一種綜合利用各種能源的新型LED路燈

摘 要： 目前的LED路燈主要是由市電供電，也有利用風(fēng)能或太陽能等配合蓄電池供電的，但蓄電池需要反復(fù)充放電，會(huì)影響使用壽命。通常采用一顆LED芯片照亮道路中某一特定區(qū)域，一旦其中部分芯片損壞，易導(dǎo)致照明盲區(qū)，一般沒有備用芯片，維修不便。為了克服上述不足，在此提出一種新型LED路燈，由各種能源（風(fēng)能、太陽能及振動(dòng)能）配合市電供電，節(jié)余部分并網(wǎng)進(jìn)入市電系統(tǒng)，不足部分由市電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。蓄電池作為應(yīng)急之用，充放電頻率比較低，可延長(zhǎng)使用壽命。每個(gè)LED芯片上均設(shè)置自由曲面透鏡，使其發(fā)出的光都能均勻照射到路面特定的矩形區(qū)域，其中部分芯片損壞時(shí)不會(huì)造成照明盲區(qū)，只需設(shè)置部分備用芯片，便于維修。實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)使用效果良好。

關(guān)鍵詞： LED路燈； 各種能源； 自由曲面透鏡； 備用芯片

中圖分類號(hào)： TN383?34； G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）10?0156?03

A new LED street lamp utilizing various energy comprehensively

JIA Jie， TIAN Kai， WANG Zhaoping

（College of Information Engineering， Huanghe Science and Technology College， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： The available LED street lamps are mainly powered by the mains supply， and also powered by wind energy or solar energy cooperated with battery. The service life of the storage battery is influenced by charging and discharging repeatedly. Usually one LED chip is used to illuminate a certain particular area. In case that some of the chips are damaged， it is easy to lead to lighting blind area. The maintenance is inconvenient without spare chips. In order to overcome the above disadvantages， a new LED street lamp is put forward， which utilizes various energy （wind， solar and vibration energy） cooperated with the mains power supply. On the one hand the surplus energy enters into the mains supply， on the other hand the insufficient energy is supplemented by the electric supply system. The storage battery is used as an emergency device， so its service life is prolonged due to the low charge?discharge frequency. The free?form surface lens is installed in each LED chip， which makes its light illuminate a specific rectangular area of the road surface evenly. Therefore， the damage of some chips will not result in the appearance of lighting blind area. Some spare chips are needed for preparation only prepared to make maintenance convenient. The real test indicates that the application eppect is all righy.

Keywords： LED street lamp； various energy； free?form surface lens； spare chip

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市公共照明在我國(guó)照明消耗的電能中大約占30%的比例。目前，廣泛應(yīng)用于城市公共照明特別是在主干道上的是高壓鈉燈， 因?yàn)槠淇梢蕴峁?00 lm/W以上的發(fā)光效率，但是其存在壽命短、功率調(diào)節(jié)困難、顯色指數(shù)極低等明顯缺點(diǎn)。近年來LED技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是白光LED的出現(xiàn)，以其特有的低電壓驅(qū)動(dòng)、體積小、重量輕、顯色性好、光效高、能耗低、瞬時(shí)啟動(dòng)、調(diào)光性能好、壽命長(zhǎng)、耐振動(dòng)、不易損壞、符合環(huán)保要求、具有潛在的總體成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，使半導(dǎo)體光源將成為城市道路照明理想的節(jié)能光源。LED路燈成為各類半導(dǎo)體照明技術(shù)中的一大亮點(diǎn)，得到了廣泛研究[1?4]。其顯著的優(yōu)點(diǎn)為：光效高、壽命長(zhǎng)。目前商業(yè)化的白光LED光效已達(dá)到90～100 lm/W，很快將能達(dá)到150 lm/W以上，各國(guó)專家都認(rèn)為L(zhǎng)ED的光效目標(biāo)可達(dá)200 lm/W左右。LED壽命的理想目標(biāo)是10萬h，目前商業(yè)化的白光LED壽命已經(jīng)達(dá)5萬h，是傳統(tǒng)光源壽命的10～20倍。因此作為城市道路照明光源，可10年不換光源，從而大大節(jié)省日常維護(hù)費(fèi)用。另外，LED路燈可以附加二次光學(xué)系統(tǒng)，最大限度地利用LED的光能及滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合特定的照度與光強(qiáng)分布要求[5]。因此開發(fā)高效、長(zhǎng)壽、綠色環(huán)保的半導(dǎo)體光源城市道路照明系統(tǒng)，具有十分重要的意義。目前的LED路燈系統(tǒng)，主要是由市電系統(tǒng)提供能源，也有利用風(fēng)能或者太陽能等新能源的[6?8]，主要存在以下不足：

