淺析LED路燈的優(yōu)勢及存在的問題

1、道路照明屬于公共照明，由所掌控。由于 LED具有高效、環(huán)保、節(jié)能和壽命長等特點，LED 光源可以率先在道路和隧道照明中應(yīng)用。用于道路照明的燈具，被稱作路燈。以 LED作為光源的道路照明燈具，則稱作 LED 路燈。 LED路燈的核心是 LED 光源。LED 路燈光源，是由許多大功率白光 LED 通過混聯(lián)方式連接而成的。 LED路燈燈具除了 LED 模組之外，還包括驅(qū)動電源、光學(xué)元件及散熱裝置等。一、道路照明的發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)人們有了夜晚出行的需求時，便出現(xiàn)了道路照明。近代道路照明始于白熾燈的出現(xiàn)。道路照明是隨著時代的發(fā)展、科技的進步和人們生活水平的不斷提高而發(fā)展的。從人們僅要求照明路面察覺道路的情況，

2、到幫助人們識別道路是行人還是障礙物，再到幫助機動車和非機動車駕駛者不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿辨別行人的特征等。道路照明的根本目的是在于為駕駛員和行人提供良好的視覺條件，指引他們行進，以便提高交通效率，降低夜間的交通事故和犯罪，同時幫助行人看清周圍環(huán)境，辨別方向。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們在夜間到戶外休閑、代購、觀光等活動越來越多，良好的道路照明也起到豐富生活、繁榮經(jīng)濟和提升城市形象的作用。按照照明的觀點，道路可分為四大類：汽車專用道路、一般街道、商業(yè)街及人行道。通常所講的道路照明，乃指汽車專用道路照明。在道路照明的諸多目的中，為機

3、動車駕駛員提供安全舒適的視覺條件是第一位的。道路照明光源最早是路燈，后來相繼出現(xiàn)了高壓汞燈、高壓鈉（HPS）燈和金屬鹵化物燈、不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿高效節(jié)能燈、無極燈及 LED 燈等。在目前比較成熟的路燈光源中，HPS 燈的光效最高，一般達100120lm/W，在目前的中國整個道路照明市場（擁有量約 1500 萬盞）上，高壓鈉燈占據(jù) 60%以上的份額。而在一些社區(qū)和鄉(xiāng)村道路上的照明光源主要是電子節(jié)能燈（CFL），約占道路照明市場 20%的份額。傳統(tǒng)白熾燈和高壓汞燈，正在逐步被淘汰。LED 照明是一種節(jié)能環(huán)保照明。LED 道路照明示范正在全球展開，中

4、國大陸成為先行者，臺灣地區(qū)居次。在 2009 年 4 月 28 日，國家科技部正式發(fā)文國科發(fā)高（2009）189 號，在天津、石家莊、大連、上海、杭州、廈門、南昌、成都、西安、重慶、深圳、東莞和山東濰坊等 21 個城市開展“十城萬盞”計劃試點，LED 路燈以其突出的示范效應(yīng)成為各類半導(dǎo)體照明技術(shù)中的一大亮點。不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿二、LED 路燈的優(yōu)勢與以高壓鈉燈為代表的傳統(tǒng)路燈比較，LED路燈具有很多顯在和潛在的優(yōu)勢。（1）光效高，能耗低目前大功率白光LED的光效已超過100lm/W，科銳（Cree）、歐司朗（Osram）光電半導(dǎo)體等的大功率白光

5、 LED 的實驗室水平早在 2009 年年初就達 160lm/W。根據(jù)美國能源部（DOE）預(yù)測，到2020 年前后，大功率 LED 商業(yè)產(chǎn)品的光效可以達到 165lm/W，實驗室樣品光效可以達到 230lm/W。到2020年之后， LED光效基本不再會有大的提高，將進入一個遲緩期。在道路照明方面，高壓鈉燈因為其光效可達到 120lm/W 而占主導(dǎo)地位。但是，隨著 LED 光效的不斷提高，高壓鈉燈路燈的壟斷地位岌岌可不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿危。目前在次干道上使用的 150W 以下的 LED 路燈，已體現(xiàn)出明顯的節(jié)能優(yōu)勢。傳統(tǒng)路燈光源一般向整個空間發(fā)光，

