LED功能照明不同二次配光能效差异性分析

摘要：

LED功能照明品质好坏取决于效能对比，即:被照面在满足功能性照明前提下，产品消耗功率越小，品质越好！

光效利用率高低是检验半导体光源特性发挥好坏的重要指标！光源光效提高固然减少散热压力有助于灯具品质提升，但照明效率的提升才是LED路灯高品质，长寿命，高效节能的关键！

单位需求界面有效光通量最大化，不仅解决了产品品质寿命问题，同时也实现了同类产品同比节能提高一倍的创新突破，精准施策，有效配光必将引领户外功能性照明朝着高品质，高效节能方向发展。

通过精准配光来降低产品输出功率，满足需求减少散热，完全契合所有电子类产品的共同特性，对更好的匹配低功率窄带物联网5G技术，实现智能终端无缝衔接，完善智慧照明硬件架构体系建设，统一产品供应链标准至关重要，亟待重新认识并推广！

关键词：

照明利用率 反射式非对称二次配光 精准配光 能效 照明效率。

正文：

随着工业化向信息化时代的转变，照明产业也由电器产品为主向电子产品有序推进。节能需求是最先引爆产品迭代的导火索，当人们意识到新型固态光源给社会带来诸多利好之时，产业得以迅猛发展！

一、创新技术研发实现突破，较原有技术更节能。

LED照明产品应用初期由于光源光效偏低，人们通过加大功率维持亮度以满足应用需求，结果却发现照明初始光通量会随之迅速衰减。技术人员经研究发现，解决此类现象除了应改进散热系统之外，还应有效提高光源光效，减轻散热压力，使得产品架构更加符合半导体光源发光物理特点。当光源光效已经提升至170lm/w或更高流明时， 人们普遍认为随着产品技术的进步，LED照明可以媲美并超越传统照明，行业内甚至很少再听到散热、光衰，等矮化LED照明产品的声音，似乎预示着LED照明应用的高光时刻已提前到来！

LED照明真的达到尽善尽美，可以完美替代传统光源了吗？如前所述，新光源替代传统光源的初衷是节能，满足应用需求，提高节能效率始终是业界不断追求的目标。做为功能性照明，首先强调在满足特定功能前提下努力降低功耗。半导体照明漫射光，高显指发光特性恰好契合功能性照明这一需求特点，但这种“契合”除LED光源本身所具备的单向发光优势之外，精准配光显得犹为重要，经实验测试比较，不同配光方式所实现的节能效果相差巨大！

以道路照明为例：道路照明的指向目标在于道路，适配的二次配光技术依据道路照明形态特点来设计，即可实现高效节能的可能性！首先来分析道路照明形态与特性：

A，灯杆安装位置在路边，形成一光照角度不对称的现象；

B，路幅 : 灯杆高 : 灯距 = 1 : 1 : 3 （截光型灯具），形成一长方形被照射范围；

道路因车流量与车速限制的不同而分不同等级，不同等级的道路有不同的亮度与均匀度的要求。

同样满足以上需求，不同配光方式LED路灯照明利用率大不相同。首先，分析LED路灯节能评价指标：LED 光源光效（Lm/W）无法真正反映LED路灯的能效。单颗LED在道路照明上其光通量无法单独成为光源；LED集成模块后因其所使用导热基板、热导移系统不同，其出光量并不等同于该集成模块LED总和，因此，LED照明应注重的是灯具光通量而非光源光通量；应注重灯具光效而非光源光效。

然而，灯具光效（Lm/W）并无法真正评价LED路灯的优劣。灯具光效是做为评估一般照明节能的一个重要指标，LED路灯做为功能性照明比一般照明多了个“二次配光” 参数，而二次配光越均匀其灯具光效越低；因此仅凭灯具光效难以评价LED路灯的优劣。

由此，照明利用率（路面光通量/灯具光通量）做为关键评价指标被用来衡量LED路灯是否高效节能的关键所在！通过创新技术应用，经多年反复实践，终于可以得出结论：反射式非对称二次配光比目前行业普遍采用的折射式二次配光同照度指标环境下，同比节能近40%，同比替换高压钠灯节能80%以上，值得大力推广！现将反射式与折射式两种不同二次配光方式做一简要对比，以支撑上述结论。

1，反射式光学

运用反射式光学原理设计导光板的高度与角度，将LED所发出的光导到所预计的地方。反射式光学的优点在于，车行垂直方向配光曲线分布角度可精准设计，藉由两侧导光板可使光束分布角度涵盖路幅大一些，灯具效率高，照明利用率高，所以光学总利用率也高，适合灯杆高距比为3.5（含）以内。劣势则在于车行方向二次配光曲线与原LED一次配光曲线约相同，在灯杆高距比超过 3.5，要改变其车行方向的二次配光曲线，需将防水灯壳做成槽镜以增大其车行方向配光曲线的角度或采用自带纵向配光透镜光源来加大纵向出光角。

