前言

　　LED照明技術經過多年的發展與積累，已進入商業化發展的快車道。而作為照明行業重要組成部分的道路照明在整個國家的照明耗電量中約占20～30%，地位舉足輕重。所以，發展和推廣半導體照明技術必然地就要考慮半導體照明技術在道路照明中的應用。一般地，在LED路燈的開發和推廣應用過程中都會遇到以下三方面的問題：二次光學設計、散熱設計和光伏系統設計。本文將就此做具體的闡述，以期起到拋磚引玉的作用。

　　1、二次光學設計

　　1.1 光學設計軟件的選擇

　　在照明領域目前國內常用的光學軟件主要分為兩類：照明工程設計軟件和光學器件設計軟件。照明工程設計軟件的作用是依據現有配光分布確定的標準化燈具為用戶設計一套方案，提供相應的視覺需求。例如，DIALux、OxyTech、Agi32等就是比較常用的照明工程設計軟件；光學器件設計軟件的作用是依據光源的特點及期望的光學效果設計出相應的光學器件，例如LED用反光杯和透鏡。目前，做光學器件設計的常用軟件有ZEMAX、TracePro、 ASAP、LightTools等。

　　在選擇軟件的時候，要根據需要決定。市政設計院、道路照明工程公司主要使用照明工程設計軟件，而燈具廠家主要使用光學器件設計軟件。而且，即使是同類設計軟件，其側重點也不同。例如，TracePro用來做反光杯、反光罩設計比較方便，但用來做透鏡設計就很困難；而ZEMAX比較擅長做透鏡的設計。

　　在實際設計中，有時需要將不同軟件結合起來使用。

1.2 兩種光學器件的優缺點

　　常見的LED用光學器件形式有反光杯和透鏡，各有優點和局限性，應該根據需要來選擇。根據筆者的設計經驗，如果要求光斑是圓形，使用反光杯比使用透鏡損耗要��；如果光斑為非圓形，反光杯本身將有一定的光損耗。另外，在處理20o以下光束角的配光需求時，反光杯會比透鏡笨拙很多。但是透鏡存在色散問題，這一問題難以從根本上解決，只能采取措施緩解色散的程度。可見，具體選擇哪一種光學器件要根據配光需求的特點來決定。

　　1.3 LED輻射型式的選擇

　　一般地，LED的輻射型式有朗柏型、側射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領域，根據設計經驗筆者比較傾向于朗柏型和蝙蝠翼型這兩種型式。

　　1.4 一些不妥當的觀點

　　在當前的道路照明領域中可能存在一些不太妥當的觀點，作者歸納如下：

　　⑴ 過分強調燈具流明數和工作面高照度，忽視燈具應用場合和配光設計

　　　這樣造成的結果就是：路燈中心照度太高，而均勻性不夠完善。既浪費能源，還沒有達到理想的效果；

　�、� 沒有將照明生理學納入燈具配光設計或照明工程設計

　　　道路照明主要是明視照明，涉及照明生理學，要求工作面的足夠亮度、均勻性和無眩光。所以，路燈的功能并不僅僅是滿足亮度需求。

　�、� 不同配光需求的混同

　　　路燈布置方式有單側布燈、兩側交叉布燈、兩側相對布燈、丁字路口布燈、十字路口布燈和彎道布燈等多種形式。路燈不同的布置方式，其對應的配光要求是不同的。如果所有的應用場合都使用相同的配光設計，是不恰當的。

　�、� 缺乏與光學軟件設計商的合作

　　　目前，國內的燈具制造商較少與光學軟件設計商的合作。例如，德國的著名照明計算軟件DIALux在眾多的世界著名照明廠商（如Philips、BEGA、 THORN、ERCO、OSRAM、BJB、Meyer、Louis Poulsen）支持下開發并提供相關技術服務。這本身也是讓自己的企業標準化、國際化的一個平臺，可以通過這一平臺將自己的產品信息以最快的速度反饋給最廣泛的潛在用戶。但是，國內只有少數企業做過這項工作。

