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，也有利用風能或太陽能等配合蓄電池供電的，但蓄電池需要反復充放電，會影響使用壽命。通常采用一顆LED芯片照亮道路中某一特定區域，一旦其中部分芯片損壞，易導致照明盲區，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（風能、太陽能及振動能）配合市電供電，節余部分并網進入市電系統，不足部分由市電系統進行補充。蓄電池作為應急之用，充放電頻率比較低，可延長使用壽命。每個LED芯片上均設置自由曲面透鏡，使其發出的光都能均勻照射到路面特定的矩形區域，其中部分芯片損壞時不會造成照明盲區，只需設置部分備用芯片，便于維修。實際測試表明，系統使用效果良好。

關鍵詞： LED路燈； 各種能源； 自由曲面透鏡； 備用芯片

中圖分類號： TN383?34； G420 文獻標識碼： A 文章編號： 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

據統計，城市公共照明在我國照明消耗的電能中大約占30%的比例。目前，廣泛應用于城市公共照明特別是在主干道上的是高壓鈉燈， 因為其可以提供100 lm/W以上的發光效率，但是其存在壽命短、功率調節困難、顯色指數極低等明顯缺點。近年來LED技術取得了突飛猛進的發展，特別是白光LED的出現，以其特有的低電壓驅動、體積小、重量輕、顯色性好、光效高、能耗低、瞬時啟動、調光性能好、壽命長、耐振動、不易損壞、符合環保要求、具有潛在的總體成本低等諸多優點，使半導體光源將成為城市道路照明理想的節能光源。LED路燈成為各類半導體照明技術中的一大亮點，得到了廣泛研究[1?4]。其顯著的優點為：光效高、壽命長。目前商業化的白光LED光效已達到90～100 lm/W，很快將能達到150 lm/W以上，各國專家都認為LED的光效目標可達200 lm/W左右。LED壽命的理想目標是10萬h，目前商業化的白光LED壽命已經達5萬h，是傳統光源壽命的10～20倍。因此作為城市道路照明光源，可10年不換光源，從而大大節省日常維護費用。另外，LED路燈可以附加二次光學系統，最大限度地利用LED的光能及滿足各種應用場合特定的照度與光強分布要求[5]。因此開發高效、長壽、綠色環保的半導體光源城市道路照明系統，具有十分重要的意義。目前的LED路燈系統，主要是由市電系統提供能源，也有利用風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（風能或太陽能）提供的電能，經轉化后以化學能形式儲存在蓄電池中，需要時再轉換為電能為LED路燈供電。氣候條件好時，風能或太陽能發電量超過蓄電池的容量，多余部分無法利用，造成浪費；氣候條件不好時，風能或太陽能發電量不足，則路燈不能正常工作。而且使用過程中，蓄電池要反復充放電，使用壽命比較短。

（2） LED路燈的二次光學系統一般采用的方法是一顆LED照亮道路中某一特定區域，一旦其中部分LED芯片損壞，則可造成道路中某些區域的照明盲區，影響道路交通。

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

為了克服現有實驗裝置的上述不足，本文提出提出一種綜合利用各種能源的新型LED路燈，已經申請了國家發明專利（申請號：201410265689.0）。該裝置白天將各種能源（風能、太陽能及振動能）提供的電能轉換成與市電頻率相同的交流電進入市電系統，實現并網發電，晚上將各種能源（風能及振動能）提供的電能為LED路燈提供能量，節余部分并網進入市電系統，不足部分由市電系統進行補充。蓄電池組只在其他能源發生故障的情況下為LED路燈提供電能，作為應急之用，充放電頻率比較低，可延長使用壽命。每一個LED芯片上均設置經二次光學設計制成的自由曲面透鏡，使其發出的光都能均勻照射到路面特定的矩形區域，一旦其中部分LED芯片損壞，不會造成道路中某些區域的照明盲區。而且LED路燈上設置部分備用芯片，一旦其中部分LED芯片損壞，則可以通過控制系統啟動相應數量的備用芯片，不會影響正常道路照明，而且可以減少維修次數。