6、但需要路燈照亮的只是行車和行人的路面，因此在路燈燈具設(shè)計時，為了盡可能地使燈光均勻并集中地投射到路面上，需要使用曲面反射器來收集光線，使其向所需要的方向照射。在光線傳播過程中，由于光源的阻擋和反射面的吸收而損失，致使路燈的出光效率僅為 65%70%。反觀 LED 路燈，因其具有良好的方向性，在采用二次光學(xué)透鏡時，燈具效率可達 80%左右。如果再進行三次光學(xué)設(shè)計，燈具的出光效率可達 85%90%。表 1 列示了某一 400W 的高壓鈉燈與一盞250W的LED路燈燈具效率及路面利用率等參數(shù)比較。表 1400W 高壓鈉燈與 250W 的 LED 路燈參數(shù)不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外

7、露。主甚愛之,欲招為婿比較事實證明，用配光科學(xué)合理的 100W 的 LED路燈替代次干道上使用的 250W 的高壓鈉燈路燈，不僅能達到道路照明標(biāo)準(zhǔn)要求的平均照度，而且均勻度也得到大幅提高。而高壓鈉燈路燈的平均照度局部區(qū)域可能較高，但均勻度卻很差。由此可見，LED 路燈具有相當(dāng)大的節(jié)能空間。高強度放電（HID）燈路燈，一般只能在小范圍內(nèi)進行調(diào)光，而LED路燈可以實現(xiàn)從0%100%范圍內(nèi)的調(diào)光控制，可以根據(jù)環(huán)境光照和交通狀況靈活調(diào)節(jié)光輸出，在保證照明需求的情況下降低不必要的能耗。由此可見，對于占總照明用電量約為 15%20%的道路照明來說，大規(guī)模地推行LED 路燈，對于節(jié)能降碳具有重要意義。（2）

8、使用壽命長路燈的壽命直接影響整個道路照明的維護不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿成本。目前高壓鈉燈的壽命一般為 2 萬小時左右，道路照明用高壓鈉燈的使用壽命僅約 5000 小時，而大功率 LED 的壽命一般達 57 萬小時。高壓鈉燈和 LED 的平均壽命定義是不同的。高壓鈉燈的平均壽命定義為“將一批受試光源樣品點燃至 50%數(shù)量損壞時的時間”，而 LED 的平均壽命則是指“將一批受試樣品點燃至 50%數(shù)量的光衰至 70%的時間”。若按高壓鈉燈的壽命定義來衡量 LED，壽命為 5 萬小時的 LED 則可達 10 萬小時；若按 LED的壽命定義來衡量高壓鈉燈，壽命

9、為 2 萬小時的高壓鈉燈僅約 1 萬小時。當(dāng)然，LED 的壽命并不是 LED 路燈的壽命。LED 路燈的壽命是由 LED 光源壽命和驅(qū)動電路的壽命共同決定的，而 LED 及其驅(qū)動電路的壽命取決于燈具的散熱能力、電路拓撲結(jié)構(gòu)及其電子元不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿器件的選擇等多種因素。從目前的技術(shù)水平看，LED 路燈的壽命可以超過高壓鈉燈路燈。（3）顯色性好雖然在傳統(tǒng)光源中高壓鈉燈的光效最高，但其顯色性最差，顯色指數(shù) Ra 僅約 20。如此差的顯色性只能幫助人們察覺道路狀況，并不能幫助行人清晰辨別。而 LED 的顯色指數(shù)可達 80 左右，基本上接近自然光，對