　�、� 沒有考慮到可以直接在LED自身的透鏡上做文章

　　LED本身就是一個完整的燈具系統，包含透鏡、發光源、熱沉、導線架等。如果能夠通過LED本身的透鏡設計實現配光需要，就不必再使用反光杯或透鏡這樣的二次光學系統，因為不論使反光杯還是透鏡都會帶來光損耗。

　　 2、LED路燈散熱設計

　　2.1 散熱問題的長期性

　　目前，人們把主要的目光都放在了LED的流明數上，而對LED燈具的散熱則給予了較少的關注。實際上，LED的流明數正在迅速的增加。在剛剛過去的 2006年，量產LED的單瓦流明數已經達到50流明，而且這一數值還在快速地增長。與之對應的傳熱學理論體系已經成熟，我們可以使用的傳熱手段也基本明確：傳導、對流、輻射和相變傳熱（熱管就是相變傳熱的經典范例）。正因如此，在傳熱或者說散熱問題上，我們可以采取的措施是可見的、有限的。

　　根據光通量（流明）與輻射通量（瓦）以下的當量關系：

　　其中，Km = 683 lm/w， 是光通量的比例尺， 是輻通量的比例尺。也就是說1W的輻通量在最理想的情況下（黑體輻射）可能產生683lm光通量。

　　由此可見，即使在某一天LED的光效達到200lm/w，也仍然只有不到 的能量轉化為光能輸出，而其余的都轉化為熱能。所以，從長遠看LED燈具的散熱問題將是一個長期存在的問題。

　　2.2 路燈散熱設計的方式選擇

　　目前散熱方式主要有：自然對流散熱、加裝風扇強制散熱、熱管和回路熱管散熱等。加裝風扇強制散熱方式系統復雜、可靠性低，熱管和回路熱管散熱方式成本高。而路燈具有戶外夜間使用、散熱面位于側上面以及體型受限制較小等有利于空氣自然對流散熱的優點，所以LED路燈建議盡可能選擇自然對流散熱方式。

　　2.3 散熱設計中的誤區

　　國內的燈飾企業較少有專門的人員和部門來做傳熱設計，這在LED照明時代將是一個錯誤的制度，會把企業帶入一些誤區。具體而言，可能的問題有：

　�、� 散熱翅片面積隨意設定

　　　有的燈飾企業在為燈具加裝翅片的時候，并沒有定量的概念，而只是憑感覺來設計其面積，這是一個嚴重的錯誤。

　　⑵ 散熱翅片布置方式不合理

　　　燈具散熱翅片的布置沒有考慮到燈具的使用方式，影響到翅片效果的發揮。

　　　以LED路燈為例，散熱面在燈具的側上面，而且燈頭存在安裝傾角。所以，一般地建議散熱翅片沿燈具的C90方向排列，以便于散熱翅片間空氣的流動，而不是將散熱翅片沿燈具的C0方向排列。

　�、� 強調熱傳導環節、忽視對流散熱環節

　　　目前，這個問題可能是一個普遍性的問題。眾多的廠家考慮了各種各樣的措施：熱管、回路熱管、加導熱硅脂等等，卻沒有認識到熱量最終還是要依靠燈具的外表面積散走。

　�、� 忽視傳熱的均衡性

　　　這個問題則是一個更深層次的問題。如果翅片的溫度分布嚴重不均勻，將會導致其中一部分的翅片（溫度較低的部分）沒有發揮作用或作用很有限。

　　3、光伏系統設計

　　LED的低能耗、低工作電壓和太陽能電池組件的低輸出功率、低輸出電壓之間的配合堪稱絕配。所以在討論LED路燈的時候不能不討論太陽能LED路燈。在開發和推廣太陽能LED路燈的過程中，筆者了解到目前太陽能路燈中的一些問題。下面將闡述這些問題，并提出一些新概念。

　　3.1 不恰當的設計思想

　�。�1） 使用LED之外的其它光源

　　筆者曾經遇到一位歐洲客戶，希望我們為其開發以高壓鈉燈為光源的太陽能路燈照明系統。這是一個錯誤，既說明當前太陽能照明市場的不成熟，也說明我們對客戶的宣傳教育沒有到位。如果太陽能路燈系統使用LED以外的其它光源，不可避免地在充放電電路中要增加逆變電路。而逆變電路至少帶來20%的損耗，也就是說有20%峰瓦數的太陽能電池板被浪費掉了。在目前太陽能電池板價格仍然居高不下的時期，這樣的做法是很不明智的，也脫離了太陽能照明的初衷。

