[LED灯具在高速收费站车道照明方面的应用与特性分析] 收费站装LED显示屏
时间：2019-01-21 03:23:29 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要:本文主要根据LED半导体照明的特殊要求,分析了LED半导体照明灯具在光学、热学、电学方面的特性,探讨了LED半导体照明灯具在高速公路收费站车道照明方面的应用优势。
关键词:LED半导体照明灯具;光学;热学;电学;收费站;车道
中图分类号:J914 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2009)020(c)-0108-03
随着世界能源危机的日益严重,各国都在努力实施“节能减排”工程。我国十一五规划更是明确提出了“把节约资源作为基本国策”,并提出在十一五期间,单位国内生产总值能源消耗降低20%的目标。据统计,照明用电约占我国整个国民用电的15%左右,因此,发展高效、节能、环保的新型道路照明灯具刻不容缓。近期科技部等中央部委所推出的“十城万盏”便是一些具体实施行动。
LED照明产品以其寿命长(理论上可达10万小时)、发光效率高(目前CREE科锐公司已能够量产提供100lm/W @ 350 mA以上的大功率白光器件)、不含汞(真正意义上的绿色产品),抗震好,少维护,是被照明界广泛认可的下一代理想照明产品。
公路照明是整个通用照明市场中最大的部分,目前中国大陆已建成100多万公里的高速公路,在其为数众多的收费站车道照明中,若采用LED半导体照明灯具,将极大地减少用电和后期的维护费用,据示范工程的使用表明,以上海市内某高速路段内全部收费站照明灯具的改造工程为例,每年可节省25万元的电费,并节省超过8万元的维修费用。因此,LED半导体照明灯具必然是未来此方面照明发展的趋势。
一、相关照明的设计原则与标准
由于高速路收费站内的照明须考虑人眼的明适应和暗适应,并须考虑对车辆驾驶员心理产生的影响,因此需在灯具设计、开发和使用过程中遵循相关的照明标准,如美国IES、英国BS、国际照明学会CIE的有关标准内容及日本的《公路照明设计指南》等。中国大陆的设计参考则主要是CJJ45-2006《城市道路照明设计标准》,并须考虑到高速路收费站内照明特有的视觉问题,优化灯具的设计,满足该种特定环境下的光学和人体视觉要求。
二、LED半导体照明灯具的特性分析
LED半导体照明灯具的特性主要指光学、热学和电学特性,它们是决定LED半导体照明灯具性能优劣的重要指标。并且在LED半导体照明灯具的设计过程中,这三个方面相互关联,不能独立考虑,只有将它们作为一个整体、系统地优化考量,才能设计出性能出众的LED半导体照明灯具。
(一)光学特性
1、灯具有效光效。由于LED灯具采用的光源为LED,具有指向性,所以灯具效率可达0.8~0.9左右,而传统灯具的光源多为高压钠灯、金卤灯等,都是散射光,灯具效率只有0.5~0.6左右,如图(1)和表(1)所示。因此,就目前LED的发展水平而言,LED半导体照明灯具已经比传统灯具更加高效,随着LED光效的提高,LED半导体照明灯具在有效光效方面的优势将进一步扩大。
图(1)LED光源具有指向性
表(1) LED灯具与传统灯具的光效比较
2、光学设计灵活性。照度均匀一直是评判道路照明优劣的一个重要指标,传统灯具由于光源多为气体放电灯,发光体为整个灯泡,视场比较大,进行光学设计比较困难,因此配光曲线多为球形,容易造成中央能量过于集中,路面照度不均匀,而产生“斑马线”效应。LED半导体照明灯具采用LED作为光源,由于LED基本为一个点光源,相对于传统光源的体光源而言,进行光学设计要更加灵活和容易,可以通过设计不同配光的LED光源模组,相互组合,以得到合理的配光曲线,提高灯具的照度均匀性,使出光在路面上的能量利用率更高,更加节能
图(2) LED半导体照明灯具及其配光曲线图
如图(2)所示的LED半导体照明灯具,它就是通过各种反射杯将LED配光整合成不同的形式,然后相互组合、形成整个LED灯具的配光。
3、显色性。显色性是灯具性能的一个非常重要的指标,它反映了在该灯具照射下,物体颜色的再现能力。传统灯具多采用气体放电,最常见的如高压钠灯,虽然它的光效比较高,但光谱能量比较集中,导致显色指数只有20~22左右,显色性很差,这对于道路照明而言,存在一定的安全隐患。LED半导体照明灯具多采用大功率白光LED,大功率白光LED为蓝光激发黄色荧光粉获得的白光,因此光谱一般如图(3)所示,光谱较连续,显色指数可达80以上,可明显地看到LED灯具再现物体颜色的能力强,使道路照明更加安全可靠。并且在道路照明中,高显色性的可以使照度标准降低些,更加节能,避免造成光污染。