（1） 新能源（風(fēng)能或太陽能）提供的電能，經(jīng)轉(zhuǎn)化后以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在蓄電池中，需要時(shí)再轉(zhuǎn)換為電能為L(zhǎng)ED路燈供電。氣候條件好時(shí)，風(fēng)能或太陽能發(fā)電量超過蓄電池的容量，多余部分無法利用，造成浪費(fèi)；氣候條件不好時(shí)，風(fēng)能或太陽能發(fā)電量不足，則路燈不能正常工作。而且使用過程中，蓄電池要反復(fù)充放電，使用壽命比較短。

（2） LED路燈的二次光學(xué)系統(tǒng)一般采用的方法是一顆LED照亮道路中某一特定區(qū)域，一旦其中部分LED芯片損壞，則可造成道路中某些區(qū)域的照明盲區(qū)，影響道路交通。

（3） 現(xiàn)在的LED路燈一般沒有備用芯片，而路燈比較高，維修比較困難，而且維修時(shí)容易影響交通，特別是在繁忙路段更明顯。

為了克服現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的上述不足，本文提出提出一種綜合利用各種能源的新型LED路燈，已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?01410265689.0）。該裝置白天將各種能源（風(fēng)能、太陽能及振動(dòng)能）提供的電能轉(zhuǎn)換成與市電頻率相同的交流電進(jìn)入市電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，晚上將各種能源（風(fēng)能及振動(dòng)能）提供的電能為L(zhǎng)ED路燈提供能量，節(jié)余部分并網(wǎng)進(jìn)入市電系統(tǒng)，不足部分由市電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。蓄電池組只在其他能源發(fā)生故障的情況下為L(zhǎng)ED路燈提供電能，作為應(yīng)急之用，充放電頻率比較低，可延長(zhǎng)使用壽命。每一個(gè)LED芯片上均設(shè)置經(jīng)二次光學(xué)設(shè)計(jì)制成的自由曲面透鏡，使其發(fā)出的光都能均勻照射到路面特定的矩形區(qū)域，一旦其中部分LED芯片損壞，不會(huì)造成道路中某些區(qū)域的照明盲區(qū)。而且LED路燈上設(shè)置部分備用芯片，一旦其中部分LED芯片損壞，則可以通過控制系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)數(shù)量的備用芯片，不會(huì)影響正常道路照明，而且可以減少維修次數(shù)。

1 裝置結(jié)構(gòu)圖及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，圖2所示。圖中，在LED路燈的燈桿15上方一側(cè)設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器3進(jìn)行控制，并與主控制器12相連；另一側(cè)設(shè)置太陽能電池組2，利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，由太陽能電池組控制器4進(jìn)行控制，并與主控制器12相連。在道路9的路面上設(shè)置由壓電材料制成的振動(dòng)能收集裝置8，利用路面上行駛車輛所產(chǎn)生的振動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電，由振動(dòng)能收集裝置控制器7進(jìn)行控制，并與主控制器12相連。另外，設(shè)置蓄電池組5，進(jìn)行能量存儲(chǔ)，由蓄電池組控制器6進(jìn)行控制，并與主控制器12相連。設(shè)置市電系統(tǒng)10，進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，由市電系統(tǒng)控制器11進(jìn)行控制，并與主控制器12相連。在路燈的燈桿15上設(shè)置由許多LED芯片組成的LED路燈燈具13，由LED路燈燈具控制器14進(jìn)行控制，并與主控制器12相連。在每一個(gè)LED芯片16上均設(shè)置經(jīng)二次光學(xué)設(shè)計(jì)制成的自由曲面透鏡17，使其發(fā)出的光都能均勻照射到道路9路面上特定的矩形區(qū)域ABCD，一旦其中部分LED芯片損壞，不會(huì)造成道路9中某些區(qū)域的照明盲區(qū)。

其中，LED路燈采用合肥云杉光電科技有限公司的LED交流直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，該公司是世界領(lǐng)先的LED交流直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)明者，該技術(shù)榮獲2014年日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明大獎(jiǎng)，摒棄了占LED燈具成本30%的驅(qū)動(dòng)電源，可以節(jié)電30%，增長(zhǎng)LED燈具使用壽命1倍以上。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能電池組及振動(dòng)能收集裝置發(fā)出的電能統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成與市電頻率相同的交流電，方便進(jìn)入市電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，并且可以與市電系統(tǒng)配合直接為L(zhǎng)ED路燈燈具提供電能。

LED芯片的自由曲面透鏡的二次光學(xué)設(shè)計(jì)主要是利用光學(xué)系統(tǒng)建模軟件LightTools及與主體程序配套使用的Illumination模塊完成。采取非對(duì)稱的自由曲面透鏡，將長(zhǎng)方形的配光直接由單個(gè)LED光學(xué)元件完成。整體燈頭只需將具有長(zhǎng)方形配光的LED模組簡(jiǎn)單的排列在一個(gè)平板上即可。這種LED路燈在機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱、及電源控制方面就會(huì)比較簡(jiǎn)單，不同等級(jí)公路和不同燈桿高度的道路照明只需要增加不同數(shù)量的LED模組即可。自由曲面的設(shè)計(jì)采用邊緣光線擴(kuò)展度（Etendue）守恒的原理，通過精確計(jì)算可以使透鏡產(chǎn)生均勻配光分布的矩形光斑。