　�。�2） 盲目追求連續陰雨保證天數

　　當前，有一些廠家宣稱自己的太陽能LED路燈可以保證15天的連續陰雨天數。根據筆者的實際經驗，5天的連續陰雨保證天數是比較經濟合理的。我們假定可以保證15天連續陰雨，這意味著太陽能電池板的峰瓦數要比5天連續陰雨保證天數所需的電池板峰瓦數高50～80%，同時蓄電池容量也要翻番。這種設計方法在目前還不現實。

　　（3） 系統參數固定

　　太陽能LED路燈系統的參數主要包括：太陽能電池板峰瓦數、太陽能電池板傾角、蓄電池容量、燈頭標稱功率。

　　現在，很多廠家在推自己的產品時會給出一個固定的性能參數表。實際上，這在太陽能LED路燈系統是不妥當的。在眾多參數中，燈頭標稱功率可以相對固定，而太陽能電池板峰瓦數、蓄電池容量和太陽能電池板傾角應該根據太陽能LED路燈系統的使用地點確定。其中，太陽能電池板峰瓦數要根據當地多年來的太陽輻射資料、負載特征（例如：是冬季負載、夏季負載還是全年均衡負載）、客戶對負載的工作時間要求來確定；蓄電池容量主要取決于客戶對負載的工作時間要求；太陽能電池板傾角取決于當地緯度、當地多年來的太陽輻射資料等因素。

　　由此可見，我們不能期望設計出一套太陽能LED路燈系統，對世界上各個地區、所有客戶都是合適的。真正經濟合理的做法應該是根據用戶的需求和特點臨時設計系統參數。

　�。�4） 蓄電池容量與太陽能電池板參數不匹配

　　僅僅提高蓄電池的容量，而太陽能電池板的峰瓦數并沒有相應提高。這種設計并不能增加連續陰雨保證天數。

　　（5） 以傳統路燈的要求衡量太陽能路燈

　　由于太陽能的全年分布的嚴重不均勻性，以及當前太陽能電池板價格高昂兩個因素的共同作用，我們很難以經濟的方式使得太陽能路燈具備傳統路燈同樣的工作能力。所以，目前以傳統路燈的標準來衡量太陽能路燈，既不客觀、也不公平。

　　　　 3.2 一些新的概念

　　筆者根據實際設計中遇到的問題與自己的理解，提出以下概念，期望能得到廣大光伏系統設計專家得指正：

　�。�1） 滿荷工作

　　　　　定義：負載每天的實際工作時數等于設計工作時數。

　　（2） 欠荷工作

　　　　　定義：負載每天的實際工作時數小于設計工作時數。欠荷工作的一個特例是實際工作時數為0小時。

　�。�3） 滿荷工作天數

　　　　　定義：負載處于滿荷工作的總天數。滿荷工作的日子里，太陽日照平均水平不小于全年平均日照水平。

　�。�4） 欠荷工作天數

　　　　　定義：負載處于欠荷工作的總天數。欠荷工作的日子里，太陽日照平均水平不大于全年平均日照水平。

　�。�5） 不保證天數

　　　　　定義：負載工作時數為0小時的全年總天數定義為不保證天數。不保證天數是出于經濟性考慮而給出的一個量。在實際設計中，筆者建議設定一個不保證天數值。根據筆者的理解這一值可以設計為3～5天。

　　4、結束語

　　　本文詳細探討了半導體照明技術應用于路燈照明需要面對和解決的三大塊問題：二次光學設計、散熱設計和光伏系統設計。指出當前設計中常見的一些不妥當的設計思想，并根據筆者的經驗給出相應的見解。

　　　隨著全球能源形勢的日益緊張和建設節約型社會理念的深入人心，半導體照明技術這一節能環保的新一代照明技術必將取代傳統的照明技術。屆時作為照明行業重要應用方向的道路照明也必定是半導體照明的天下。