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LED 高效節能路燈研究報告

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-09-02 10:36   來源:阿拉丁照明網  瀏覽次數:425
   LED 高效節能路燈研究報告

  一、研究背景
 
  隨著工業化向信息化時代的轉變,照明產業也由電器產品為主向電子產品有序推進。節能需求是最先引爆產品迭代的導火索,當人們意識到新型固態光源給社會帶來諸多利好之時,產業得以迅猛發展!
 
  但LED照明產品應用初期由于光源光效偏低,人們通過加大功率維持亮度以滿足應用需求,結果卻發現照明初始光通量會隨之迅速衰減。技術人員經研究發現,解決此類現象除了有效提高光源光效外,還應改進散熱系統,使得產品架構更加符合半導體光源物理特點。當光源光效已經提升至170lm/w或更高流明時, 人們普遍認為產品技術的進步, LED照明可以媲美并超越傳統光源。隨著應用條件的愈加成熟,行業內甚至很少再聽到散熱、光衰等矮化LED照明產品的聲音。 LED照明真的達到了盡善盡美、成熟穩定可以全面替代傳統光源了嗎?紐約州特洛伊市照明研究中心(LLRC)研究主任NadarajahNarendran說過,一支緊湊型熒光燈,如果搭配一套不合適的光學系統,就會損失高達70?的光輸出。同樣的,離開了正確的光學系統,LED那被熱捧的效能也將不復存在。這一忠告再一次告誡照明從業者, 光源光效提升,散熱系統的改進盡管在某種程度上改善了LED照明固有缺陷以及應用上的難題, 但并未從根本上解決高功率照明產品高品質、長壽命、穩定可靠問題,只有進一步深入研究LED做為功能性照明所表現出的“散熱的即時性及透過配光實現光源光效利用率最大化”的深層次難題,才可以說從根本上實現了對傳統照明的全面替代!為此,我們聯合上海市城市設計研究院等相關單位共同組建課題組,對LED功能性照明產品開展深入研究,試圖找出LED光源應用層面最優解決方案。
 
  二、研究思路
 
  1、2800K左右色溫的LED,其光源光效(100~120Lm/W) 并沒有明顯的優于高壓鈉燈(100~120Lm/W)。LED應用于道路照明為什么會節能呢?
 
  2、道路照明的指向目標在于道路,二次配光技術依據道路照明的特性來設計是否能實現節能可能性?
 
  首先來分析道路照明形態與特性:
 
  (1)燈桿安裝位置在路邊,形成一光照角度不對稱的現象;
 
  (2)路幅 : 燈桿高 : 燈距 = 1 : 1 : 3 (截光型燈具),形成一長方形被照射范圍;
 
  (3)道路因車流量與車速限制的不同而分不同等級,不同等級的道路有不同的亮度與均勻度的要求。
 
  用傳統光源照明性能評價方法評價LED路燈特性既不科學也過于牽強。本研究探討采用照明利用率(coefficient of utilization)做為LED路燈的評價方法。LED 光源光效(Lm/W)無法真正反映LED路燈的能效。單顆LED在道路照明上其光通量無法單獨成為光源;LED集成模塊后因其所使用導熱基板、熱導移系統不同,其出光量并不等同于該LED光通量總和。
 
  因此,LED照明應注重的是燈具光通量而非光源光通量;應注重燈具光效而非光源光效。
 
  然而,燈具光效(Lm/W)并無法真正評價LED路燈的優劣。燈具光效是做為評估一般照明節能的一個重要指標,LED路燈做為功能性照明比一般照明多了個“二次配光”參數,而二次配光越均勻其燈具光效越低;因此僅憑燈具光效難以評價LED路燈的優劣。
 
  因此,照明利用率(路面光通量/燈具光通量)做為關鍵評價指標被鎖定為本次研究的重點,即燈具光通量配置到被照對象上的比率大小才是真正有效的反應功能性照明優劣的關鍵所在!
 
  在滿足照明規范的前提下對標照明利用率,功率成為衡量燈具產品性能的重要指標。功率大小決定了路燈燈具廠家對散熱、光學、電源驅動技術水準的高低!
 