10、顏色的呈現(xiàn)更為真實，更能夠反映出物體本身的顏色。LED 的高顯色性無疑有助于司機和行人識別目標(biāo)，在同樣的路面亮度下提供更好的通行條件。（4）快速啟動白熾燈一點即亮，但實際上的啟動時間約0.10.2 秒。高壓鈉燈和金鹵燈等氣體放電燈從啟動到穩(wěn)定光輸出需要幾十秒乃至十分的時間，在關(guān)閉后需等待36分鐘冷卻后方可啟動。而LED不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿的啟動時間僅為幾十鈉秒（ns），也不存在重新啟動的等待時間，LED 燈具可以正常在連續(xù)開/關(guān)狀態(tài)。（5）便于光學(xué)設(shè)計LED 體積小，可以在半平面上定向發(fā)光，在燈具設(shè)計時可以將其近似視為是點光源，非常適合于采用透鏡

11、或反射器來進行光學(xué)設(shè)計，獲得比較理想的配光，實現(xiàn)較高的燈具效率。（6）造型可塑性強，結(jié)構(gòu)牢固LED 路燈燈具的造型可塑性強，可以通過造型設(shè)計來體現(xiàn)裝飾性和地方人文特色，增添美感和城市意象的附加價值。LED 是一種固態(tài)光源，不含玻璃和燈絲等易損壞部件。LED 燈具通過合理設(shè)計，在結(jié)構(gòu)上可以做得非常牢固。不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿（7）低碳環(huán)保，尤其適合采用太陽能光伏技術(shù)高壓鈉燈等氣體放電燈含有汞等有害物質(zhì)，光源廢棄后會對環(huán)境和水源造成長期嚴(yán)重污染。LED 芯片及其封裝可以滿足歐盟 RoHS 指令要求，不含汞和鉛等有害物質(zhì)。LED 廢棄后可以回收利用，不會

12、對環(huán)境造成污染。LED 直流驅(qū)動之特點，尤其適合采用太陽能光伏技術(shù)和風(fēng)光互補技術(shù)應(yīng)用于道路照明，從而實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能環(huán)保照明。（8）具有潛在總成本優(yōu)勢目前 LED 路燈燈具單價比高壓鈉燈路燈高 4倍以上。一盞 250W 的 LED 路燈功效相當(dāng)于 400W的高壓鈉燈路燈，但前者為 60008000 元，后者僅為 1500 元。但是，LED 路燈的高光效和長壽命特點只要能夠充分發(fā)揮，可以依靠節(jié)約的電費和不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿維護費用收回初始成本的差價。隨著 LED 路燈技術(shù)的逐漸成熟和初始成本的不斷降低，其在總成本上的潛在優(yōu)勢用不了多長的時間就會

13、顯現(xiàn)出來。三、LED 路燈目前存在的問題雖然 LED 路燈與傳統(tǒng)路燈比較具有一些優(yōu)勢，但由于 LED 路燈的發(fā)展時間很短，目前仍處于試驗和探索階段，有一些 LED 路燈在示范應(yīng)用中出現(xiàn)了諸多問題，并沒有達到人們預(yù)期的效果。目前 LED 路燈存在的不同程度的問題表現(xiàn)為：（1）實際發(fā)光效率低于高壓鈉燈路燈，在照明效果上路面亮度偏低，均勻性差，“斑馬效應(yīng)”比較明顯，只能滿足照明級別比較低的道路，例如燈桿在 8 米以下的次干道。不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿（2）色溫過高，刺眼，無舒適感（3）散熱性能差，溫升過高，致使光衰比較嚴(yán)重，可靠性變差。（4）驅(qū)動電源性能差

14、，故障層出不窮，從LED 路燈早期失效的情況下，有 95%以上的故障都是由驅(qū)動電路損壞所致。（5）成本太高，一次性投入太大，成為推廣應(yīng)用的一大瓶頸。（6）由于尚無統(tǒng)一的 LED 路燈技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的產(chǎn)品通用性極差，維護十分困難。出現(xiàn)上述這些問題的原因很多，既有技術(shù)層面上的因素，也有思維定勢等方面的影響。事實上， LED 路燈是一個系統(tǒng)工程。由于 LED光源與高壓鈉燈本質(zhì)不同，在設(shè)計方法上 LED 路不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿燈與傳統(tǒng)路燈是截然不同的。設(shè)計人員除了燈具的設(shè)計經(jīng)驗外，還需要對 LED 的性能有一個全面而深入的了解。有些路燈生產(chǎn)廠家在還不

