灯具维护系数的优化方法

在进行配光设计之初要确定灯具的维护系数，关于这点争论颇多。城市道路照明设计标准建议在每年维护一次灯具的前提下，IP防护等级高于IP54（不包括IP54）的维护系数取0.70，否则取0.65，但是对于LED路灯不少厂家自定为0.8甚至更高，这是否合理呢？维护系数主要取决于三个方面：光学器件（反射器，透镜等）老化、外罩（玻璃，PC材料等）吸附灰尘和光源衰减。

对于光学器件，钠灯用反射器，LED路灯多用透镜，关于铝制反射器老化的情况尚不明确，对于透镜如果用亚克力材料，每年会因为老化导致透光率会下降大概1%，而PC材料则每年会下降大概3%。

对于用玻璃做光学外罩的LED路灯，跟钠灯一样，如果用PC材料做外罩，有实验表明PC材料比玻璃更易吸附灰尘。对于不用外罩直接把光学模组做成防水结构的做法，一是突出的透镜造成了吸附灰尘的表面积大于平面外罩，二是透镜复杂的外形使得在维护时很难被清洗干净。

至于光衰，质量好的钠灯可以做到16000h光通量维持率95%，并不输于LED，而且LED路灯厂家都宣称50000h的寿命，并且定义这个50000h寿命的前提是L70（即50000h后光通量可以维持在初始值的70%以上），既然这样那是不是按照70%来计算维护系数呢？

笔者认为在维护系数上LED路灯没有理由取的比钠灯高，标准制定委员会应该进行这方面的研究，在国家标准中给出明确的建议。LED灯具的维护系数应根据以下几方面因素来确定。

（1）根据应用来设计透镜

明确了以上光学设计前提后，接下来就是确定LED路灯是应用于哪些路况，是主干路、次干路、还是支路，对中国比较常见的路况信息做下收集，包括路面为（沥青路还是水泥路）、路宽、杆高、杆距、悬臂长、悬臂倾斜角度、布灯方式（单侧布灯还是双侧布灯，交错还是对称）等。另外，要确定LED的品牌和型号，拿到LED光源的原始配光数据，根据具体道路应用和LED光源数据来进行光学器件的开发。光学器件主要由反射器和透镜两种做法，目前多数厂家采取的是透镜。

反射器的设计，光型不易控制，尺寸精度低。如果用塑料镀膜来做，材料表面的反射率一般不会超过85%，虽然说有一部分光可以不经反射直接打出去，但是总的效率算下来也不过90%左右，绝对达不到透镜的反射率。特别要注意的是，塑料镀的这层膜一般是导电的，在安装上需要特别注意。国家灯具GB7000标准规定：灯具打开手不能碰到带电部件。反射器如果装在PCB表面就是带电体。虽然PCB表面有涂绝缘漆，但是这层绝缘漆是不被安全规定认可的，因为太薄不可靠。解决的办法有：使光学腔体用常用工具无法打开，无法打开也就意味着不能碰到；或使灯具打开的时候能自动断电。

透镜一般用亚克力材料或者PC材料，对于3mm厚的平板，光学级亚力克材料透光率有92%，而PC材料是88%～89%。亚力克材料耐候性差，抗紫外线性能好，一般不直接暴露在空气中；PC材料耐候性好，抗紫外线性能差，户外使用一定要加紫外线稳定剂，否则容易变黄，而且长期使用因老化造成的透光率下降比亚力克材料要高。

配光曲线一般都是平行于道路方向呈蝙蝠翼型，从而达到很好的均匀度，垂直于道路方向为非对称偏向车行道形状，保证环境比不小于0.5，但也不要高出很多。对于宽度差别比较大的道路，很难用一种透镜同时达到理想的效果，所以最好设计3～4种透镜来覆盖不同宽度的道路。路灯的配光曲线如图4.48所示。

图4.48 路灯的配光曲线

透镜的厚度、外形、间距都会影响光学效率，设计时要予以考虑。(www.xing528.com)

（2）提高光学效率

前面说过反射器效率做不过透镜，下面来解释下原因。如果这样来算透镜造成的损失，1-92%=8%，这是错误的。透光率指的是光线垂直入射（入射角为0°）材料时透过的光通量与入射的光通量之比，损失有两部分：菲涅尔损失（反射损失）和吸收损失。对于3mm厚薄板，吸收损失是很低的，我们只考虑菲涅尔损失。光线以不同角度入射透明材料时，在表面的反射率是不同的。以589nm波长的光照射到普通玻璃上为例，下表是不同入射角度反射率的计算值，见表4.4。

表4.4 不同入射角度反射率的计算值

所以LED发出的光打到材料表面一定会有光被反射回来，要想办法再利用这部分光。最简单最经济的做法就是提高PCB表面漆的反射率，通过这种方法可以做到80%。如果想进一步提高，可以在透镜与PCB之间垫一层MCPET微发泡反射片（反射率99%以上）。经测试加了微发泡反射片后，亚克力透镜的效率可以接近98%，即LED发出的光有98%可以穿过透镜。

同样，光学外罩（玻璃或者PC材料）也会反射回来一定的光，也要想办法再利用，另外，要特别注意灯具壳体四周不要挡住太多光，透镜与外罩的距离不要太远。透镜与外罩距离如图4.49所示。

图4.49 透镜与外罩距离示意图

玻璃最好用超白玻璃，5mm厚透光率可达92%，高于普通玻璃的88%。

（3）计算各条道路所需光通量，确定LED数量

有了具体的路况信息和所要达到的路面亮度和照度标准，以及透镜的配光曲线和灯具的光学效率，就可以计算出每条路对应的灯具光通量，然后就可以算出每盏灯所需要的LED数量。为了使自己的产品有更广的覆盖面，最好将光学部分设计成模块化，可以随意增加或者减少LED数量。