  鑒于此,本LED路燈照明系統研究目的試圖驗證:
 
  (a)LED 路燈的配光效果;
 
  (b)LED 路燈的節能效果;
 
  (c)LED 路燈智能調光的二次節能通過測試路段擬完成目標:
 
  (a)二次配光設計主要在機動車道與SR,照度均勻度須達到 0.35 以上。
 
  (b) 使用色溫2800K的LED路燈,在機動車道上的平均照度不低于原高壓鈉燈的平均照度。
 
  (c)智能調光,通過 0~10V 調光驅動電源,讓 LED 路燈與原高壓鈉燈平均照度相同情形下,測試相同照度節能水平。
 
  三、技術路線
 
  作為照明研發為主的科技型公司,我們清楚地認識到在道路建設中路燈配備和節能的重要性,也看到了LED路燈應用中必須突破的相關技術瓶頸。為此,結合道路照明設計工作提出了LED路燈照明系統的研究課題。聯合相關設計單位共同研究開發出實用性的、代表未來先進理念的LED路燈照明系統。
 
  (一)反射式光學
 
  運用反射式光學原理設計導光板的高度與角度,將LED所發出的光導到所預計的地方。反射式光學的優點在于,車行垂直方向配光曲線分布角度可精準設計
 
  , 藉由兩側導光板可使光束分布角度涵蓋路幅大一些,燈具效率高,照明利用率高,所以光學總利用率也高,適合燈桿高距比為3.5(含)以內。劣勢則在于車行方向二次配光曲線與原LED一次配光曲線約相同,在燈桿高距比超過 3.5,要改變其車行方向的二次配光曲線,需將防水燈殼做成槽鏡以增大其車行方向配光曲線的角度或采用自帶縱向配光透鏡光源來加大縱向出光角。
 
  (二)折射式光學
 
  折射式光學則是利用光波在不同介質(透鏡)其行進方向不同的特性,控制LED光至不同地方。折射式光學的優點在,車行方向配光曲線分布很容易設計成最佳行車方向,配光曲線最大值在60~65度。劣勢則是路寬方向配光曲線分布角度較不易設計。若是為了設計出窄(涵蓋路幅大一些)的配光曲線分布,導致全反射光多,燈具效率較差,雖然照明利用率較高(因為出燈具窄的配光曲線分布光束大部分落在路面內),但是光學總利用率(燈具效率×照明利用率)還是偏低。為了提高燈具效率,因此設計須降低全反射光,所以設計出的路寬方向配光曲線分布角度寬,但是因為出燈具寬的配光曲線分布光束許多落在道路外,導致照明利用率較低,但是最后的光學總利用率(燈具效率×照明利用率)還是偏低。
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  2014 年LED 量產芯片光效可達160-180Lm/W,跨過了光熱平衡點(170Lm/w),熱耗損比重已略低于光輸出比重。這意味著 LED 的散熱問題越來越可被管理,但仍有一半的能量是以熱的形式表現,需要被移除以保障 LED 高效運行不光衰。
 
  試驗發現,電路銅箔存在瓶頸效應: 電路銅箔厚度增加,系統運作溫度降低, 但熱阻值也跟著上升,其中平衡點拿捏至關重要。
 
  除此之外,試驗發現 LED 早期替代產品還存在以下弊端:
 
  (a)將散熱鰭片外露于上,將導致鰭片因風吹雨淋而喪失散熱功能。
 
  (b)試驗發現,與將熱源(光源)分散,將導致 LED 呈現面光源而造成重影(鬼影)現象。
 
  LED 路燈與高壓鈉燈路燈相同的是光、電部件都需要高防護等級,不同的是:
 
  (a) LED 路燈需要散熱,殼體最好能自然對流;
 
  (b) LED 模塊需要 IP65 以上的防護等級,保護其硅膠因空氣接觸而產生氧化變質。
 
  本研究以模塊化理念,讓各模塊獨立工作,使得各模塊承擔各自特有的防護措施,如 LED 模塊防護等級高達 IP66,燈具外殼防護等級則不受此限。
 
  四、研究內容
 
  (一)配光(光型較正)
 