15、甚了解LED 道路照明制作要求和特點的情況下，沿用傳統(tǒng)路燈設(shè)計思路來設(shè)計 LED 路燈，在造型上仍采用常規(guī)“蛇頭”外形，套用氣體放電燈的概念，認為只要將一定功率的 LED 排放在燈座中就可以滿足路面照明要求。按照這樣的思路設(shè)計和生產(chǎn)的 LED 路燈，不可能做到實用化。四、LED 路燈需要破解的技術(shù)難點LED 路燈要想大規(guī)模地應(yīng)用，成為道路照明的主流光源，還面臨一些需要解決的難點。歸納起來，主要難點有三個，即光學(xué)設(shè)計、散熱問題及驅(qū)動電源設(shè)計。1光學(xué)設(shè)計便于光學(xué)設(shè)計本來是 LED 路燈的一大優(yōu)勢，不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿但同時又是一大難點。從 LED 路

16、燈配光角度來說，其光輸出特性只有滿足表 2 所示的 CJJ45-2006 道路照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求才具有實用價值。表 2CJJ45-2006 規(guī)定的道路照明要求LED 路燈配光包括一次配光（采用封裝透鏡）、二次配光和三次配光。當(dāng)通過二次配光可以滿足路面亮度、照度及其均勻度要求時，則無需再進行三次光學(xué)設(shè)計。要滿足道路照明的要求，LED 路燈的配光必須經(jīng)過多次反復(fù)設(shè)計才能實現(xiàn)。目前人們研究出很多 LED 路燈配光方案，例如 LED 一次配光（即透鏡封裝）加燈具的二次配光、LED 的二次配光（利用二次透鏡）加燈具的三次配光及反射器配光等，但是，無論哪一種配不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露

17、。主甚愛之,欲招為婿光方案，還不能做到科學(xué)合理，不同程度地存在整體光學(xué)效率低、存在較大眩光和路面亮度、照度均勻性差等問題。如何選擇配光方式，如何選擇透鏡，如何改進路燈的結(jié)構(gòu)達到配光和散熱要求，目前都還需要更為成熟的解決方案。2散熱問題LED 路燈的散熱能力直接影響 LED 的實際發(fā)光效率及其壽命。LED 為電致發(fā)光器件，在其過程中只有15%25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使 LED 的溫度升高，導(dǎo)致光效急劇下降。如果 LED 結(jié)溫超過最高允許溫度（一般為125），LED 將會因過熱而損壞。因此在 LED 燈具設(shè)計中，最重要的一項便是散熱設(shè)計。LED 燈具的散熱系統(tǒng)包括 LE

18、D 模組的散熱和燈具結(jié)構(gòu)（如外殼）上的散熱片散熱，其中后者不日,君金榜題名,答辯于殿上,言辭精簡,才氣外露。主甚愛之,欲招為婿是目前常見的散熱方式，由于 LED 路燈的環(huán)境比較惡劣，易積聚塵沙和飛蟲，散熱器表面易被腐蝕氧化，這就會影響燈具內(nèi) LED 及電器的散熱，導(dǎo)致 LED 路燈使用壽命的縮短。為了解決 LED 路燈的散熱問題，可以在燈具上配置微型風(fēng)扇進行主動式強制性散熱，但散熱風(fēng)扇在戶外惡劣環(huán)境中的使用壽命難以滿足要求。LED 路燈的重量主要由散熱裝置的重量所決定。隨著 LED 路燈功率的增大，散熱器尺寸和重量也需要相應(yīng)增加。欲減輕大功率 LED 路燈散熱裝置的重量，就需要對散熱方式、散熱結(jié)構(gòu)和材料等多方面進行優(yōu)化設(shè)計。LE