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LED 高效节能路灯研究报告

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-09-02 10:36   来源:阿拉丁照明网  浏览次数:425
   LED 高效节能路灯研究报告

  一、研究背景
 
  随着工业化向信息化时代的转变,照明产业也由电器产品为主向电子产品有序推进。节能需求是最先引爆产品迭代的导火索,当人们意识到新型固态光源给社会带来诸多利好之时,产业得以迅猛发展!
 
  但LED照明产品应用初期由于光源光效偏低,人们通过加大功率维持亮度以满足应用需求,结果却发现照明初始光通量会随之迅速衰减。技术人员经研究发现,解决此类现象除了有效提高光源光效外,还应改进散热系统,使得产品架构更加符合半导体光源物理特点。当光源光效已经提升至170lm/w或更高流明时, 人们普遍认为产品技术的进步, LED照明可以媲美并超越传统光源。随着应用条件的愈加成熟,行业内甚至很少再听到散热、光衰等矮化LED照明产品的声音。 LED照明真的达到了尽善尽美、成熟稳定可以全面替代传统光源了吗?纽约州特洛伊市照明研究中心(LLRC)研究主任NadarajahNarendran说过,一支紧凑型荧光灯,如果搭配一套不合适的光学系统,就会损失高达70?的光输出。同样的,离开了正确的光学系统,LED那被热捧的效能也将不复存在。这一忠告再一次告诫照明从业者, 光源光效提升,散热系统的改进尽管在某种程度上改善了LED照明固有缺陷以及应用上的难题, 但并未从根本上解决高功率照明产品高品质、长寿命、稳定可靠问题,只有进一步深入研究LED做为功能性照明所表现出的“散热的即时性及透过配光实现光源光效利用率最大化”的深层次难题,才可以说从根本上实现了对传统照明的全面替代!为此,我们联合上海市城市设计研究院等相关单位共同组建课题组,对LED功能性照明产品开展深入研究,试图找出LED光源应用层面最优解决方案。
 
  二、研究思路
 
  1、2800K左右色温的LED,其光源光效(100~120Lm/W) 并没有明显的优于高压钠灯(100~120Lm/W)。LED应用于道路照明为什么会节能呢?
 
  2、道路照明的指向目标在于道路,二次配光技术依据道路照明的特性来设计是否能实现节能可能性?
 
  首先来分析道路照明形态与特性:
 
  (1)灯杆安装位置在路边,形成一光照角度不对称的现象;
 
  (2)路幅 : 灯杆高 : 灯距 = 1 : 1 : 3 (截光型灯具),形成一长方形被照射范围;
 
  (3)道路因车流量与车速限制的不同而分不同等级,不同等级的道路有不同的亮度与均匀度的要求。
 
  用传统光源照明性能评价方法评价LED路灯特性既不科学也过于牵强。本研究探讨采用照明利用率(coefficient of utilization)做为LED路灯的评价方法。LED 光源光效(Lm/W)无法真正反映LED路灯的能效。单颗LED在道路照明上其光通量无法单独成为光源;LED集成模块后因其所使用导热基板、热导移系统不同,其出光量并不等同于该LED光通量总和。
 
  因此,LED照明应注重的是灯具光通量而非光源光通量;应注重灯具光效而非光源光效。
 
  然而,灯具光效(Lm/W)并无法真正评价LED路灯的优劣。灯具光效是做为评估一般照明节能的一个重要指标,LED路灯做为功能性照明比一般照明多了个“二次配光”参数,而二次配光越均匀其灯具光效越低;因此仅凭灯具光效难以评价LED路灯的优劣。
 
  因此,照明利用率(路面光通量/灯具光通量)做为关键评价指标被锁定为本次研究的重点,即灯具光通量配置到被照对象上的比率大小才是真正有效的反应功能性照明优劣的关键所在!
 
  在满足照明规范的前提下对标照明利用率,功率成为衡量灯具产品性能的重要指标。功率大小决定了路灯灯具厂家对散热、光学、电源驱动技术水准的高低!
 
