度。在傳統道路照明行業(yè)內，曾把公式（1）中的分母部分規定為光源光通量，由于LED的光源光通量受燈具影響因素較為復雜，比傳統光源的光通量難以界定，本文推薦采用燈具輸出光通量來(lái)定義利用系數，以便于計算和該技術(shù)指標的推廣。

　　式中CU———利用系數；

　　u———照射到道路計算面的光通量，單位：流明；

　　o———道路燈具輸出的總光通量，單位：流明；

　　E———平均照度，單位：勒克斯；

　　MF———維護系數，燈具使用過(guò)程中，燈具光通量輸出降低引起的照度降低因素；

　　W———道路路寬，單位：米；

　　S———燈桿間距，單位：米；

　　η———燈具的系統光效，成套LED燈具的輸出光通量除以耗電功率數，單位：流明/瓦；

　　LPD———功率密度，單位計算面積內的耗電功率。

　　一般來(lái)說(shuō)，燈桿高度越低、馬路越寬的應用場(chǎng)