前言
LED照明技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與積累，已進(jìn)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(gè)國(guó)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(dǎo)體照明技術(shù)必然地就要考慮半導(dǎo)體照明技術(shù)在道路照明中的應(yīng)用。一般地，在LED路燈的開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用過(guò)程中都會(huì)遇到以下三方面的問(wèn)題：二次光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(xué)設(shè)計(jì)
1.1 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的選擇
在照明領(lǐng)域目前國(guó)內(nèi)常用的光學(xué)軟件主要分為兩類：照明工程設(shè)計(jì)軟件和光學(xué)器件設(shè)計(jì)軟件。照明工程設(shè)計(jì)軟件的作用是依據(jù)現(xiàn)有配光分布確定的標(biāo)準(zhǔn)化燈具為用戶設(shè)計(jì)一套方案，提供相應(yīng)的視覺(jué)需求。例如，DIALux、OxyTech、Agi32等就是比較常用的照明工程設(shè)計(jì)軟件；光學(xué)器件設(shè)計(jì)軟件的作用是依據(jù)光源的特點(diǎn)及期望的光學(xué)效果設(shè)計(jì)出相應(yīng)的光學(xué)器件，例如LED用反光杯和透鏡。目前，做光學(xué)器件設(shè)計(jì)的常用軟件有ZEMAX、TracePro、 ASAP、LightTools等。
在選擇軟件的時(shí)候，要根據(jù)需要決定。市政設(shè)計(jì)院、道路照明工程公司主要使用照明工程設(shè)計(jì)軟件，而燈具廠家主要使用光學(xué)器件設(shè)計(jì)軟件。而且，即使是同類設(shè)計(jì)軟件，其側(cè)重點(diǎn)也不同。例如，TracePro用來(lái)做反光杯、反光罩設(shè)計(jì)比較方便，但用來(lái)做透鏡設(shè)計(jì)就很困難；而ZEMAX比較擅長(zhǎng)做透鏡的設(shè)計(jì)。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有時(shí)需要將不同軟件結(jié)合起來(lái)使用。
1.2 兩種光學(xué)器件的優(yōu)缺點(diǎn)
常見(jiàn)的LED用光學(xué)器件形式有反光杯和透鏡，各有優(yōu)點(diǎn)和局限性，應(yīng)該根據(jù)需要來(lái)選擇。根據(jù)筆者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，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(shí)，反光杯會(huì)比透鏡笨拙很多。但是透鏡存在色散問(wèn)題，這一問(wèn)題難以從根本上解決，只能采取措施緩解色散的程度。可見(jiàn)，具體選擇哪一種光學(xué)器件要根據(jù)配光需求的特點(diǎn)來(lái)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(jì)經(jīng)驗(yàn)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(dāng)?shù)挠^點(diǎn)
在當(dāng)前的道路照明領(lǐng)域中可能存在一些不太妥當(dāng)?shù)挠^點(diǎn)，作者歸納如下：
⑴ 過(guò)分強(qiáng)調(diào)燈具流明數(shù)和工作面高照度，忽視燈具應(yīng)用場(chǎng)合和配光設(shè)計(jì)
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(fèi)能源，還沒(méi)有達(dá)到理想的效果；
⑵ 沒(méi)有將照明生理學(xué)納入燈具配光設(shè)計(jì)或照明工程設(shè)計(jì)
道路照明主要是明視照明，涉及照明生理學(xué)，要求工作面的足夠亮度、均勻性和無(wú)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(duì)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(duì)應(yīng)的配光要求是不同的。如果所有的應(yīng)用場(chǎng)合都使用相同的配光設(shè)計(jì)，是不恰當(dāng)?shù)摹?/P>
⑷ 缺乏與光學(xué)軟件設(shè)計(jì)商的合作
目前，國(guó)內(nèi)的燈具制造商較少與光學(xué)軟件設(shè)計(jì)商的合作。例如，德國(guó)的著名照明計(jì)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(kāi)發(fā)并提供相關(guān)技術(shù)服務(wù)。這本身也是讓自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、國(guó)際化的一個(gè)平臺(tái)，可以通過(guò)這一平臺(tái)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(guó)內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)做過(guò)這項(xiàng)工作。
⑸ 沒(méi)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(gè)完整的燈具系統(tǒng)，包含透鏡、發(fā)光源、熱沉、導(dǎo)線架等。如果能夠通過(guò)LED本身的透鏡設(shè)計(jì)實(shí)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(xué)系統(tǒng)，因?yàn)椴徽撌狗垂獗�是透鏡都會(huì)帶來(lái)光損耗。