图(3) 大功率白光LED的典型光谱
(二)热学特性
与传统灯具相比,LED半导体照明灯具要特别注意灯具的散热。传统灯具的性能与温度没有很大的关系,因此并不注重灯具的散热设计。但LED半导体照明灯具则不同,温度直接影响着LED的光效与寿命,也就影响着整个灯具的光效和寿命。图(4)和图(5)是CREE科锐公司提供的大功率LED XLamp产品结温与光通量和寿命的关系,一般情况下,必须控制LED的结温在80℃以下,确保LED灯具获得比较好的光效和寿命。可见在LED半导体照明灯具的设计中,散热结构的重要性。
图(4)CREE大功率LED XLamp 结温与光通量的关系图
图(5)CREE大功率LED XLamp 结温与寿命的关系图
一般情况下,LED灯具的散热分为:自然散热、风冷散热、热管和回路管散热等。对于收费站用灯的情况,一般采用自然散热结构。
LED半导体照明灯具散热结构的最终目的是为了控制LED的结温,因此从LED到铝基板,再到灯具外壳的一系列传热结构都要精心的设计,以确保LED结温不至于影响整个灯具的性能。
(三)电学特性
驱动电路是LED半导体照明灯具的重要组成部分。LED半导体照明灯具的驱动电路各有不同,总体而言,由于光源为大功率LED,在220V市电的道路照明系统中,必须有AC-DC的转换电路,并采用正向恒流来驱动LED。在这个过程中,必须注意驱动电路的效率和性能,它是LED半导体照明灯具性能的重要因素。
值得注意的是,LED的光效与它的驱动电流密切相关,电流越大,光效越低,即整灯的光效也会越低。图(6)为CREE大功率LED XLamp 电流与光通量的关系,并非线性曲线,可见电流对于光效的影响很大,所以在设计LED半导体照明灯具时要慎重选择驱动电流,才能做到节能省电。
图(6)为CREE大功率LED XLamp 电流与光通量的关系
还必须要注意的是,LED半导体照明灯具的驱动电流大小直接关系到整个灯具的散热结构选择,LED驱动电流越大,释放的热能越多,为了保证结温不至于很大地影响LED的光效和寿命,灯具的散热结构和传热结构必须更好。
除了以上三个方面,LED半导体照明灯具的机械性能、重量、安装结构、美学设计也是LED半导体照明灯具性能的重要组成部分,但与传统灯具相比,设计概念上不会有很大的差别,不作详述。
三、总结
综上所述,随着城市照明的发展,道路照明的设计水平和技术水平不断得到提高,LED半导体照明灯具以其在光学、热学、电学上特性,必将得到越来越广泛的应用。同时这个新一代的道路照明灯具,也对设计人员提出了更高的要求。
四、附录-案例分析
下面是采用LED半导体照明灯具与传统灯具的实用对比案例,为上海沪嘉高速路收费站内照明改造工程前后的数据:
上海沪嘉高速公路于1988年建成通车,是中国大陆第一条高速公路,其南翔收费站点在改造前,采用HPS高压钠灯+HID气体放电灯进行车道照明。
单一车道:长~17米,宽~3.5米,
单一车道:采用2 X 250 W HPS高压钠灯 + 2 X 250 W HID气体放电灯,计入电源效率、线损等因素,单一车道实际功耗约1100 W以上,
以平均每日开放10车道、每车道照明平均总时长约12小时计算,
则:平均日消耗用电量约10 × 1.1 × 12 千瓦时 ～ 132 千瓦时。
下面是采用传统HPS高压钠灯 + HID气体放电灯进行车道照明的路面照度实测结果:路面平均照度约90 lx。
(2008.07.11,�嘉高速南翔收�站��光源路面照度���果, �道�2 X 17 Mapping��)
(2008.09.06,�嘉高速南翔收�站��光源路面照度���果)
采用高性能LED照明灯具在上海沪嘉高速公路南翔收费站进行了试点改造,
单一车道:采用4 X 60 W LED灯具,计入电源效率、线损等因素,单一车道实际功耗约250W,
以平均每日开放10车道、每车道照明平均总时长约12小时计算,
则:平均日消耗用电量约10 × 0.25 × 12 千瓦时 ～ 30 千瓦时。
下面是采用LED车道照明的实测数据:路面平均照度约145 lx。
(2008.09.06,�嘉高速南翔收�站LED光源路面照度���果)
作者单位:上海沪嘉高速公路实业有限公司
参考文献:
[1]国家标准《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1-1999
[2]国家标准《城市道路照明设计标准》CJJ45-2006
[3]周太明,周详,蔡伟新等《光源原理与设计》第二版,复旦大学出版社,2006.12
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文