2 具體工作過程

白天不需要路燈照明時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1、太陽能電池組2及振動(dòng)能收集裝置8發(fā)出的電能經(jīng)主控制器12轉(zhuǎn)換成與市電頻率相同的交流電進(jìn)入市電系統(tǒng)10，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電；晚上需要路燈照明時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1及振動(dòng)能收集裝置8發(fā)出的電能經(jīng)主控制器12轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED路燈燈具13提供電能，如有節(jié)余，則經(jīng)主控制器12作用轉(zhuǎn)換成與市電頻率相同的交流電進(jìn)入市電系統(tǒng)10，如有不足，則在主控制器12作用下由市電系統(tǒng)10進(jìn)行補(bǔ)充。平時(shí)蓄電池組5在主控制器12作用下由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1、太陽能電池組2及振動(dòng)能收集裝置8發(fā)出的電能充滿電，只有在其他能源產(chǎn)生故障，無法正常為L(zhǎng)ED路燈燈具13提供電能時(shí)，才由蓄電池組5在主控制器12作用下為L(zhǎng)ED路燈燈具13提供電能，作為應(yīng)急之用。每一個(gè)LED芯片16發(fā)出的光經(jīng)自由曲面透鏡17后都能均勻照射到路面特定的矩形區(qū)域，一旦其中部分LED芯片損壞，不會(huì)在道路中形成照明盲區(qū)。LED路燈燈具13上設(shè)置部分備用芯片，部分LED芯片損壞時(shí)可以通過控制系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)數(shù)量的備用芯片，不會(huì)影響正常照明，而且可以減少維修次數(shù)。

3 結(jié) 語

本文提出一種綜合利用各種能源的新型LED路燈，該裝置白天將各種能源提供的電能轉(zhuǎn)換成交流電進(jìn)入市電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，晚上將各種能源提供的電能為L(zhǎng)ED路燈提供能量，節(jié)余部分并網(wǎng)進(jìn)入市電系統(tǒng)，不足部分由市電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。蓄電池組作為應(yīng)急之用，充放電頻率比較低，可延長(zhǎng)使用壽命。每一個(gè)LED芯片上均設(shè)置自由曲面透鏡，使其發(fā)出的光都能均勻照射到路面特定的矩形區(qū)域，一旦其中部分LED芯片損壞，不會(huì)造成道路中某些區(qū)域的照明盲區(qū)。另外在LED路燈上設(shè)置部分備用芯片，一旦其中部分LED芯片損壞，可以通過控制系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)數(shù)量的備用芯片，從而保證正常道路照明，而且可以減少維修次數(shù)。通過制成的樣品在學(xué)校道路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，使用效果良好，證明了該裝置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性、可行性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊輝，楊維明，陳建新，等. LED路燈的散熱設(shè)計(jì)及可靠性研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24（2）：49?52.

[2] 王海燕，高之圣，楊定波.多功能LED路燈控制系統(tǒng)單元控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014，25（2）：48?51.

[3] 陳向華.佛山市禪城區(qū)LED路燈改造工程的管理及應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24（3）：48?52.

[4] 姚夢(mèng)明，鄧云塘，朱曉燕.影響道路照明舒適度的因素[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24（3）：30?33.

[5] 賀志華，董前民，王少雷，等.用于道路均勻照明的LED自由曲面透鏡設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014，25（4）：85?89.

[6] 傅創(chuàng)業(yè)，楊志偉.太陽能照明一體化路燈設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24（1）：116?119.

[7] 徐政，廣銳，吳貞龍.風(fēng)光互補(bǔ)路燈應(yīng)用效益考察與分析[J].太陽能，2014（5）：21?25.

[8] 羅素芹，李常青，魏亞坤.感知天氣的太陽能LED路燈控制系統(tǒng)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014，25（2）：39?42.

[9] 包婧文.助力中國(guó)清潔能源的可持續(xù)發(fā)展[J].太陽能，2013（14）：34?38.

[10] 胡廣良.治理霧霾，太陽能責(zé)無旁貸[J].太陽能，2014（8）：57?58.

[11] 曹丙強(qiáng)，張子超，鞏海波，等.新一代鈣鈦礦太陽能電池的構(gòu)筑與性能研究進(jìn)展[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，29（1）：75?80.

[12] 張秀清，李艷紅，張超.太陽能電池研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2014，33（7）：436?441.

[13] 李榮榮，趙晉津，司華燕，等.柔性薄膜太陽能電池的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2014，42（7）：878?885.

[14] 趙振宇，甘景雙，姚雪.風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展影響因素及解釋結(jié)構(gòu)分析[J].可再生能源，2014，32（6）：814?821.