  道路照明配光曲線的設計有多種方法,本研究嘗試在符合道路照明配光曲線規范(平均照度/亮度、均勻度、眩光限制、環境比等)的前提下,在不同的配光技術中研究如何提高照明利用率、降低燈具功率,以達最節能的目的。
 
  道路照明的配光曲線設計,需考慮車行方向與車行垂直方向(含環境比: 車行道外邊 5m 寬狀區域內的平均水平照度與相鄰的 5m 寬車行道上平均水平照度之比)的需求。
 
  1、車行方向配光曲線最大值在 60~65 度為宜。若最大值在 70 度時,75 度以上的光束會太大導致 眩光值(TI)超標;若最大值低于 60 度時,Ul 不易達標(尤其是主干道 Ul≧0.7)。
 
  (1)燈距為燈高 3 倍時,光束分布角度需涵蓋燈距一半以上(約 56 度);
 
  (2)燈距為燈高 3.5 倍時,光束分布角度需涵蓋燈距一半以上(約 60 度);
 
  (3)燈距為燈高 4 倍時,光束分布角度需涵蓋燈距一半以上(約 63 度);
 
  (4)75 度以上為眩光,因此需避免超過 75 度以上的光束分布。
 
  2、車行垂直方向配光曲線分布角度,以單側配置一般路幅與燈高相同為例, 光束分布角度需涵蓋路幅(約 45 度),所以路寬方向配光曲線分布角度需比 45 度大一些。
 
  (1)若大于45度太多時,光束會落在路面外,導致照明利用率下降;
 
  (2)但是若有要求環境比SR時,則需大于45度,使得光束部份會落在路面外以符合環境比SR要求,但是照明利用率會下降。
 
 
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  (二)散熱
 
  熱傳遞的三種形式: 傳導 (conduction) 、 對流 (convection) 、 輻射(radiation)。本研究嘗試在這三種形式中找出最適合LED的散熱技術。
 
  綜合分析以上三種方式,經研究發現最適合LED特點的散熱方式為傳導散熱。有些廠家為應對結溫,采取加大散熱鰭片表比面積,選用熱阻效應小的母材并盡力減少母材壁厚等方式增大熱熔以提高散熱效率,但測試結果發現熱沉溫度雖有所下降,光衰卻并未因熱沉加大而明顯改善!結溫需要有導出過程,即,散熱過程必須滿足結溫速率與傳導速率及散發速率相匹配才會達致最好的散熱效果!采用熱管技術引導散熱后經測試,結溫平均維持在 75 度左右,接近理想狀態。本項研究創新采用熱管技術完美的解決了燈具散熱問題!
 
  五、LED路燈較傳統路燈成本優勢分析
 
  LED 是利用半導體P-N結發光原理的固體光源。其發光效率已從 2007 年的量產達到 60lm/W,發展到目前的 204lm/W,已經超過傳統高壓鈉燈光源的光效。大功率LED 管芯已有 1~5W/顆的產品。
 
  LED 在匹配的驅動線路下工作壽命遠長于傳統光源,且耐震,工作可靠。運行和維護成本低。回收物污染少。由于其生產成本的不斷降低,目前每盞LED路燈的造價已經接近或低于傳統高壓鈉燈的造價。
 
  該燈具的維護成本相比傳統路燈照明也降低了不少。研究的內容是:
 
  1、LED 路燈高光效、長壽命研究:
 
  LED 單個管芯的出射光通量要滿足等級道路的亮度需求和標準路燈的配光特性則需要多個 LED 單體的高度集成,并突破因熱阻大而引起的光衰等技術瓶頸。所以,探索多個 LED 單體集成技術,滿足單燈高光通點光源的傳統形式,保持高光效長壽命安全可靠的特點是課題研究的重要內容之一。
 
  2、LED 路燈的配光系統研究:
 
  LED 發光點小,出射光有方向性。非各向同性的多個發光點的光源聚合體給傳統的燈具設計方式帶來了挑戰。因此,針對 LED 光源的特點研究新的配光手段是課題研究的內容之二。
 