2，折射式光学

折射式光学则是利用光波在不同介质（透镜）其行进方向不同的特性，控制LED光至不同地方。折射式光学的优点在，车行方向配光曲线分布很容易设计成最佳行车方向，配光曲线最大值在60～65度。劣势则是路宽方向配光曲线分布角度较不易设计。若是为了设计出窄（涵盖路幅大一些）的配光曲线分布，则导致全反射光多，灯具效率较差，虽然照明利用率较高（因为出灯具窄的配光曲线分布光束大部分落在路面内），但是光学总利用率（灯具效率×照明利用率）还是偏低。为了提高灯具效率，因此设计须降低全反射光，所以设计出的路宽方向配光曲线分布角度宽，但是因为出灯具宽的配光曲线分布光束许多落在道路外，导致照明利用率较低，但是最后的光学总利用率（灯具效率*照明利用率）还是偏低。

通过两种二次配光方式对比，反射式（导光模组）较折射式（透镜）配光减少光通量损耗11%。除此之外，两种二次配光方式经不同形式光整形后（如图所示，未经整形的光斑近似一组同心圆，经过光整形的光斑为偏隅一侧的矩形），其光通量有效利用率大不相同，反射式比折射式提高26%！光学总利用率更是有效提升近40%！（数据来源详见上海市建委科技成果课题验收书，《LED路灯研究报告》）。实际案例效果证明：通过屏蔽“上视光”及“背光”可最大限度的根据路况需求，把灯具光通量均匀有效的聚焦在道路上，在降低输出功率的同时更减少了光污染，取得了一举两得，事倍功半的效果！

二、创新成就及应用成果。

上海易永光电科技有限公司自主创新“易耀”品牌LED高效节能路灯，采用独特的“反射式非对称二次配光”应用技术，实现了同类产品同比节能40%的创新突破！从国际到国内获奖（2017年获国际半导体照明联盟授予全球照明示范工程100佳、上海市节能产品奖、上海市嘉定区科技进步奖）；从理论到实践应用（上海市住建委科技处课题评审、工信部科技成果评价备案、住建部全国建设科技成果推广项目，上海奉贤区、上海迪士尼等三年以上项目典型案例）；从现场实测到实验室检测（上海市能效中心权威实测及国家实验室 6000 小时光衰检测）都达到了行业最高应用水准！

2、“易耀”品牌 LED 高效节能路灯区别于同类产品最大特点：通过反射式非对称二次配光设计，最大限度强化被照面功能性照明的实际利用，实现了单位功率有效光通量最大化！这对消除城市光污染、减轻对周边环境绿化植物（农作物）节律周期的影响，降低城市照明运营及维护成本，促进城市道路光污染根本性的转变具有积极意义，前景可期！

3、坚定不移促进及推动合同能源管理，让功能性照明回归原本功能：精准照明、应照即照、因需照明、趋利避害。

4、“易耀”品牌LED高效节能产品必将引领大功率，功能性照明产业朝更节能、更健康、更环保方向发展！

三、加快创新技术应用，释放节能存量空间。

国家实施重大能源战略，除了大力发展绿色能源之外，节能是关键！仍以路灯为例：

1，国家路网（不含各类园区，乡镇道路）约4500余万盏高压钠灯，每年电费约400亿元，若采用反射式非对称二次光学配光LED路灯，年可节约电费近300亿元！但目前市场上替代传统高压钠灯的LED路灯产品多采用折射式（透镜）配光方式，节能效率尚不能达到理想状况，等照度比较，约比高压钠灯平均节能30%，节能效率空间亟待提升。

2，制约产业迭代的瓶颈主要是：现有技术照明效率不高，产业链固化单一，同质化产品低价竞争，使得市场主体更加看重建设改造阶段的低成本，而忽视了运营维护阶段的高成本，急需政府部门加快市场化改革，实现建设运营一体化长效运行机制，全生命周期管理，加大对节能产品全要素指标评定，全面实施合同能源项目管理。

四、填补国内外空白，统一硬件标准，向智能化产品延伸。

LED路灯照明特点：光的单向性，没有漫射光、色温可调、可根据路况条件设置适配功率。

现阶段，提高灯具光通量以满足不同路型照明需要所采取的主要措施：（1）提高光源光效；（2）研制高光效黄光LED以解决低色温照明因荧光粉导致的光效降低技术难题（目前尚处于研制阶段，整体光效偏低）。但无论光源光效如何提高，虽总体光效理论上比高压钠灯高，但在实际应用上LED灯具光效始终无法超越250瓦以上高压钠灯光效！这就导致了受LED光源技术条件限制，LED功能性照明应用范围存在局限性。目前在主干道或其它类似更宽泛照明场景中尚无恰当解决方案（采用双灯头不经济做法除外）。

