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LED路灯灯具开发关注点[1]

2014-1-15  来源:(厦门通士达照明有限公司,厦门361100)  作者:张继晃  有4652人阅读

道路照明是必要的公共设施,为道路使用者提供安全、舒适的可视环境和驾驶条件。道路照明灯具通常使用的光源有高压纳灯、金属卤化物灯和高压呆灯等高强度气体放电灯。以LED为光源的道路照明灯具和相关标准越来越受到关注。LED道路照明灯具是集LED光源技术、LED灯的拉制装置技术、LED模块连接器技术和灯具设计技术于一身的产品。该文对LED应用于道路灯具中的相关规范标准,及目前存在的问题现状进行分析,同时提出在LED路灯灯具开发过程中的一些关注点。

  0 引言

  能源居21世纪全球最关切议题之首,照明节能更被列为第一要务。道路照明由政府掌控,因应节能环保趋势,皿D路灯的商机正在不断升温中。从照明观点看道路分为汽车专用、一般街道、商店街、人行道四大类。一般所指的道路照明是指汽车专用道照明,主要功能是保障夜间道路的行人及车辆驾驶人员能安全通行,尤其应提供驾驶者看清道路形状、行进方向及周边环境等,以正确辨视任何障碍物,预测行进方向。道路照明对减少事故和犯罪起着非常重要的作用。

  因道路照明的重要性,其设计考虑的重点包含照度充足、亮度均匀、光色宜人、低眩光、诱导行车、节能及维护便利等,故路灯应具备高效率、照明利用率好、配光适当、寿命长、防水防尘等特性,以实现安全可靠、节能、视觉适度、低光害及低维修率。

  LED被视为21世纪之光,LED照明就像真空管到晶体管,及CRT到FPD,是革命性的突破,2007年以后LED发光效率不断提高,1W冷白光产品光效110 lm/W,日亚小晶率(20mA)的实验室水准甚至达249 lm/W,大量投入带来惊人的成长速度,2008年北京奥运会也为世人宣示LED照明时代的来临。在取代室内照明之前,目前最被看好的切人层面即是LED光源应用于路灯模组的设计。由于具有超过5000Oh的长效寿命,可大幅降低日后维修成本,减少30%-50%耗电量。此外LED路灯的绝佳控制性可充分利用,如调降初期照度、时控照度设定、自动调光等可对道路节能效益再添一成。目前照明用白光LED在通常照明工作条件下的系统效率已超过401m/W,再加上LED制造成本大幅下降,所以照明用白光LED已具备应用到一些照明领域的商用条件。但是目前制造照明LED的产业群体往往对照明电器基本知识和要求不了解,而传统的照明灯具生产群体也往往缺乏对照明用LED特性的深人了解,在设计和运用中没有充分地利用LED特点,进行扬长避短,产生很多不合理的设计。

  1 关于LED路灯

  1.1 道路照明法规与标准

  道路照明要求严格,全球各国的道路照明设置规范以及路灯性能标准相当完整明确;标准一般包含照度以及均匀度(最小照度/平均照度),CIE115提出参考规范,将道路分成四大类,路面基准分为15,20,30,501x,均匀度为0.4。基于环境与文化因素影响,各国规范仍有差距。道路照明灯具的安全、性能和能效特性是评价道路照明灯具品质的几个重要方面,其相关的产品标准包括产品安全标准、产品性能标准和光度测试方法标准。分段产品安全标准:GB 7000. 1 -2007 《灯具第1部分:一般要求与试验》( idt IEC60598 -1 : 2002)和GB7000.5 -2005《道路与街路照明灯具安全要求》(idt IEC60598 -2 -3:2003)分段产品性能标准:GB/T24827 -2009《道路与街路照明灯具性能要求》,光度测试方法标准:GB/T9468 -2008《灯具分布光度测量的一般要求》,该标准规定的测试方法与CIE121一致。分段使用LED光源的灯具,除了符合上述两个标准以外,还应符合GB7247.1 -2001激光产品的安全第1部分:设备分类、要求和用户指南(idt IEC 60825 -1 : 1993)。关于皿D灯具的检测,IECEE已有OSM/CTL决议,其原则是对于四D灯具,首先要根据IEC60825一1判断其类型,如果属于1类或1M类的激光安全型LED,则不需要根据IEC60825-1检验,反之则需要。灯具的光度性能由CIE(国际照明委员会)出版物规定,涉及CIE31 -1978道路照明装置的眩光和均匀度,CIE33 -1977道路照明装置的折旧和维护,CIE34 -1977道路照明灯具和装置数据:光度测定、分类和性能,CIE47 -1977 潮湿环境的道路照明,CIE66 -1984道路表面和材料,CIE140 -2000道路照明计算,CIE180 -2007发展中国家的道路运输照明。