2、LED路燈散熱設(shè)計(jì)
2.1 散熱問(wèn)題的長(zhǎng)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(duì)LED燈具的散熱則給予了較少的關(guān)注。實(shí)際上，LED的流明數(shù)正在迅速的增加。在剛剛過(guò)去的 2006年，量產(chǎn)LED的單瓦流明數(shù)已經(jīng)達(dá)到50流明，而且這一數(shù)值還在快速地增長(zhǎng)。與之對(duì)應(yīng)的傳熱學(xué)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(dǎo)、對(duì)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(shuō)散熱問(wèn)題上，我們可以采取的措施是可見(jiàn)的、有限的。
根據(jù)光通量（流明）與輻射通量（瓦）以下的當(dāng)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(shuō)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(jiàn)，即使在某一天LED的光效達(dá)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(zhǎng)遠(yuǎn)看LED燈具的散熱問(wèn)題將是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。
2.2 路燈散熱設(shè)計(jì)的方式選擇
目前散熱方式主要有：自然對(duì)流散熱、加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、熱管和回路熱管散熱等。加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱方式系統(tǒng)復(fù)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(duì)流散熱的優(yōu)點(diǎn)，所以LED路燈建議盡可能選擇自然對(duì)流散熱方式。
2.3 散熱設(shè)計(jì)中的誤區(qū)
國(guó)內(nèi)的燈飾企業(yè)較少有專門(mén)的人員和部門(mén)來(lái)做傳熱設(shè)計(jì)，這在LED照明時(shí)代將是一個(gè)錯(cuò)誤的制度，會(huì)把企業(yè)帶入一些誤區(qū)。具體而言，可能的問(wèn)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(shí)候，并沒(méi)有定量的概念，而只是憑感覺(jué)來(lái)設(shè)計(jì)其面積，這是一個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤。
⑵ 散熱翅片布置方式不合理
燈具散熱翅片的布置沒(méi)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?zé)艟叩腃90方向排列，以便于散熱翅片間空氣的流動(dòng)，而不是將散熱翅片沿?zé)艟叩腃0方向排列。
⑶ 強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對(duì)流散熱環(huán)節(jié)
目前，這個(gè)問(wèn)題可能是一個(gè)普遍性的問(wèn)題。眾多的廠家考慮了各種各樣的措施：熱管、回路熱管、加導(dǎo)熱硅脂等等，卻沒(méi)有認(rèn)識(shí)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(gè)問(wèn)題則是一個(gè)更深層次的問(wèn)題。如果翅片的溫度分布嚴(yán)重不均勻，將會(huì)導(dǎo)致其中一部分的翅片（溫度較低的部分）沒(méi)有發(fā)揮作用或作用很有限。
3、光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)
LED的低能耗、低工作電壓和太陽(yáng)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(shí)候不能不討論太陽(yáng)能LED路燈。在開(kāi)發(fā)和推廣太陽(yáng)能LED路燈的過(guò)程中，筆者了解到目前太陽(yáng)能路燈中的一些問(wèn)題。下面將闡述這些問(wèn)題，并提出一些新概念。
3.1 不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)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_(kāi)發(fā)以高壓鈉燈為光源的太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)。這是一個(gè)錯(cuò)誤，既說(shuō)明當(dāng)前太陽(yáng)能照明市場(chǎng)的不成熟，也說(shuō)明我們對(duì)客戶的宣傳教育沒(méi)有到位。如果太陽(yáng)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(lái)20%的損耗，也就是說(shuō)有20%峰瓦數(shù)的太陽(yáng)能電池板被浪費(fèi)掉了。在目前太陽(yáng)能電池板價(jià)格仍然居高不下的時(shí)期，這樣的做法是很不明智的，也脫離了太陽(yáng)能照明的初衷。
（2） 盲目追求連續(xù)陰雨保證天數(shù)
當(dāng)前，有一些廠家宣稱自己的太陽(yáng)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)，5天的連續(xù)陰雨保證天數(shù)是比較經(jīng)濟(jì)合理的。我們假定可以保證15天連續(xù)陰雨，這意味著太陽(yáng)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(shí)蓄電池容量也要翻番。這種設(shè)計(jì)方法在目前還不現(xiàn)實(shí)。