为此，提高光源光效利用率成为突破现阶段技术瓶颈的唯一选择！我公司创造性的采用反射式导光模组应用技术有效的提高了光源光效利用率，从根本上实现了所有照明应用场景的全覆盖！

目前，国内外对LED功能性照明节能研究主要集中在光源光效提升以及低色温黄光LED研究上，鲜有关注通过立体控光，精准配光来解决能效提升及超高功率产品应用问题。半导体照明目前已知节能方式是,通过提高光源光效或开发低色温黄光LED来提升光源出光效率，但这两种方式仅局限于提高光源出光效率来降功率，并不能实现光源光效的有效利用！因此，“导光模组”精准配光属性便成为LED灯具高效节能的最佳选项！纽约州特洛伊市照明研究中心（LLRC）研究主任NadarajahNarendran曾经说过，一支紧凑型荧光灯，如果搭配一套不合适的光学系统，就会损失高达70%的光输出。同样的，离开了正确的光学系统，LED那被热捧的效能也将不复存在。这一忠告再一次告诫照明从业者， 光源光效提升，散热系统的改进尽管在某种程度上改进了LED照明固有缺陷以及应用上存在的难题， 但并未从根本上解决高功率照明产品高品质、长寿命、稳定可靠问题，只有进一步深入研究LED做为功能性照明所表现出的“散热即时性及透过配光实现光源光效利用率最大化”的深层次难题，才可以说从根本上实现了对传统照明的全面替代！光源光效提升凸显照明产业的进步，其更大意义在于，在应用层面上应更好的提升光源光效利用率以促进LED照明产品品质提升以及满足更大范围内的应用需求！与传统照明不同的是，半导体照明更加强调灯具组件系统架构的协同一致性，而非完全依赖光源本身！灯具系统作用发挥的好坏，决定产品质量的优劣。

1、LED路灯品质好坏取决于效能对比，即:被照面在满足功能性照明前提下，产品消耗功率越小，品质越好！

2、光效利用率高低是检验半导体光源特性发挥好坏的重要指标！光源光效提高固然减少散热压力有助于灯具品质提升，但照明效率的提升才是LED路灯高品质，长寿命，高效节能的关键！

3、单位需求界面有效光通量最大化，不仅解决了产品品质寿命问题，同时也实现了同类产品同比节能提高一倍的创新突破，精准施策，有效配光必将引领户外功能性照明朝着高品质，高效节能方向发展。

4，通过精准配光来降低产品输出功率，满足需求减少散热，完全契合所有电子类产品的共同特性，对更好的匹配低功率窄带物联网5G技术，实现智能终端无障碍衔接，完善智慧照明硬件架构体系建设，统一产品供应链标准至关重要，亟待重新认识并及早谋划！

参考文献：

1，参照规范

（1）道路照明工程建设技术规程 DG/TG 08-2214-2016

（2）城市道路照明设计标准 CJJ 45-2015

（3）建筑照明设计标准 JGJ/T307-2013

（4）城市夜景照明设计规范 JGG/T163-2008

2，自行编制的企业标准或应用技术文件

（1）LED路灯智能照明系统

证书编号：沪建管科检字【2015】第004号【附件一】

（2）LED路灯研究报告

证书编号：沪建管科检字【2015】第004号【附件二】

3，评价查新报告

（1）LED路灯改造项目能效对比测试

证书编号：Z201501-CSBXL-002

测试单位：上海市能效中心

（2）科学技术成果评价报告

证书编号：中科评字【2017】第1124号

评价机构：中科合创科技成果评价中心

（3）科学技术成果验收证书

证书编号：沪建管科验字【2015】第004号

验收单位：上海市建设委员会科技委

（4）科技查新报告

证书编号：2017C0704951

查询机构：中科院上海科技查新咨询中心

作者简历：

袁奇：上海易永光电科技有限公司董事长，高级工程师，主要从事照明产品应用研究。中国城市科学研究会低碳照明中心能效提升研究室主任；《城市照明规划标准》行业标准起草组成员。撰写的论文《提高光源光效利用率是推动功能性照明健康发展的必然之路》入选第十届亚洲照明大会及2018中国LED照明论坛论文集，2018中国科学家论坛上该论文荣获一等奖，刊于《电器照明》期刊2017年第4期。《先进制造业与营商环境优化》一文登载在《中国工业和信息化》杂志2018年10月刊。曾先后荣获2018中国品牌创新杰出人物称号、2018科技创新优秀人物。