章教授对led道路照明的几点看法

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1、 LED 成为道路成为道路/街路照明用光源的几点看法街路照明用光源的几点看法 章海骢 上海市照明学会 一、绪言 目前道路照明大多使用 HID 光源，使用最多的是高压钠灯，同时金卤灯的使用也在增 加之中。而街路照明中使用 HID 光源和 CFL 光源.然后，为了节能的目的，在我国各地，正 越来越多地使用或试用 LED 做光源的道路灯具，势不可当，大有将传统光源(HID)贬下去的 势头。 近来国外将 LED 应用到道路和街路上的情况屡有报道12， 为了弄清楚道路照明中对 光的要求和倘若使用国外最高水平的 LED 在制造/应用道路/街路灯具时可能出现的情况， 特 别是与传统光源之间的比较，特作如下的

2、介绍和分析： 1、 目前国外使用的情况 据了解，将 LED 用于道路/街路照明的情况已屡见报道，最近的有： 1） 荷兰的海牙和爱特(Ede)，装了 PHILIPS 的 CityWind 的 LED 街路灯，见图 1，它 是一个内装 24 颗 3W 的 LED 灯具，见图 2。安装高度 4.6m 左右。 图 1 在 Ede 的 LED 街路灯 图 2 PHILIPS 的 CityWind 的街路灯 2） 加拿大的多伦多市的展览中心前的大路上，灯的功率是原来 HPS 灯的一半，见图 3。该市市长 David Miller 十分高兴地说： “这是第一步，它不但增加了安全，而且改善了我 们的环境” 。

3、并报道了多伦多市有 16 万个路灯，都这样改换的话，减少废气排放 18 万吨。 相当于减少了 3608 辆道路上行驶的汽车。 图 3 多伦多市展览中心前的大路上安装的 LED 道路灯白天(左)和晚上的效果 3） 阿联酋的迪拜也安装了美国 Leotek 公司的 LED 道路灯3和 Leotek 的灯具，见图 4。 装有 15 个 LED。 在下射光通中， 屋边的 1202 lm， 路边的 3505 lm。 全部光通量是 4707lm。 灯具的效能是 32 lm/W。 4） 美国的 Oakland 和大西洋城在美国能源部部署下 2007 年底也正在进行 LED 在道 路/街路上照明的示范项目(见本

4、文第五节)。 5） 克罗地亚的 Riva 安装了 Schreder 公司的 180W3000K 的街路灯共 15 盏 12 。 图 5 安装在克罗地亚 Riva 的 Schreder 生产的 180W 街路灯 2、 在国内，不少地方也安装了 LED 的道路灯 国内不少地方也在用 LED 做道路灯，在 2007 年上海召开的国际 LED 讨论会上的报道 最为集中4。然而，其照明质量有明显的问题，主要是两个方面的问题： 1） 路面亮度不均匀 见图 6 是一个安装高度为 12 米的案例。路面上出现严重的眼睛很容易感觉出来的光斑 不均匀-斑马线现象。 斑马线现象出现缘于路灯的配光曲线， 光束没有拉开并

5、投射到两个较远的角度。 把大部 分光通量射向灯下较近的地方， 使两灯之间的光通量不够， 更谈不上存在投射过另一个路灯 灯柱的远射光线了。 图 6 安装高度 12 米的 LED 路灯在路面上产生的斑马线 2） 环境比 SR 值不符合要求 图 6 上的照片给出的另一个问题就是在道路的两侧没有得到足够的照明， 除灯杆后面有 一点光以外，其他部分就显得非常暗。 利用许多颗 LED 光形的迭加得到路灯的全部配光的过程， 是 LED 路灯设计基础， 据此，可以比较方便地将射向路边的光线截止掉，这在有关文章4中有所报道，并用这样的图来 表示 LED 路灯的高效率，见图 7。从而减小 LED 路灯的使用功率达