  鉴于此,本LED路灯照明系统研究目的试图验证:
 
  (a)LED 路灯的配光效果;
 
  (b)LED 路灯的节能效果;
 
  (c)LED 路灯智能调光的二次节能通过测试路段拟完成目标:
 
  (a)二次配光设计主要在机动车道与SR,照度均匀度须达到 0.35 以上。
 
  (b) 使用色温2800K的LED路灯,在机动车道上的平均照度不低于原高压钠灯的平均照度。
 
  (c)智能调光,通过 0~10V 调光驱动电源,让 LED 路灯与原高压钠灯平均照度相同情形下,测试相同照度节能水平。
 
  三、技术路线
 
  作为照明研发为主的科技型公司,我们清楚地认识到在道路建设中路灯配备和节能的重要性,也看到了LED路灯应用中必须突破的相关技术瓶颈。为此,结合道路照明设计工作提出了LED路灯照明系统的研究课题。联合相关设计单位共同研究开发出实用性的、代表未来先进理念的LED路灯照明系统。
 
  (一)反射式光学
 
  运用反射式光学原理设计导光板的高度与角度,将LED所发出的光导到所预计的地方。反射式光学的优点在于,车行垂直方向配光曲线分布角度可精准设计
 
  , 藉由两侧导光板可使光束分布角度涵盖路幅大一些,灯具效率高,照明利用率高,所以光学总利用率也高,适合灯杆高距比为3.5(含)以内。劣势则在于车行方向二次配光曲线与原LED一次配光曲线约相同,在灯杆高距比超过 3.5,要改变其车行方向的二次配光曲线,需将防水灯壳做成槽镜以增大其车行方向配光曲线的角度或采用自带纵向配光透镜光源来加大纵向出光角。
 
  (二)折射式光学
 
  折射式光学则是利用光波在不同介质(透镜)其行进方向不同的特性,控制LED光至不同地方。折射式光学的优点在,车行方向配光曲线分布很容易设计成最佳行车方向,配光曲线最大值在60~65度。劣势则是路宽方向配光曲线分布角度较不易设计。若是为了设计出窄(涵盖路幅大一些)的配光曲线分布,导致全反射光多,灯具效率较差,虽然照明利用率较高(因为出灯具窄的配光曲线分布光束大部分落在路面内),但是光学总利用率(灯具效率×照明利用率)还是偏低。为了提高灯具效率,因此设计须降低全反射光,所以设计出的路宽方向配光曲线分布角度宽,但是因为出灯具宽的配光曲线分布光束许多落在道路外,导致照明利用率较低,但是最后的光学总利用率(灯具效率×照明利用率)还是偏低。
QQ截图20190902113827
 
 
 
  2014 年LED 量产芯片光效可达160-180Lm/W,跨过了光热平衡点(170Lm/w),热耗损比重已略低于光输出比重。这意味着 LED 的散热问题越来越可被管理,但仍有一半的能量是以热的形式表现,需要被移除以保障 LED 高效运行不光衰。
 
  试验发现,电路铜箔存在瓶颈效应: 电路铜箔厚度增加,系统运作温度降低, 但热阻值也跟着上升,其中平衡点拿捏至关重要。
 
  除此之外,试验发现 LED 早期替代产品还存在以下弊端:
 
  (a)将散热鳍片外露于上,将导致鳍片因风吹雨淋而丧失散热功能。
 
  (b)试验发现,与将热源(光源)分散,将导致 LED 呈现面光源而造成重影(鬼影)现象。
 
  LED 路灯与高压钠灯路灯相同的是光、电部件都需要高防护等级,不同的是:
 
  (a) LED 路灯需要散热,壳体最好能自然对流;
 
  (b) LED 模块需要 IP65 以上的防护等级,保护其硅胶因空气接触而产生氧化变质。
 
  本研究以模块化理念,让各模块独立工作,使得各模块承担各自特有的防护措施,如 LED 模块防护等级高达 IP66,灯具外壳防护等级则不受此限。
 
  四、研究内容
 
  (一)配光(光型较正)
 
