摘 要：本文主要阐述城市道路照明灯具的设计如何与“节能”有机地联系在一起，按照灯具的配光原理，使光的输出有较高的维持率和维护系数，使受照路面获得更高的光利用率来在这到节能的效果。
关键词 照明灯具节能 反光器 光学设计 光源电器
完美的道路照明灯具不仅要外型美观，具有规定的光学特性，而且是“节能”的，能使光源发出的光通量得到充分的利用。设计“节能灯具”是建设资源节约型社会的一项重要举措。笔者试就道路照明灯具设计环节上如何发挥节能效能作如下探讨。
一、设计高效合理配光的反光器，充分利用光能节约能源
反光器的作用是合理分配光源辐射的光通量，满足环境（道路）和作业面的配光要求，而不产生眩光和严重的光幕反射。目前我国使用的百余款道路照明灯具中，外型翻新的多，而对反光器的改进少，这与国外灯具制造业在反光器上的精心设计形成鲜明的反差。鉴于反光器在充分利用光能、节约能源上的极端重要性，笔者认为下面二款路灯反光器技术指标可供设计借鉴
A）AUS道路灯具光度学曲线（250W 高压钠灯）
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1、配光曲线：半截光型、翼形配光分布，最大光强角g67.5°，最大光强值与灯下点光强值之比为2.9，光分布曲线均匀。
2、利用系数曲线：灯具安装仰角15°，距高比为2时，受照路边光利用率53%，屋边光利用率23%。
3、平面等照度曲线: 光分布均匀，光强递减缓和，均匀度和纵向均匀度非常好。
4、灯光输出效率：81.3%
B)DLD道路照明灯具光度学曲线(400W高压钠灯)
1、配光曲线：截光型、翼形配光分布，最大光强角g63°，最大光强值与灯下点光强值之比为2.35，光分布曲线均匀。
2、利用系数曲线：灯具安装仰角15°，距高比为2时，受照路边光利用率58.5%，屋边光利用率16%。
3、平面等照度曲线：光分布均匀，光强递减缓和，均匀度和纵向均匀度非常好。
4、灯光输出效率：83.9%，有效率80.03% 。
上述两款路灯反光器照明性能优良，比一般同类路灯光输出效率高5-10%，也就是更“节能”。因此在推动照明节能工作中，设计高效合理配光的路灯反光器具有很大的节能潜力。同时也说明路灯的反光器光学系统性能设计是提高照明效率的重要关键。鉴于设计繁复，当前正在从较原始的手工设计计算向利用高科技的电脑软件辅助设计过渡。电脑软件分析从光源上各点发出光线的行迹和多次反射后的走向及反射光线的分布，然后将直射光线和反射光线综合后求得符合规范要求的所企盼获得的配光曲线，与此同时反光器的形状、尺寸、三维图像均自然获得，所以它的推广和普及将极大地推动道路照明灯具向节能和环保方向发展。
美国LTI公司PHOTOPIA光学设计软件，适宜反光器几何光学中的非成像光学系统的设计，设计软件中有各类光源和反光器应用材料的数据库，供设计时选择应用。
路灯大多采用HID光源的高压钠灯和金卤灯，功率较大，发热量很高，所以反光器体积和表面积的大小会影响到散热中的热平衡问题，如果体积太小散热不够会影响光源的使用寿命和灯具的光度学数据，同时会影响光源的色温及显色性，影响对光色要求比较严格场所的照明效果，故在热力学设计中亦可采用美国Idea-s,pro-e电脑软件，帮助进行灯具温度分布的预测和分析，避免造成不良后果。
二、应用新材料新工艺制作反光器，提高其反光系数节约能源
路灯反光器大多采用高纯铝板经拉伸、冲压成型制作，表面化学抛光后阳极氧化处理，氧化膜厚7-8mm，并在氧化层表面进行蒸镏水或纯水封孔工艺处理。铝纯度在99.6%时，反射系数约0.76-0.78; 铝纯度在99.7%时，反射系数约0.80;；铝纯度在99.8%时，反射系数约0.82；铝纯度在99.9%时，反射系数约0.85。铝纯度越高反射系数也越高，相对较“节能”。铝氧化膜在3-4mm时，反射系数比8mm高，但其耐腐性能就越差。膜越厚反射系数就越低，所以确定合适的氧化膜厚度和铝板的纯度都非常重要。
要进一步提高反光器反光系数可采用真空涂覆多层介质膜技术。 在金属反光器表面先涂覆耐高温的塑料树脂做基底，然后采用真空镀膜技术将反射低次光波的TiO2和高次光波的SiO2交替涂覆17-21层次就能获得耐高温的硬膜，反射可见光，透射红外线，该复合膜的反射系数>0.94，镜面特性好，能大大提高反光器的光控性能和效率。
铝反光器氧化膜封孔新工艺——纳米(Nnometer)及复合氧化(Composite anodizing of aluminum)正被有意识前沿的路灯制造企业所认识和接受。它是在铝制反光器阳极氧化过程中加入亚纳米级的细微粉末SiC或rAL2O3，从而使氧化膜孔隙率下降，成膜速率提高，而且膜层硬度高、耐腐性好、耐高温，能保护反光器曲面的精确度和粗糙度。复合氧化铝膜对红外线还有一定的吸收作用。
隧道照明灯具的反光器可采用辊轧工艺加工的高度镜面铝板制作，反射率为92%，比用高纯铝板传统工艺氧化处理的反射率高8%左右。
三、采取延缓灯具光衰的措施和方法节约能源
延缓灯具的光衰，确保光源光输出的高效率和维持率，减轻维护工作量是道路照明管理系统所企盼的。
1.透明灯罩材料选择及维持良好透射率
路灯透明灯罩材料在近十年来有很大的演变，在材质的变更及加工工艺的变革中使质量的提升有了令人欣喜的进步，其性能特点及应用年代大致划分如下：