  3、LED 路燈模塊化研究:
 
  為了 LED 燈具的安裝維護方便,必須研究組件實現模塊化的 LED 燈具,并探討 LED 路燈燈具結構、安裝、接線、控制等整個 LED 照明系統的標準化問題,這是課題研究的內容之三。
 
  4、LED 路燈的智能控制研究:
 
  隨著 IT 技術和通信技術的發展,實現 LED 路燈的單燈監視與控制成為現實。實施路燈的單燈監控不僅能及時獲得單個路燈的運行狀態信息,還能夠及時發現路燈的完好率。另外,鑒于 LED 燈具發光運行的特定原理,可以實現LED 路燈的平滑調光,達到合理節能的目的。
 
  LED 路燈的自動控制和調光技術是本課題研究的內容之四。
 
  六、研究結論
 
  本試驗方案所得結論是依據相對比較值而不是絕對值(與原高壓鈉燈的對比)。
 
  結論 1:本研究之二次光學技術能把光有效的、均勻的、依設計所需重新配置。從下列測試數據實證:
 
  (1)將光有效的集中于機動車道的同時降低非機動車道的平均照度。機動車道平均照度高出原高壓鈉燈 31.4?;非機動車道平均照度分別降低了 18?與18.9?。
 
  (2)達到最佳的路面均勻度要求( Emin/Eav=0.5,次干道 0.35 高于CJJ45- 2015 主干道的要求 0.4)。
 
  結論 2: 透過本研究之二次光學技術能達到最佳的節電率;智能調光能更進一步實現LED路燈二次節能。從下列測試數據實證:
 
  在均勻度達標CJJ45-2006,色溫 2800K 的前提下
 
  (1)節電率 43.39: 平均照度 38.4Lx (高于原高壓鈉燈平均照度 29.2)。
 
  (2)節電率 61.7: 平均照度 29.06Lx (原高壓鈉燈平均照度 29.2Lx)。
 
  (3)節電率 80.9: 平均照度 16Lx(CJJ45-2006 對次干道要求:10Lx- 15Lx)
 
  七、同類技術比較
 
  (一)LED 路燈具的研究,解決的關鍵技術是:
 
  1、采用“熱管”導熱技術對LED模塊實施散熱,瞬間將熱導移至外,LED發光更有效率,延長LED使用壽命。
 
  2、采用“光反射”原理,將LED模塊的光能通過“導光模組”以最大光源光效利用率將光強投射到需求界面。
 
  3、 LED燈具實現功能模塊組裝。
 
  (二)LED智能電源與控制系統的研究,解決的關鍵技術。
 
  1、在受控下能調節驅動LED模塊的功率輸出;
 
  2、通過標準的通信模塊能接受路燈控制管理系統的遙控。
 
  (三)標準化研究,解決的關鍵技術是:
 
  1、如何實現LED燈具的模塊化
 
  2、如何實現LED路燈的智能控制
 
  八、技術成熟程度
 
  (一)初始階段
 
  2006 年 7 月 17 日,在上海市建委科學技術委員會七樓第四會議室,在上海市建設科技推廣中心的組織下,由上海易永光電科技有限公司介紹了LED路燈的 研究思路,看到了LED作為新興光源的發展潛力;雖然當時的LED光效才約 40Lm/W。
 
  上海市城市建設設計研究總院面臨著 LED 路燈應用的形勢,于 2006 年 11 月8 日聯合了上海易永光電科技有限公司擬定了「上海世界博覽會 LED 道路照明燈具科研計劃」,并且于 2007 年 3 月正式作為上海市城建(集團)公司的科研項目,開始了對 LED 作為道路照明光源的可能性進行研究。
 
  2008 年 12 月,在蘇州公司場地上第一次安裝了我們研制的 LED 路燈,并且組織了上海市政工程局科技處、上海市城建(集團)公司科技處領導和城建院及易永光電的所有研究人員赴現場觀看 LED 亮燈和實地測試。經過常州路燈所科技人員的現場對路面亮度、照度及均勻度的測試 LED 路燈的照明效果完全達到設計的要求。
 