  道路照明配光曲线的设计有多种方法,本研究尝试在符合道路照明配光曲线规范(平均照度/亮度、均匀度、眩光限制、环境比等)的前提下,在不同的配光技术中研究如何提高照明利用率、降低灯具功率,以达最节能的目的。
 
  道路照明的配光曲线设计,需考虑车行方向与车行垂直方向(含环境比: 车行道外边 5m 宽状区域内的平均水平照度与相邻的 5m 宽车行道上平均水平照度之比)的需求。
 
  1、车行方向配光曲线最大值在 60~65 度为宜。若最大值在 70 度时,75 度以上的光束会太大导致 眩光值(TI)超标;若最大值低于 60 度时,Ul 不易达标(尤其是主干道 Ul≧0.7)。
 
  (1)灯距为灯高 3 倍时,光束分布角度需涵盖灯距一半以上(约 56 度);
 
  (2)灯距为灯高 3.5 倍时,光束分布角度需涵盖灯距一半以上(约 60 度);
 
  (3)灯距为灯高 4 倍时,光束分布角度需涵盖灯距一半以上(约 63 度);
 
  (4)75 度以上为眩光,因此需避免超过 75 度以上的光束分布。
 
  2、车行垂直方向配光曲线分布角度,以单侧配置一般路幅与灯高相同为例, 光束分布角度需涵盖路幅(约 45 度),所以路宽方向配光曲线分布角度需比 45 度大一些。
 
  (1)若大于45度太多时,光束会落在路面外,导致照明利用率下降;
 
  (2)但是若有要求环境比SR时,则需大于45度,使得光束部份会落在路面外以符合环境比SR要求,但是照明利用率会下降。
 
 
QQ截图20190902113725
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  (二)散热
 
  热传递的三种形式: 传导 (conduction) 、 对流 (convection) 、 辐射(radiation)。本研究尝试在这三种形式中找出最适合LED的散热技术。
 
  综合分析以上三种方式,经研究发现最适合LED特点的散热方式为传导散热。有些厂家为应对结温,采取加大散热鳍片表比面积,选用热阻效应小的母材并尽力减少母材壁厚等方式增大热熔以提高散热效率,但测试结果发现热沉温度虽有所下降,光衰却并未因热沉加大而明显改善!结温需要有导出过程,即,散热过程必须满足结温速率与传导速率及散发速率相匹配才会达致最好的散热效果!采用热管技术引导散热后经测试,结温平均维持在 75 度左右,接近理想状态。本项研究创新采用热管技术完美的解决了灯具散热问题!
 
  五、LED路灯较传统路灯成本优势分析
 
  LED 是利用半导体P-N结发光原理的固体光源。其发光效率已从 2007 年的量产达到 60lm/W,发展到目前的 204lm/W,已经超过传统高压钠灯光源的光效。大功率LED 管芯已有 1~5W/颗的产品。
 
  LED 在匹配的驱动线路下工作寿命远长于传统光源,且耐震,工作可靠。运行和维护成本低。回收物污染少。由于其生产成本的不断降低,目前每盏LED路灯的造价已经接近或低于传统高压钠灯的造价。
 
  该灯具的维护成本相比传统路灯照明也降低了不少。研究的内容是:
 
  1、LED 路灯高光效、长寿命研究:
 
  LED 单个管芯的出射光通量要满足等级道路的亮度需求和标准路灯的配光特性则需要多个 LED 单体的高度集成,并突破因热阻大而引起的光衰等技术瓶颈。所以,探索多个 LED 单体集成技术,满足单灯高光通点光源的传统形式,保持高光效长寿命安全可靠的特点是课题研究的重要内容之一。
 
  2、LED 路灯的配光系统研究:
 
  LED 发光点小,出射光有方向性。非各向同性的多个发光点的光源聚合体给传统的灯具设计方式带来了挑战。因此,针对 LED 光源的特点研究新的配光手段是课题研究的内容之二。
 