6、到比使用传统光源更节 能的目的。然而，这是不符合道路照明要求的。 图 7 设计时光形在屋边截光的一个例子 3、 用 LED 做灯具的特点 LED 与传统光源在发光形态上最大的区别在于 LED 发出的光线是定向的，光源的光已 经得到了 “整形” （称光源配光或一次配光） ， 整形后的光通量就算它的出射光通， 也就是说， 只要根据照明要求，选择得当的话，从 LED 发出的大部分光线就能直接射向被照面，得到 充分利用，利用的比例远高于传统的光源。而对于传统光源来说，从发光体发出的光线，都 向空间的四面八方发散出去，部分光线可直接利用，许多光线只能间接利用（通过反射器后 才利用） ，光源光线的利用率自

7、然比较低，见图 8。 图 8 是一个筒灯的例子，从 CFL 光源发出的光只有很少的一部分直接射出，大部分光 线射向反射器后再落到被照面。灯具效率自然远低于 LED 灯具。 图 8 用 LED 做灯具与传统光源的不同 显然，用 LED 做成道路灯也有同样的优点。当然，一次配光的选择是十分重要的。 4、 有较好的配光 LED 路灯的设计例 国外有将不同光分布的 LED 颗粒装在一个 V 形底板的例子藉以得到较好的配光，见图 98。 图 9 Cree 推荐的路灯形式和三列 LED 各自的光斑和迭加的光斑 将 LED 的一次光学设计改变成能产生蝙蝠翼配光的透镜也不失为一种好的途径，见图 10 和图 1

8、1。 图 10 产生蝙蝠翼配光的透镜例 图 11 图 10 透镜产生蝙蝠翼配光的例 二、从道路照明的要求看灯具需要的光通量 国内外的道路照明的标准有四大指标，我国的也不例外5，见表 1。其中后两项特别是最后一项 SR(环境比)不为人们注意。其实不然，它直接涉及道路使用者的安全，因此在最 新修改的 CIE1156的版本中，不论什么等级的道路，SR 的数值都要求0.5。 因此， 在道路灯具的设计中不能忽略这部分的光通量。 不能只把设计局限于前面的两项： 亮度/照度和均匀度。 表 1 CJJ 45-2006 规定的道路照明要求 1、一个例子 下面举一例说明道路灯具设计时需要考虑的光通量：道路对象是三

9、车道，宽度 10.5m， 两灯间隔 30m，路面照度 30 lx 的 I 类道路： 考虑道路上的光通量： 宽度 10.5m 的道路上需要的光通量： 10.5m30m30lx/0.75(维 护系数)=12600lm。 考虑 SR 后的光通量： 宽度 10m(5m+5 m)的道路外两边上需要的光通量： 10m30m 15lx=4500 lm(暂不计维护系数带来的光通量的提高)。 两者相加就是需要照射在道路上的光通量是：12600+4500=17100 lm。 如由传统光源 250W 的 HPS 提供的话，因为光源光通量是 28000 lm(高光效的是 30000 lm)7，如能满足要求，此时的灯具

10、效率是 17100 lm/28000 lm=61%。显然是完全能够实现 的(目前的路灯效率约 70%以上)。 如换成 LED 光源，选择目前光效最高的 Cree 产品 Xlamp8, LED 的光效分三档：85 lm/W(色温 5000-10000K)、 68 lm/W(色温 3500-5000K)和 62lm/W(色温 2600-3700K)。 作为道 路灯用的光源，最高光效的光色显然不合适，当然最合适的是 2600-3700K，考虑到光效较 低，因此取 68 lm/W(色温 3500-5000K)作为计算对象。 Cree 产品 Xlamp 的光效是对结温 Tj=25而言的，当 Tj=75(

11、往往这也是通常散热好 时的数据),光通量下降 15%,见图 128,即光效下降为: 68 lm/W85%=57.8 lm/W。 图 12 Cree 的 Xlamp 的结温和相对光通量的关系 在不考虑 LED 路灯外面还有透光罩的情况下，就得到使用 LED 时需要的功率：17100 lm/57.8 lm/W.=296W(认为 100%利用了 LED 的光通量， 实际上是不可能的)。 因此， 可以说， 用目前最好的 LED 做成的 100%的光源光通量利用率的路灯产品，尚不能看到比传统的 250W 高压钠灯的节能效果。 在考虑 LED 路灯外面还有透光罩(透过率=0.9)的情况下, 需要 LED