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年代
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灯罩材质
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透光率
% |
做作工艺
及方法 |
性能特点（优缺点）
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六十
（上世纪） |
乳白玻璃
透明磨砂玻璃 |
60-65
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人工吹制
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防腐、耐候性好、价廉透光率高、易破裂、壁厚不均匀
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七十
（上世纪） |
透明玻璃
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86-88
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人工吹制
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防腐、耐候性好、价廉透光率高、易碎裂、壁厚不均匀
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透明玻璃
硬质硼硅玻璃 |
82-85
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模压
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光通过棱镜折射，光线柔和，强度高不易碎，价格高
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八十
（上世纪） |
耐高温有机玻璃板
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88
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模压+气压
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壁厚均匀、透光率高、重量轻不易碎。耐温105℃（不够），易变形、发黄老化
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九十
（上世纪） |
聚碳酸脂（PC）
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88-89
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注塑成型
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耐温128℃（较高），抗冲击不易碎、耐候性较好。价格高，表面静电吸附积灰，影响透光率
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本世纪
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浮法硼硅玻璃板
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90
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模压+加热
气压成型 |
壁厚均匀，安全钢化，透光率高，价格适宜
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繁华的城市道路由于车流量大，空间充满了灰尘和汽车排放的尾气和油烟混合物，随风漂浮，日积月累沉积在灯具表面，特别在灯具透明罩表面结成一层油尘相融尘膜，吸收着光源发出的光线，阻碍着光线的透射，使受照路面的照度急速下降10～20%，降低了照明质量，因此定期清洗灯具表面的尘埃是提高光维持率常用的方法，但在现实生活中要做到这一点很不容易，也不现实，因此如何采取一种有效措施能降低油烟、尘埃积聚在透明罩表面的速率不失为有现实意义的好方法。在这里介绍一种方法，即在透明灯罩表面涂覆一层二氧化钛薄膜，此膜受光照后便发生催光化学反应，与玻璃表面油汽中的有机键(CH)结合生成二氧化碳和水(CO2、H2O)，使表面有了一层水保护膜，由于二氧化钛有良好的亲水特性，油烟和尘埃很容易被雨水清洗掉，灯罩表面经常保持清洁，有良好的透光率。
2.活性碳空气过滤器延缓光衰减