  3、LED 路灯模块化研究:
 
  为了 LED 灯具的安装维护方便,必须研究组件实现模块化的 LED 灯具,并探讨 LED 路灯灯具结构、安装、接线、控制等整个 LED 照明系统的标准化问题,这是课题研究的内容之三。
 
  4、LED 路灯的智能控制研究:
 
  随着 IT 技术和通信技术的发展,实现 LED 路灯的单灯监视与控制成为现实。实施路灯的单灯监控不仅能及时获得单个路灯的运行状态信息,还能够及时发现路灯的完好率。另外,鉴于 LED 灯具发光运行的特定原理,可以实现LED 路灯的平滑调光,达到合理节能的目的。
 
  LED 路灯的自动控制和调光技术是本课题研究的内容之四。
 
  六、研究结论
 
  本试验方案所得结论是依据相对比较值而不是绝对值(与原高压钠灯的对比)。
 
  结论 1:本研究之二次光学技术能把光有效的、均匀的、依设计所需重新配置。从下列测试数据实证:
 
  (1)将光有效的集中于机动车道的同时降低非机动车道的平均照度。机动车道平均照度高出原高压钠灯 31.4?;非机动车道平均照度分别降低了 18?与18.9?。
 
  (2)达到最佳的路面均匀度要求( Emin/Eav=0.5,次干道 0.35 高于CJJ45- 2015 主干道的要求 0.4)。
 
  结论 2: 透过本研究之二次光学技术能达到最佳的节电率;智能调光能更进一步实现LED路灯二次节能。从下列测试数据实证:
 
  在均匀度达标CJJ45-2006,色温 2800K 的前提下
 
  (1)节电率 43.39: 平均照度 38.4Lx (高于原高压钠灯平均照度 29.2)。
 
  (2)节电率 61.7: 平均照度 29.06Lx (原高压钠灯平均照度 29.2Lx)。
 
  (3)节电率 80.9: 平均照度 16Lx(CJJ45-2006 对次干道要求:10Lx- 15Lx)
 
  七、同类技术比较
 
  (一)LED 路灯具的研究,解决的关键技术是:
 
  1、采用“热管”导热技术对LED模块实施散热,瞬间将热导移至外,LED发光更有效率,延长LED使用寿命。
 
  2、采用“光反射”原理,将LED模块的光能通过“导光模组”以最大光源光效利用率将光强投射到需求界面。
 
  3、 LED灯具实现功能模块组装。
 
  (二)LED智能电源与控制系统的研究,解决的关键技术。
 
  1、在受控下能调节驱动LED模块的功率输出;
 
  2、通过标准的通信模块能接受路灯控制管理系统的遥控。
 
  (三)标准化研究,解决的关键技术是:
 
  1、如何实现LED灯具的模块化
 
  2、如何实现LED路灯的智能控制
 
  八、技术成熟程度
 
  (一)初始阶段
 
  2006 年 7 月 17 日,在上海市建委科学技术委员会七楼第四会议室,在上海市建设科技推广中心的组织下,由上海易永光电科技有限公司介绍了LED路灯的 研究思路,看到了LED作为新兴光源的发展潜力;虽然当时的LED光效才约 40Lm/W。
 
  上海市城市建设设计研究总院面临着 LED 路灯应用的形势,于 2006 年 11 月8 日联合了上海易永光电科技有限公司拟定了「上海世界博览会 LED 道路照明灯具科研计划」,并且于 2007 年 3 月正式作为上海市城建(集团)公司的科研项目,开始了对 LED 作为道路照明光源的可能性进行研究。
 
  2008 年 12 月,在苏州公司场地上第一次安装了我们研制的 LED 路灯,并且组织了上海市政工程局科技处、上海市城建(集团)公司科技处领导和城建院及易永光电的所有研究人员赴现场观看 LED 亮灯和实地测试。经过常州路灯所科技人员的现场对路面亮度、照度及均匀度的测试 LED 路灯的照明效果完全达到设计的要求。
 
