LED道路照明的光学系统设计技术及发展趋势

LED道路照明的光学系统设计技术及发展趋势清华大学深圳研究生院半导体照明实验室钱可元QianKeyuan采用LED路灯的疑惑1.LED的发光效率无法和高压钠灯相比；2.LED路灯光色不够亮，穿透性不够；3.LED的照射过于集中，其照射的均匀度差；4.LED路灯的长期光衰严重，寿命不长；5.LED路灯本身自重过重，不利于安装，防风；6.LED色温太高，刺眼;而高压钠灯色温低，舒适，穿雾能力强。7.LED路灯只适用于灯杆在8米以下的次干道。主干路宜采用低色温的高压钠灯。8.LED路灯造价过高，无法普及；城市道路照明的技术指标与设计依据城市道路照明系统追求的目标•城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例；•以439亿kwh，平均电价0.65元/kwh计算，一年开支285亿元。城市道路照明系统追求的目标应该是：只求够亮，不求最亮！衡量道路照明的技术指标•亮度分布的均匀性：亮度均匀的路面可以减少驾驶者眼睛由于不断适应明暗变化所起的疲劳感。Uo（平均均匀度）＝Imin/IavU1（纵向均匀度）＝Imin/ImaxImin－道路上最小亮度Imax－道路上最大亮度Iav－道路上平均亮度路灯国家标准平均亮度均匀度平均照度均匀度Lav(Cd/㎡)Lmin/LavEav(Lx)Emin/Eav支路Ⅳ眩光限制级别道路类型照度好不宜采用非截光型0.350.30.3快速路Ⅰ很好很好1.50.420好严禁采用非截光型灯具0.4诱导性亮度0.50.35次干路ⅡⅢ主干路及迎宾路8严禁采用非截光型灯具0.3510.3515不得采用非截光型灯具0.357术语解释目前,快速路和主干道的照度规定值偏低,至少20lx以上。路灯现状•高压钠灯–光效100lm/W(120lm/W)–主要用于主干道，快速路照明,照度25~50lx–单盏110～400W–均匀度0.35左右•节能灯–光效50~70lm/W，主要用于庭院照明道路照明光源的要求1.高光效；–必须满足总光通量的要求；2.长寿命；–要求能正常工作5年以上；3.有利于形成照度与亮度均匀分布的光场；4.耐候性；–温度、湿度、紫外辐射传统路灯的技术参数•高压钠灯–光效100lm/W(120lm/W)–主要用于主干道，快速路照明,照度25~50lx–单盏110～400W–均匀度0.35左右•节能灯–光效50~70lm/W，主要用于庭院照明灯具系统的效率光源效率灯具效率电源光学结构区域外的光照明利用系数要求照明区域LED路灯的优势－光学方面的优势•发光立体角小；–传统路灯发光的立体角为4π；•近似点光源，便于二次光学系统的设计；•均匀度有望大大提高(0.7)；•总的光效高；高压钠灯80-120lm/w照明效果比较的对象：高压钠灯。绝非白炽灯！LED路灯的光学设计1，传统城市照明光源面临的问题•显色指数很低(约为30)•在点亮时温度很高，产生严重的眩光•寿命较短，需要经常进行价格不菲的维护作业0510-5-10-1551015203025照度(lux)水平距离(米)传统城市照明光源LED路灯面临的光学设计问题•常规LED远场分布具有的朗伯型特征低端LED路灯存在的问题•基本没有光学处理单元，照明效果极差，节能效果不显著某一次干路(6车道，24米宽)的现有LED路灯实测：灯高10米，间距30米最高照度仅为14lux，最低照度仅为0.8lux，平均照度仅为4.8lux，均匀度仅为0.17。IESStreetlightDistributionPatterns•Thesepatternsarelargelybasedonthelightpatterncreatedbyexistingstreetlightingfixtures•MostcustomerswillwanttokeepthesepatternsbecausepeopleareusedtothemTypeITypeIITypeIIITypeIVTypeV新型LED路灯系统封装后的照度分布理论模拟图在35米长10米宽的矩形区域上能达到70%以上的均匀度透镜的效率达到了90%以上。LED路灯工程实例广东东莞莞龙路LED照明工程LED路灯工程实例广东东莞石龙1万多盏大功率LED路灯改造工程5.新型LED路灯与现有路灯的比较常规路灯现有LED路灯新型LED路灯测试条件6车道，24米宽，灯高12米，间距35米。6车道，24米宽，灯高10米，间距30米。6车道，24米宽，灯高12米，间距35米。路灯本身消耗功率(W)40072134实际耗电功率(W)50085158稳定平均照度(lux)20.64.8(不满足要求)21均匀度(Lmin/Lavg)0.40.17(不满足要求)0.4照明功耗密度(W/m2)(路面稳定平均照度20lux)1.160.43新型LED路灯与现有路灯的比较常规路灯现有LED路灯新型LED路灯测试条件6车道，24米宽，灯高12米，间距35米。6车道，24米宽，灯高10米，间距30米。6车道，24米宽，灯高12米，间距35米。照明功耗密度(W/m2)(按照路面稳定平均照度30lux来推算)1.730.65采购成本(元/盏)作为基准在高压钠灯基准的基础上增加约3600元每年所需电费(元)(计算依据：一天照明10小时，每年365天，电费以1元/度计)1825－577LED路灯光源的问题探讨LED路灯行业现状1、传统照明大企业观望、试水；2、众多小企业百花齐放;3、跳不出传统灯具束缚LED光源≠LED灯具;推广LED路灯的难点1.LED路灯成本高，一次性投入较大;2.技术规范与标准的滞后;3.专业部门的思维定势一时难以扭转;4.还缺乏配套的扶持与鼓励政策;5.人们对LED的认识有个过程，包括部分专家；春潮涌动1、LED性价比不断提高2、节能、环保、绿色的大潮流不可逆转。3、关键技术日趋成熟，二次配光和散热的研究已引起厂家更多的重视。4、政府支持的大好前景。谢谢各位