  道路/街路灯的照明要求(来自CJJ45-2006标准),表1中CJJ45-2006标准上对道路照明的规定,从道路照明要求看不同道路上应采用的光度指标,若道路主要为机动车用的,路面应以亮度评价,如道路以行人和非机动车为主要服务对象的应使用照度为指标。由于行人关心的是对方来人的面孔和地面上的情况,因此要确定垂直面的照度或路面上的照度(水平照度)。

  表1 CJJ45 -2006标准上对道路照明的规定

  在节能的前提下,日本对街道照明灯具定下参考准则,其能源效率部分以200w的照明灯具为界限,低于200W发光效率为50lm/W,其余高于60lm/W, 我国也将照明用功率密度(LPD,W/m²)列入法规,此政策将会加速高效率灯具的普及,也是LED路灯的机会。

  台湾积极推动LED灯具法规制定,于2008年12月4日正式公布CNS15233《发光二极管道路照明灯具》标准。强调节能耐用、安全、配光性能等三大项,规定三级能效等级,最低灯具发光效率为451m/W,其次需通过50°下连续测试360h。安全上着重避免雷击伤害,以及抗风强度。配光上主要对光强度分布情况加以规范,产品必须确保路面照度均匀度,以确保路人安全。规范内容主要包含基本性能(功率因数、输入功率、电流谐波失真及电压变动),安全性(绝缘耐压、IP、风压),电磁干扰,光学特性(光色允许色偏范围、配光),发光效率,耐用可靠性(温度循环及开关进行8000次),耐久性等,此外,基于视觉适度考量不允许任一LED不亮或闪烁失效。标准最苛刻之处是需要进行老化测试100Oh后,再进行3000h测试中,光通量不得小于原光通量的92%,且发光效率符合维持原标准90%。

  DOE关于SSL产品能源之星认证中对道路灯具的要求,DOE在2007年8月公布了第一批SSL产品能源之星认证要求(共7个产品,3个室外和4个室内)后,在2008年8月又公布了包含道路/街路照明灯技术要求的补充产品的要求(共10个产品,5个室外和5个室内)。关于道路/街路照明灯技术要求如下(包含与第一批产品通用的技术要求):

  (1)色度和色变化的要求,颜色的规定见表2,SSL产品达到能源之星要求的色度坐标的要求,在DOE的SSL规范中对道路/街路灯具的色温没有限制。

  表2  色度、色变化和颜色的规定

  图1 色温位置在色品图中的表示

  

图2 LED光衰和结温关系曲线

  (2)寿命(光衰)要求规定2500Oh和3500Oh两档。检测方法是将SSL灯具点燃6000h后测光衰,试验时的灯不需老炼,每1000h测量一次,到600Oh的光衰小于初始的94.1 % ,寿命大于35000h,光衰为初始的91.8% ,寿命为25000h。

  (3)电气要求,表3为SSL灯具的电气要求。

  表3 SSL灯具的电气要求

  (4)能效要求:灯具的能效≥50lm/W。

  (5)配光要求最小光输出:23001m(初始);环带流明密度:0°~90°为100%,光通量为80°~90°,最大占10%光通量;光束均匀性要求最大光强在55°-65°等。

  (6)其他内容为待机功耗要求不工作时不耗电,但与探测有否人员活动的监测设备合用的例外;保证从购买日起三年内免费修理替换光源或驱动器,对住宅用灯具的保证日期从运输之日起算;灯具制造要附上灯具热管理的说明、证书文件和试验过程;装置要求LED光源的平均流明衰减到起始值的70%的时间最小是35000h;附着在建筑上功率大于13W的SSL设备必须附有光控设备,能自动启闭,24h内可人工或自动控制等。