  (二)燈具研制與實驗階段
 
  我們研究的第二代 LED 路燈于 2009 年 8 月 3 日,在北京路燈中心的支持下, 試安裝在作為次干路的三里河東路。采用的是 180WLED 燈,取代 400W 高壓鈉燈燈高 12m, 燈間距 42m。照明效果完全達到國家標準 CJJ45 的要求。使用 4 年半至今完好,基本沒有光衰和管芯的損壞。
 
  2010 年初,我們研制的 64WLED 燈具 30 盞,試裝到常州高架道路上,由于基板絕緣膠的質量問題,燈具損壞不少只好拆下來成為了研究過程中的一個教訓。
 
  (三)燈具應用的推廣階段
 
  上海易永光電科技有限公司作為設計研發生產加工企業,我們深刻的認識到LED 路燈的推廣應用面臨的問題是:LED 路燈產品日新月異,設計師不知如何按規格選擇路燈,市場比較混亂,質量良莠不齊,定價不清,很難做工程預算,形成按瓦算錢的悖論。對于路燈的用戶來說碰到的問題是:接口缺乏標準,產品無法互換,維護工作困難;非模塊化生產的一體化路燈缺乏,維修時需替換整個燈具,增加勞動力和維護成本。
 
  為此,我們在研究中融入了“標準化”的理念。2012 年 4 月 20 日與上海市建設與交通委員會科技委、上海易永光電科技有限公司共同申請「市政道路半導體照明技術應用技術規范」的編制。為此 2013 年,作為參編單位參與了上海市地方規范《LED 道路照明應用技術規程》的編制,并且著手研究燈具所包含的各個器件能夠模塊化后如何方便拆卸,以及這些器件模塊如何實現標準化。還研究了推廣 LED 路燈應用中的標準化問題,諸如燈具安裝接口、燈具驅動電流、電源模塊安裝位置、受控系統的通信標準等,均提出了研究成果。通過上海市南莊公路,上海迪士尼旅游度假區等標志性案例測試均達到了研究預期!
 
  (四)系統研究階段
 
  隨著 LED 路燈研究與推廣的進程,LED 路燈融入城市路燈管系統的需求日益強烈, 也就是說要充分發揮 LED 路燈的優點,實現 LED 路燈實時監控和調光節能勢在必行。為此,我們的研究工作又進入到“系統研究”的階段,不僅是燈具的光學研究,還包括了燈具智能電源的研究、燈具受控的接口和通訊規約的確定等。鑒于道路照明智能化管理的重要性,2014 年 3 月 8 日,城建設計研究院與上海易永光電科技、上海路燈管理中心、上海路輝電子科技簽署了合作研究 LED 路燈智能化應用的協議,實現對 LED 路燈工作狀況的管理與監控,并能通過智慧控制手段實現 LED 路燈的二次節能。2014 年 12 月 15 日,在路寬 13m 雙機動車道的次干道--上海高耀路成功安裝了 21 套我們研究的第四代 LED 路燈,以 150W 功率取代 250W 高壓鈉燈的照明。經上海市經信委下屬的權威機構“能效中心” 的現場照度測試表明:課題研究的 150WLED 路燈的照明效果完全可以替代原來安裝的 400W 高壓鈉燈;節能效果如下:
 
  1、150W LED 路燈輸出 100?光功率時,對路面的照度達到 38.4Lux,節電率達到 43.39?。
 
  2、150W LED 路燈輸出 68?光功率時,對路面的照度達到 29.06Lux。節電率達到 61.7?。
 
  3、150W LED 路燈輸出 31?光功率時對路面的照度達到 16Lux(是城市次干路照度標準的上限)。節電率為 80.9?。
 
  至此,我們的研究工作,歷時八年的努力,最終的成果受到專家一致肯定并通過評價驗收。
 
  九、推廣應用前景分析
 
  1、“易耀”品牌 LED 高效節能路燈采用獨特的“二次配光”自主知識產權應用技術,實現同類產品同比節能提升 50?的創新突破!從國際到國內獲獎(2017 國際半導體照明聯盟授予全球百佳案例、上海市節能產品獎、上海市嘉定區科技進步獎)、從理論到實踐應用(上海市住建委科技處課題評審、工信部備案科技成果評價、奉賢、迪士尼三年以上項目典型案例)從現場實測到實驗室檢測(上海市能效中心權威實測及國家實驗室 6000 小時光衰檢測)都達到了行業的最高應用水準!
 