（3） 系統(tǒng)參數(shù)固定
太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的參數(shù)主要包括：太陽(yáng)能電池板峰瓦數(shù)、太陽(yáng)能電池板傾角、蓄電池容量、燈頭標(biāo)稱功率。
現(xiàn)在，很多廠家在推自己的產(chǎn)品時(shí)會(huì)給出一個(gè)固定的性能參數(shù)表。實(shí)際上，這在太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)是不妥當(dāng)?shù)摹Ｔ诒姸鄥?shù)中，燈頭標(biāo)稱功率可以相對(duì)固定，而太陽(yáng)能電池板峰瓦數(shù)、蓄電池容量和太陽(yáng)能電池板傾角應(yīng)該根據(jù)太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的使用地點(diǎn)確定。其中，太陽(yáng)能電池板峰瓦數(shù)要根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄陙?lái)的太陽(yáng)輻射資料、負(fù)載特征（例如：是冬季負(fù)載、夏季負(fù)載還是全年均衡負(fù)載）、客戶對(duì)負(fù)載的工作時(shí)間要求來(lái)確定；蓄電池容量主要取決于客戶對(duì)負(fù)載的工作時(shí)間要求；太陽(yáng)能電池板傾角取決于當(dāng)?shù)鼐暥取?dāng)?shù)囟嗄陙?lái)的太陽(yáng)輻射資料等因素。
由此可見(jiàn)，我們不能期望設(shè)計(jì)出一套太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)，對(duì)世界上各個(gè)地區(qū)、所有客戶都是合適的。真正經(jīng)濟(jì)合理的做法應(yīng)該是根據(jù)用戶的需求和特點(diǎn)臨時(shí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)。
（4） 蓄電池容量與太陽(yáng)能電池板參數(shù)不匹配
僅僅提高蓄電池的容量，而太陽(yáng)能電池板的峰瓦數(shù)并沒(méi)有相應(yīng)提高。這種設(shè)計(jì)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(yáng)能路燈
由于太陽(yáng)能的全年分布的嚴(yán)重不均勻性，以及當(dāng)前太陽(yáng)能電池板價(jià)格高昂兩個(gè)因素的共同作用，我們很難以經(jīng)濟(jì)的方式使得太陽(yáng)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(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量太陽(yáng)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(shí)際設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)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(jì)專家得指正：
（1） 滿荷工作
定義：負(fù)載每天的實(shí)際工作時(shí)數(shù)等于設(shè)計(jì)工作時(shí)數(shù)。
（2） 欠荷工作
定義：負(fù)載每天的實(shí)際工作時(shí)數(shù)小于設(shè)計(jì)工作時(shí)數(shù)。欠荷工作的一個(gè)特例是實(shí)際工作時(shí)數(shù)為0小時(shí)。
（3） 滿荷工作天數(shù)
定義：負(fù)載處于滿荷工作的總天數(shù)。滿荷工作的日子里，太陽(yáng)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(fù)載處于欠荷工作的總天數(shù)。欠荷工作的日子里，太陽(yáng)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(fù)載工作時(shí)數(shù)為0小時(shí)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(jì)性考慮而給出的一個(gè)量。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，筆者建議設(shè)定一個(gè)不保證天數(shù)值。根據(jù)筆者的理解這一值可以設(shè)計(jì)為3～5天。
4、結(jié)束語(yǔ)
本文詳細(xì)探討了半導(dǎo)體照明技術(shù)應(yīng)用于路燈照明需要面對(duì)和解決的三大塊問(wèn)題：二次光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。指出當(dāng)前設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的一些不妥當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)思想，并根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)給出相應(yīng)的見(jiàn)解。
隨著全球能源形勢(shì)的日益緊張和建設(shè)節(jié)約型社會(huì)理念的深入人心，半導(dǎo)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(shí)作為照明行業(yè)重要應(yīng)用方向的道路照明也必定是半導(dǎo)體照明的天下。
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