  1. 2 LED路灯现状

  (1 )LED路灯与传统道路照明灯具比较,目前普遍采用的道路灯具光源是高压铀灯或金属卤化物灯,其最大特点是发光电弧管尺寸小,有很大光输出,具有很高的光效,系统效率(包括配套电器)可达80 -110 lm/W,但这类光源运用在道路灯具中只有40%左右的光直接透过玻璃罩到达路面,其他光通过灯具反射器再射出灯具。传统路灯存在明显不足,一是灯具直接照射的方向上照度很高,明显过度照明,次干道上可达到50lx以上;二是反射器的效率为50% -60% ,60%左右的光输出在灯具内,损失了30% -40%后再技射到路面。此类灯具的总体效率在60-70% (极少部分国际品牌灯具效率可达80% )。综合有效照明效率仅为50%,目前次干道的照明效果(照度及均匀度)基本达不到CJJ45-2006 和CIE31, CIE115标准要求。LED作为路灯光源,它与传统路灯光源比较有许多优点,寿命长,抗震性能好,白光LED光色比高压制灯好,能实现较完美的调光功能(LED进行频繁开关对其没有太大影响,可以通过改变电流方法来调光,亦可采用脉冲宽度调节方法来调光,通过调节电压占空比和工作频率能有效调节LED发光强度),灯具光学系统内LED光源光通量损失最小,LED光源不含有害金属录等。

  (2)LED光源的道路灯具配光现状,目前LED在路灯使用最普遍的形式主要有两类:一类采用传统的道路灯具外壳,只是在灯具内装在平板安装面上矩阵式LED;另一类把多个LED集成在一个圆柱体上,光输出密度接近高强度气体放电灯,再利用灯具反射器进行配光,但这种设计方式的灯具分布不会优于传统道路灯具,并且在一个很小区域内集成高密度的LED,使LED散热情况不良,不仅影响到LED的发光效率,而且影响到LED的使用寿命。利用传统路灯灯头改制的LED路灯,采用了铝型材做散热器,将整个光源和驱动电路装入铝合金灯壳中,虽然解决了灯具的防护等级问题,但是整个光源是在密闭的灯壳中,灯具工作中所产生的热量元法散发到空气中,导致LED模块和驱动电路在极恶劣的环境中工作,工作温度急剧升高,LED随着温度的升高而出现死灯和光衰,驱动器也因温度高而烧毁,大大降低了灯具的可靠性和使用寿命(见图2)。故此方案是不成熟的。要做好LED路灯,简单地用传统灯头装人LED光源是行不通的,见图3。

  图3 传统路灯改造成LED路灯

  目前,LED路灯还不能用于主干路。主干路是连接城市各主要分区的干路,采取机动车与非机动车分隔形式。机动车在主干路上的行驶速度比次干路快,照明水平比次干路高。主干路的照度要求达到30lx, 照度均匀度为0.4,平均亮度要求达到2.0cd/m²,亮度总均匀度为0.4,亮度纵向均匀度0.7,阈值增量≤10。达到节能水平的路灯,应在照明质量达到以上要求的同时,照明功率密度应小于国家标准的规定,当车道数≥6条时,照明功率密度运1.05W/m²,车道数<6条时,照明功率密度运1.25 W/m²。主干路上大多使用250W或400W高压铀灯路灯,250W或400W高压纳灯的光源光通量达到28000lm(250 W )和48000 lm( 400 W)。这种大功率路灯的灯具效率一般在75%-85%之间,因此,灯具的光通量输出最低也有2100Olm。以一盏250W高压制灯路灯为例,灯具效率为83.5%,配光曲线如图4(a)所示,其最大光强通过C角10°,γ角70.0°。c为0°,180°,10°的配光曲线的形状良好。这款路灯可用在四至六车道的主干路。目前,光通量小是LED路灯不能应用在主干路上的主要原因。不同光通量档次的灯具应应用在不同级别的道路上,否则达不到节能效果。

  图4  LED配光分布情况

  (3 )LED光源道路灯具驱动现状,LED对驱动电路的要求是保证恒流输出的特性,因为LED正向工作时结电压相对变化区域很小,所以保证LED驱动电流的恒定也就基本保证了LED输出功率的恒定。由于我国电源电压供应不稳定的现状,道路照明LED的驱动电路具有恒流输出特性非常必要,保证光输出同时避免LED超功率运行。目前很大一部分一类驱动电路由降压、整流滤波后加直流恒流游、电路组成;另外一类采用通用开关电源加电阻电路组成,如此消耗很大的有功功率。所以此两类驱动电路在基本满足恒流输出特性的前提下,效率并不高。另外很大一部分不具备防雷击功能。

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