  2、“易耀”品牌 LED 高效節能路燈區別于同類產品最大特點:通過反射式非對稱二次配光設計,最大限度強化被照面功能性照明的實際利用,實現了單位功率有效光通量最大化!這對消除城市光污染、減少對環境周邊綠化(農作物) 生長節律的影響,降低城市照明運營及維護成本,促進城市道路光環境根本性轉變具有積極意義,前景可期!
 
  3、堅定不移促進及推動合同能源管理,讓功能性照明回歸原本功能:精準照明、應照即照、因需照明、趨利避害。
 
  4、“易耀”品牌 LED 高效節能產品必將引領大功率戶外照明產業朝更節能、更健康、更環保方向發展!
 
  十、存在問題與后續努力方向
 
  1、道路照明需多亮
 
  安裝了 LED 路燈后,達到國家道路照明標準要求 CJJ45 的標準,還是安裝了 LED 路燈后要達到現行道路照明亮度(超標如何實行城市監控?)
 
  2、道路照明,是照明道路還是兼顧景觀照明?
 
  道路照明是要照亮路面,清楚的反射到駕駛者的眼睛,還是道路照明連周邊景觀都要照亮,讓駕駛者看到更為廣泛的場景?
 
  3、環境比 SR 該怎么定?
 
  在 CJJ45-2016/2013 規范了主干道/次干道對 SR 的要求,但支路/小區道路是沒要求的。
 
  支路/小區道路,立燈后面常有行人走動,才是真正需要 SR;主干道/次干道立燈處常在隔離島上,是否需要 SR ?
 
  4、顯色系數該怎么定?
 
  高顯色系數能提高物體分辨率,道路照明需要多高的顯色系數?
 
  LED 的顯色系數與光效成反比,如何在顯色系數與 LED 光效間達到最佳平衡點?
 
  5、維護系數該怎么定?
 
  維護系數校正了光衰與環境塵埃對光通量的光損。LED 的光通維持率要求如何反映到維護系數的設定?
 
  6、LED模塊的光通維持率的測試方法?
 
  LED模塊的光通維持率與其散熱系統有直接關聯性。如何定義一個經濟有效的LED 模塊光通維持率的測試方法?
 
  課題研究總結
 
  光源光效的提升并不代表照明效率的提升,光源光效提升雖有效降低了功率密度,但經過透鏡配光并未完全具有屏蔽光污染的能力(就路燈而言,所產生的“上視光及背光”約占燈具光通量的26?),功率密度降低空間有限。
 
  只有通過精準配光,將有效光強聚焦在需求界面,減少無效光,降低結溫釋放壓力,LED光源特性才會最大限度的得到發揮!
 
  在保證需求界面照明強度的同時,降低產品輸出功率,做到“應照即照、因需配光”!這才是未來半導體照明產業健康發展的根本出路。
 
  根據以上分析可以得出如下結論:光源光效提升凸顯照明產業的進步,其更大意義在于,在應用層面上應更好的提升光源光效利用率以促進LED照明產品品質提升以及滿足更大范圍內的應用需求!
 
  1、LED路燈品質好壞取決于效能對比,即被照面在滿足功能性照明前提下, 產品消耗功率越小,品質越好!
 
  2、光效利用率高低是檢驗半導體光源特性發揮好壞的重要指標!光源光效提高固然減少散熱壓力有助于燈具品質提升,但照明效率的提升才是LED路燈高品質,長壽命,高效節能的關鍵!
 
  3、單位需求界面有效光通量最大化,不僅解決了產品品質壽命問題,同時也實現了同類產品同比節能提高一倍的創新突破,必將引領戶外功能性照明產業未來的發展方向!
 
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