  (二)灯具研制与实验阶段
 
  我们研究的第二代 LED 路灯于 2009 年 8 月 3 日,在北京路灯中心的支持下, 试安装在作为次干路的三里河东路。采用的是 180WLED 灯,取代 400W 高压钠灯灯高 12m, 灯间距 42m。照明效果完全达到国家标准 CJJ45 的要求。使用 4 年半至今完好,基本没有光衰和管芯的损坏。
 
  2010 年初,我们研制的 64WLED 灯具 30 盏,试装到常州高架道路上,由于基板绝缘胶的质量问题,灯具损坏不少只好拆下来成为了研究过程中的一个教训。
 
  (三)灯具应用的推广阶段
 
  上海易永光电科技有限公司作为设计研发生产加工企业,我们深刻的认识到LED 路灯的推广应用面临的问题是:LED 路灯产品日新月异,设计师不知如何按规格选择路灯,市场比较混乱,质量良莠不齐,定价不清,很难做工程预算,形成按瓦算钱的悖论。对于路灯的用户来说碰到的问题是:接口缺乏标准,产品无法互换,维护工作困难;非模块化生产的一体化路灯缺乏,维修时需替换整个灯具,增加劳动力和维护成本。
 
  为此,我们在研究中融入了“标准化”的理念。2012 年 4 月 20 日与上海市建设与交通委员会科技委、上海易永光电科技有限公司共同申请「市政道路半导体照明技术应用技术规范」的编制。为此 2013 年,作为参编单位参与了上海市地方规范《LED 道路照明应用技术规程》的编制,并且着手研究灯具所包含的各个器件能够模块化后如何方便拆卸,以及这些器件模块如何实现标准化。还研究了推广 LED 路灯应用中的标准化问题,诸如灯具安装接口、灯具驱动电流、电源模块安装位置、受控系统的通信标准等,均提出了研究成果。通过上海市南庄公路,上海迪士尼旅游度假区等标志性案例测试均达到了研究预期!
 
  (四)系统研究阶段
 
  随着 LED 路灯研究与推广的进程,LED 路灯融入城市路灯管系统的需求日益强烈, 也就是说要充分发挥 LED 路灯的优点,实现 LED 路灯实时监控和调光节能势在必行。为此,我们的研究工作又进入到“系统研究”的阶段,不仅是灯具的光学研究,还包括了灯具智能电源的研究、灯具受控的接口和通讯规约的确定等。鉴于道路照明智能化管理的重要性,2014 年 3 月 8 日,城建设计研究院与上海易永光电科技、上海路灯管理中心、上海路辉电子科技签署了合作研究 LED 路灯智能化应用的协议,实现对 LED 路灯工作状况的管理与监控,并能通过智慧控制手段实现 LED 路灯的二次节能。2014 年 12 月 15 日,在路宽 13m 双机动车道的次干道--上海高耀路成功安装了 21 套我们研究的第四代 LED 路灯,以 150W 功率取代 250W 高压钠灯的照明。经上海市经信委下属的权威机构“能效中心” 的现场照度测试表明:课题研究的 150WLED 路灯的照明效果完全可以替代原来安装的 400W 高压钠灯;节能效果如下:
 
  1、150W LED 路灯输出 100?光功率时,对路面的照度达到 38.4Lux,节电率达到 43.39?。
 
  2、150W LED 路灯输出 68?光功率时,对路面的照度达到 29.06Lux。节电率达到 61.7?。
 
  3、150W LED 路灯输出 31?光功率时对路面的照度达到 16Lux(是城市次干路照度标准的上限)。节电率为 80.9?。
 
  至此,我们的研究工作,历时八年的努力,最终的成果受到专家一致肯定并通过评价验收。
 
  九、推广应用前景分析
 
  1、“易耀”品牌 LED 高效节能路灯采用独特的“二次配光”自主知识产权应用技术,实现同类产品同比节能提升 50?的创新突破!从国际到国内获奖(2017 国际半导体照明联盟授予全球百佳案例、上海市节能产品奖、上海市嘉定区科技进步奖)、从理论到实践应用(上海市住建委科技处课题评审、工信部备案科技成果评价、奉贤、迪士尼三年以上项目典型案例)从现场实测到实验室检测(上海市能效中心权威实测及国家实验室 6000 小时光衰检测)都达到了行业的最高应用水准!
 