1 裝置結構圖及系統設計

裝置結構示意圖如圖1，圖2所示。圖中，在LED路燈的燈桿15上方一側設置風力發電機組1，利用風能進行發電，由風力發電機組控制器3進行控制，并與主控制器12相連；另一側設置太陽能電池組2，利用太陽能進行發電，由太陽能電池組控制器4進行控制，并與主控制器12相連。在道路9的路面上設置由壓電材料制成的振動能收集裝置8，利用路面上行駛車輛所產生的振動能進行發電，由振動能收集裝置控制器7進行控制，并與主控制器12相連。另外，設置蓄電池組5，進行能量存儲，由蓄電池組控制器6進行控制，并與主控制器12相連。設置市電系統10，進行能量調節，由市電系統控制器11進行控制，并與主控制器12相連。在路燈的燈桿15上設置由許多LED芯片組成的LED路燈燈具13，由LED路燈燈具控制器14進行控制，并與主控制器12相連。在每一個LED芯片16上均設置經二次光學設計制成的自由曲面透鏡17，使其發出的光都能均勻照射到道路9路面上特定的矩形區域ABCD，一旦其中部分LED芯片損壞，不會造成道路9中某些區域的照明盲區。

其中，LED路燈采用合肥云杉光電科技有限公司的LED交流直接驅動技術，該公司是世界領先的LED交流直接驅動技術的發明者，該技術榮獲2014年日內瓦國際發明大獎，摒棄了占LED燈具成本30%的驅動電源，可以節電30%，增長LED燈具使用壽命1倍以上。風力發電機組、太陽能電池組及振動能收集裝置發出的電能統一轉換成與市電頻率相同的交流電，方便進入市電系統，實現并網發電，并且可以與市電系統配合直接為LED路燈燈具提供電能。

LED芯片的自由曲面透鏡的二次光學設計主要是利用光學系統建模軟件LightTools及與主體程序配套使用的Illumination模塊完成。采取非對稱的自由曲面透鏡，將長方形的配光直接由單個LED光學元件完成。整體燈頭只需將具有長方形配光的LED模組簡單的排列在一個平板上即可。這種LED路燈在機械結構、散熱、及電源控制方面就會比較簡單，不同等級公路和不同燈桿高度的道路照明只需要增加不同數量的LED模組即可。自由曲面的設計采用邊緣光線擴展度（Etendue）守恒的原理，通過精確計算可以使透鏡產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，風力發電機組1、太陽能電池組2及振動能收集裝置8發出的電能經主控制器12轉換成與市電頻率相同的交流電進入市電系統10，實現并網發電；晚上需要路燈照明時，風力發電機組1及振動能收集裝置8發出的電能經主控制器12轉換為LED路燈燈具13提供電能，如有節余，則經主控制器12作用轉換成與市電頻率相同的交流電進入市電系統10，如有不足，則在主控制器12作用下由市電系統10進行補充。平時蓄電池組5在主控制器12作用下由風力發電機組1、太陽能電池組2及振動能收集裝置8發出的電能充滿電，只有在其他能源產生故障，無法正常為LED路燈燈具13提供電能時，才由蓄電池組5在主控制器12作用下為LED路燈燈具13提供電能，作為應急之用。每一個LED芯片16發出的光經自由曲面透鏡17后都能均勻照射到路面特定的矩形區域，一旦其中部分LED芯片損壞，不會在道路中形成照明盲區。LED路燈燈具13上設置部分備用芯片，部分LED芯片損壞時可以通過控制系統啟動相應數量的備用芯片，不會影響正常照明，而且可以減少維修次數。

3 結 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換成交流電進入市電系統，實現并網發電，晚上將各種能源提供的電能為LED路燈提供能量，節余部分并網進入市電系統，不足部分由市電系統進行補充。蓄電池組作為應急之用，充放電頻率比較低，可延長使用壽命。每一個LED芯片上均設置自由曲面透鏡，使其發出的光都能均勻照射到路面特定的矩形區域，一旦其中部分LED芯片損壞，不會造成道路中某些區域的照明盲區。另外在LED路燈上設置部分備用芯片，一旦其中部分LED芯片損壞，可以通過控制系統啟動相應數量的備用芯片，從而保證正常道路照明，而且可以減少維修次數。通過制成的樣品在學校道路進行實際測試，使用效果良好，證明了該裝置和系統設計的實用性、可行性和可靠性。

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