12、的功率：17100 lm/(57.8 lm/W0.9)=17100/52=328W。显然是更不节能了。 2、灯具能效比的比较 因此，决定 LED 灯具是否可取代与现有的传统光源灯具的技术因素实际是两者的灯具 效能，即灯具输出的有用的光通量与输入的电功率之比。 像 HPS 路灯的灯具效能：28000lm0.61/(250+25015%(镇流器的功耗)=59.4 lm/W。 而 LED 路灯的灯具效能：57.8 lm/W0.9(透过率=0.9)0.85(效率高的驱动功耗)0.9(灯具 光线的利用系数)=39.6 lm/W。显然，与 250WHPS 相比，后者只是它的 2/3。尚存在较大的 差距。

13、3、评价灯具能效的门槛 用许多颗 LED 拼出有一定配光和一定数量的光通量后就可做成主干路次干道和支路 的各种路灯，但应比较它与应用传统光源灯具的效能水平，可以说，就当前 LED 的光效水 平来说，68 lm/W85%(Tj 引起的光衰)0.9(透过率=0.9)0.85(效率高的驱动功耗) 0.9(灯 具光线的利用系数)=39.6 lm/W 是一个衡量的门槛，若用传统光源做成的灯具的能效大于 40lm/W 的话，选用 LED 做灯的光源制成的灯具尚不节能。 4、对小功率的 HID 灯或 CFL 灯 由此看来，单从节能角度看，在主干道上，目前 LED 尚难与中功率的 HPS 灯相比，但 在次干道

14、和支路的路灯，因采用的是光效相对较低的 CFL 灯或小功率的 HID 灯，也有可能 是灯具的光学系统形式不同(如街路灯)，选择 LED 做光源还是可行的。 例如：对道路照明性质用的灯具，若采用光效是 85 lm/W 的传统的光源，仍然采用上面 的系统，那么系统能效是：85 lm/W0.61/(1+120%(镇流器的功耗)=43 lm/W，已接近上 面所述的门槛，余量不多了。 对街路灯/庭园灯来说，灯具的配光形式可能是 V 型(美国 IESNA 旋转对称)，采用 HID 灯的光学系统效率较低，采用 CFL 的光效又较低，所以 LED 就能显出其灵活的优点了。 三、从 LED 光源的亮度和配光想起

15、的 Cree 的 XLamp 的 LED 的亮度可从发光面的大小(4.5mm 的半球)和光通量 68lm 结合 配光图 13 计算得到下列参数：轴向光强：39.4cd，平均亮度约 2.5106cd/m2。 图 13 XLamp 的 LED 的相对光强分布 显然，LED 灯的亮度与 HID(3-6106cd/m2)处于相同的数量级。眩光问题的处理方法应 是相同的。 然后，LED 用自己的一次光学系统达到配光分布，而 HID 光源用反射/透射光学系统得 到的配光，两者的光束截光有比较大的区别，见图 14。造成灯具截光的不同，可能会影响 灯具的截光分类，在设计时必须小心。 图 14 LED 折射系统

16、和 HID 反射系统在截光上的不同 从图 14 可见，HID 光源的线径(电弧管直径)在 10mm 左右，反射器的宽度在 260mm 左 右，反射器对光源的张角约 4.40，而 LED 的发光体直径约 4.6mm，折射镜离发光体的距离 约 12mm，折射器对光源的张角约 110，出射后的张角在 170以上。远大于 HID 光学系统造 成的截光角度。 反映到整灯上的配光，为了照顾将最大的光强投射到较高的角度，LED 对上射光通的 控制就比较困难。 四、光色上的探讨 1、中间视觉下的普遍认识 眼睛在道路照明的环境中处于平均亮度是 0.03-3cd/m2的中间视觉的水平，从国内外的 标准看，都处于该区段内的偏亮水平(0.5-2.0 cd/m2)。在该区域内，眼睛的光谱灵敏度曲线 已与明视觉下的 V()有一定的偏离，因此，严格地说，现在用明视觉 V()制造