  2、“易耀”品牌 LED 高效节能路灯区别于同类产品最大特点:通过反射式非对称二次配光设计,最大限度强化被照面功能性照明的实际利用,实现了单位功率有效光通量最大化!这对消除城市光污染、减少对环境周边绿化(农作物) 生长节律的影响,降低城市照明运营及维护成本,促进城市道路光环境根本性转变具有积极意义,前景可期!
 
  3、坚定不移促进及推动合同能源管理,让功能性照明回归原本功能:精准照明、应照即照、因需照明、趋利避害。
 
  4、“易耀”品牌 LED 高效节能产品必将引领大功率户外照明产业朝更节能、更健康、更环保方向发展!
 
  十、存在问题与后续努力方向
 
  1、道路照明需多亮
 
  安装了 LED 路灯后,达到国家道路照明标准要求 CJJ45 的标准,还是安装了 LED 路灯后要达到现行道路照明亮度(超标如何实行城市监控?)
 
  2、道路照明,是照明道路还是兼顾景观照明?
 
  道路照明是要照亮路面,清楚的反射到驾驶者的眼睛,还是道路照明连周边景观都要照亮,让驾驶者看到更为广泛的场景?
 
  3、环境比 SR 该怎么定?
 
  在 CJJ45-2016/2013 规范了主干道/次干道对 SR 的要求,但支路/小区道路是没要求的。
 
  支路/小区道路,立灯后面常有行人走动,才是真正需要 SR;主干道/次干道立灯处常在隔离岛上,是否需要 SR ?
 
  4、显色系数该怎么定?
 
  高显色系数能提高物体分辨率,道路照明需要多高的显色系数?
 
  LED 的显色系数与光效成反比,如何在显色系数与 LED 光效间达到最佳平衡点?
 
  5、维护系数该怎么定?
 
  维护系数校正了光衰与环境尘埃对光通量的光损。LED 的光通维持率要求如何反映到维护系数的设定?
 
  6、LED模块的光通维持率的测试方法?
 
  LED模块的光通维持率与其散热系统有直接关联性。如何定义一个经济有效的LED 模块光通维持率的测试方法?
 
  课题研究总结
 
  光源光效的提升并不代表照明效率的提升,光源光效提升虽有效降低了功率密度,但经过透镜配光并未完全具有屏蔽光污染的能力(就路灯而言,所产生的“上视光及背光”约占灯具光通量的26?),功率密度降低空间有限。
 
  只有通过精准配光,将有效光强聚焦在需求界面,减少无效光,降低结温释放压力,LED光源特性才会最大限度的得到发挥!
 
  在保证需求界面照明强度的同时,降低产品输出功率,做到“应照即照、因需配光”!这才是未来半导体照明产业健康发展的根本出路。
 
  根据以上分析可以得出如下结论:光源光效提升凸显照明产业的进步,其更大意义在于,在应用层面上应更好的提升光源光效利用率以促进LED照明产品品质提升以及满足更大范围内的应用需求!
 
  1、LED路灯品质好坏取决于效能对比,即被照面在满足功能性照明前提下, 产品消耗功率越小,品质越好!
 
  2、光效利用率高低是检验半导体光源特性发挥好坏的重要指标!光源光效提高固然减少散热压力有助于灯具品质提升,但照明效率的提升才是LED路灯高品质,长寿命,高效节能的关键!
 
  3、单位需求界面有效光通量最大化,不仅解决了产品品质寿命问题,同时也实现了同类产品同比节能提高一倍的创新突破,必将引领户外功能性照明产业未来的发展方向!
 
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