灯具密封性能亦是直接影响灯光输出维持率的重要因素。在结构上，可将大面积的外壳之间密封改为小面积的光源室密封，即反光器与透明灯罩和抽插式灯座之间实施密封，在密封面之间采用耐温耐气候性的硅橡胶密封垫或者硅胶直接粘结，可将灯具的防护等级提高到IP65。但随之而来的问题是，在光源点与灭的过程中，因光源室内的温度变化引起空气热胀冷缩的变化，形成“呼吸”现象，即开灯时光源室空气压力升高需向外逃逸；关灯后室内膨胀了的空气将缩小体积形成负压，将室外气体吸人，致使密封与冷热空气交换成为矛盾。解决这对矛盾的办法是，采用在光源室安装活性碳空气过滤器，因为活性碳具有高密度的表面积(100～150m2g),对水蒸汽、有机蒸汽的吸附值≥25%,碘吸附值≥900mg/g; PH值4-11，能有效阻挡受污染了的空气，使其经过滤后进入光源室，保护光源和反光器不受污染，从而起到延缓光衰减的作用。无锡前洲特种碳化设备厂采用模压烧结工艺制作的活性碳空气过滤器，已被国内外数十家大公司应用在大功率照明灯具中，取得了良好的效果。
四、推广采用高效节能光源电器节约能源
高压钠灯和金卤灯等高光效光源路灯，除光源自身消耗能源外，电感镇流器的能耗占光源功率的10%-15%。因此，提高镇流器的能效是节能的一个重要方面。目前，节能型电感镇流器在技术上已比较成熟，其节电节钱效果明显。
1.双功率(变功率)高压钠灯电感镇流器，能按交通流量的变化规律自动调变功率，在车稀人少的午夜，预置电路的限时系统自动变换功率，使灯在60%左右的额定功率下运行，功耗比传统镇流器降低50%，系统节能效率>30%，寿命>10年。
2.高光效金卤灯电感镇流器是利用320W镇流器驱动320W光源，达到400W照明光通量，自身功耗比传统镇流器降低50%，功率因素>0.85，寿命>10年。
3.高压钠灯电子镇流器是恒功率输出，能在电压波动时进行自控，保护钠灯发光的稳定性，预防光源在高电压下超功率工作，低电压下自熄，其工作电流较电感镇流器小60%，功耗低，节电30%。功率因素0.98，有利电网供电质量得到改善，当在线路发生短路或断路等故障时能自动断电保护；当故障排除后能自动恢复工作。但是电子器件自身的温升使其运行可靠性能不稳定，寿命不长，且价格较高。有利于推广应用，国家发改委已将电子镇流器列为“节能重点领域和重点工程”，正在应用微纳米技术—纳米硅CMOS器件和纳米电路系统设计，探索解决上述问题，相信不会太久，质量可靠的电子镇流器定能普及应用。
4.单灯电容无功补偿是用合适电容量的电容器并联于感性负载（电感镇流器）中，将功率因素达到0.85～0.9，以减少照明电路中的无功功率、降低照明线路上的电压和电能损耗，降低线路电流近50%,对节省电能具有非常深远的意义还可以减少导线截面，节省敷线工程投资。高压钠灯常用补偿值如下表
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功率（W）
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工作电流（A）
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补偿电容值（μf）
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70
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0.98
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9
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100
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1.2
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12
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150
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1.8
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18
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250
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3.0
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30
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400
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4.6
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45
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