大功率LED道路照明系统设计与实现

摘要

目前道路照明系统光源仍以采用高压钠灯或金卤灯为主，功率都为几百瓦或以上，耗电程度较大，而且该种系统寿命不长，维修工作量较大。发光二极管（LED）作为一种“绿色光源”，其在道路照明系统上的运用将一改传统光源的各种缺点，是未来照明领域发展的趋势。随着LED照明技术的日趋成熟，单颗LED功率的增大及发光效率的提高，城市道路照明节能改造成为可能。然而，由于目前LED道路照明系统一般都采用简单的平面二次光学设计方案，路面的光照度均匀度都不高；另外，LED的散热问题只有得到很好的解决才能充分发挥LED优势。基于这两点考虑，本文针对朗伯型、蝙蝠翼型两种比较适用于道路照明领域的LED光源各自的出光特点，经过二次光学设计和散热处理设计等大量模拟和实验工作，最终制作出两款大功率LED路灯系统，有效地解决了散热和提高照度均匀度的应用难题，达到了预期的目的。
　　 配合大角度变角度分布二次光学设计，本文巧妙地采用多组散热模块以特定角度分布搭配整合的散热方案设计，充分融合了二次光学设计与散热设计的理念，是设计的核心所在，也是本文的新颖之处。实验结果最终表明：8m的安装高度，91W LED1照明系统和115W LED2照明系统在48×10㎡的有效照明区域内照度均匀度分别达到0．58和0．45，相比城市道路照明设计标准中的最高道路级别照度均匀度0．4，分别超出其45％和12．5％；散热效果方面，在保证良好导热的前提下，LED结温维持在80℃之内，远小于LED管芯最高耐温值125℃；其他诸如不舒适眩光指数、灯具效率和光衰程度等指标都达到了设计标准。
　　 本文通过实验结果验证了大角度变角度分布二次光学设计的可行性，能够有效地提高路面光照度均匀度，对LED道路照明产品的开发设计具有指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的背景与提出

1.1.1 照明领域的新要求

1.1.2 LED在照明领域的发展

1.1.3 LED道路照明的发展现状及存在的问题

1.2 本课题的研究内容及意义

第二章 道路照明理论基础

2.1 照明基本概念

2.2 道路照明光分布坐标系统

2.3 道路照明设计步骤

2.4 道路照明质量指标与测量

2.4.1 路面光照度与测量

2.4.2 路面光亮度与测量

2.4.3 眩光控制水平

2.4.4 高效率照明的主攻方向

2.5 本章小结

第三章 LED光源特性

3.1 发光机理

3.2 LED主要特性参数

3.2.1 LED的光电特性

3.2.2 LED的热学特性

3.3 白色LED制备及其光谱特性

3.4 本章小结

第四章 照明系统设计

4.1 LED光源选择

4.2 二次光学设计

4.2.1 设计原理

4.2.2 变角度分布设计

4.2.3 灯罩的设计

4.3 散热设计

4.3.1 散热理论基础

4.3.2 LED结温测量

4.3.3 散热方案设计

4.3.4 实际温度测量

4.4 驱动电源

4.5 本章小结

第五章 软件模拟与仿真

5.1 Trace Pro光学模拟

5.1.1 单颗LED的模拟

5.1.2 两个LED的间距对光照度分布影响的考虑

5.1.3 总体光学系统建模

5.2 Solidworks热分析模拟

5.2.1 单组散热模块建模

5.2.2 单组散热模块温度模拟

5.3 本章小结

第六章 系统参数测量与分析

6.1 系统参数测量

6.1.1 系统电学参数测量与分析

6.1.2 灯具相关参数测量与分析

6.1.3 路面光度测量与分析

6.1.4 系统可靠性测量与分析

6.2 结果对比分析

6.2.1 实测数据与模拟结果比较分析

6.2.2 实测数据与道路照明标准比较分析

6.2.3 实测数据与LED路灯系统相关报导比较分析

6.3 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