在城市照明中,道路照明系統是不可或缺的重要組成部分,高質量的道路照明不但能夠減少夜間行車安全問題的發生,也能夠為城市的夜景增添亮色。目前城市照明系統中路燈的光源大部分仍采用高壓鈉燈,因此存在光效較低,色溫較低,顯色指數較低的“三低”問題。
隨著近年來LED照明的發展,“三低”問題有望得到解決,同時能夠得到更高質量的城市照明。目前,推進城市道路照明節能技術的發展是照明行業的主要趨勢,這里我們來簡單探討一下可供大家參考的方案。
1.電容補償式節能方案
目前應用較多的方案是電容補償,在燈泡里添加電感式鎮流器,與其他物質進行反應后產出能夠發光的氣體,起到節能的作用。電子鎮流器的特點是在節電方面的表現十分出色,且自身能耗非常低,只有普通燈具功率的5%,同時具備較高的功率因數,能夠較大幅度提高電網的效率。
2.調壓式節能方案
傳統調壓式節能方案主要由兩種模式構成--變壓器調壓與可控硅調壓,但是這兩種調壓模式都或多或少存在著不同的缺點。因此,新的調壓方式應運而生,其調制原理為:可收集體系運行的環境數據信息,計算電路的輸出實際功率,通過調節電壓控制路燈的發光亮度,最終達到用較少的電力資源完成調光的任務。該方案利用較少的電能達到照明的需求,維持了城市路燈電壓的穩定性。
3.LED路燈方案
與傳統光源相比,LED光源具有光效較高,色溫可調,顯色指數較高,體積較小,產生熱量較少等諸多優點,目前作為第四代光源已經成為未來照明的主流產品。在LED路燈的排列方式中,串聯LED燈形式簡單,電路易連接,電流和亮度一致。
但是,這種連接方式也存在一些不足,例如可靠性能較低,驅動器輸出電壓較高,對旁路串聯形式的要求較高等。混聯形式的LED燈目前使用范圍較為廣泛,其可靠性能高,交叉陣列形式也能夠確保較高的效率。但是混聯形式的LED燈驅動器設計過程繁瑣,正常工作時電路中必須是均流電。
LED路燈在驅動電源上的設置也需要特別關注,目前LED路燈有交流式供電和太陽能LED兩種形式,其中太陽能LED的優點表現為負載較小,干擾較小等。LED驅動電源通常能夠將交流電壓轉換成直流電壓,同時注意與電流的匹配。在路燈使用數量較少的背景下,驅動電源的操作和設計是比較容易的,在路燈使用數量較多時,應加強對驅動電源的反饋控制。
4.LED路燈質量的評價
從道路照明的使用者的需求角度來講,道路照明最本質的職責是服務于夜間的道路使用者,這也是建設者規劃、設計和實施道路照明工程最基本的出發點。根據《城市道路照明設計標準》(CJJ45-2015)中關于機動車道、交會區、人行道及非機動車道照明標準值的描述,能夠客觀評價所設計燈具的照明效果是否達標。
4.1 LED道路照明存在的問題
目前導致用戶對于LED照明產品產生疑惑的問題主要來自兩個方面:
(1) 照明工程質量控制的不足。
在新建道路照明項目中,往往出現犧牲道路照明質量換取節能收益最大化的問題。這種問題之所以被掩蓋主要是由于竣工驗收期間僅考慮機動車道照度和均勻度水平,而忽略了實際照明的質量。由這種問題引起的多方面問題隨之出現,失能眩光、環境比不達標、人行道垂直照度不達標等現象屢見不鮮。
(2) 眩光問題。
相較于傳統照明燈具,LED的發光機理會引起用戶的視覺誘導性下降,同時伴隨著不舒適眩光等問題的產生,使原本傳統燈具能夠達到的標準現在難以達到,這也成為了目前很多用戶抵觸LED路燈的緣由。
4.2 LED路燈配光問題
(1) 垂直照度問題。
由于LED光源在配光設計過程中往往以點光源替代,容易實現精確的配光分布,使得機動車道內外側的光照區別明顯,這在光能利用率和照度均勻性上均體現了LED照明光源的卓越性能。
但是,如果考慮機動車道外側人行道的照明以及人臉識別等因素,這種明暗分明的光源配光反而不容易滿足要求。相反,傳統燈具在道路橫向和縱向的分布范圍較廣,這種分布沒有特別明顯的區域劃分,在設計之初不屬于照明區域的地方也能夠有光線到達,因而能夠輕易照明人行道的區域,從而比較容易實現人臉識別。
(2)誘導性問題。
在霧霾天的夜晚,傳統鈉燈下照明的道路可以提供更好的誘導性,這是因為較大的垂直角上的適量光強分布可以比LED較小的垂直角分布更讓人在遠處發現它的存在,據此識別道路的線形特征。LED路燈在大垂直角上光截止過于銳利,因此即使在路面亮度較高的情況下,視覺誘導性也寥寥無幾。
(3) 不舒適眩光問題。
引起不舒適眩光問題主要緣于觀察角度、觀察距離以及燈具表面亮度的選擇。就路燈而言,觀察角度和觀察距離兩者都是更改不了的,只有燈具表面亮度可供選擇。由于大功率LED芯片的表面亮度可達107cd/m2,導致LED路燈燈具在不同視角透鏡表面的亮度在105-106cd/m2之間,遠遠高于高壓鈉燈的亮度,因此在較短距離的觀察下,LED燈具更容易引起不舒適眩光的產生。
飛利浦亞洲研究院、飛利浦荷蘭研究院以及埃因霍溫技術學院聯合研究后表明,LED眩光會引起行人和非機動車駕駛員的誤判,但由于機動車駕駛員通常觀察距離較遠,致使眩光問題不會有太大的影響。
上述問題主要源于LED路燈的配光,但這并不是LED光源的天生缺陷。LED的精確配光光學特性為照明設計行業提供了許多可選項,其中一個就是可以完全滿足所有道路照明指標,目前出現的問題不過是制造商的商業驅動和用戶的節能驅動所造成的一種矛盾現象。LED路燈能夠實現道路照明的節能化,但是片面強調節能就會帶來其他方面的問題。
總之,道路照明質量標準是一個綜合性很強的評價體系,單方面追求照明節能必然導致照明質量的流失,如果政策和建設方一意孤行地強調節能,那么照明質量的問題就不會被合理解決;
許多LED路燈的制造商對于其產品和應用的理解不足,導致一味迎合甚至誤導建設方的觀念也是LED路燈照明行業中的一大障礙。因此,LED道路照明還有很長的路要走,作為一名LED照明的相關從業人員,我們會一直在路上。