LED光源在道路照明中的发展和应用

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摘要：近年来，很多厂家相继推出了大功率LED照明灯具，并作为节能产品越来越多的应用于道路照明中。本文就LED路灯在发展应用中的几个问题做粗略探讨。分析了LED光源在城市道路照明中的发展历程，以及实际应用中“光学设计、散热等主要技术、国家标准的制定、产品的标准化和通用性以及应用功效”等问题。
目前，通过各种渠道，大家对LED光源的优良特性都有了普遍的、概念性的认识，如节能、环保（无汞）、使用寿命长、抗震性好、体积小近似点光源、驱动简单、光束集中、响应速度快等诸多优点，LED点光源在景观照明中已有了广泛应用，这是大家有目共睹，毋庸置疑的事实；在道路照明领域，LED路灯应用发展迅速，正在逐步取代一直在道路照明中起着主导地位的高压钠灯与金属卤化物灯。
由于LED发光机理上是冷光源，且辐射中光谱全在可见光范围内，因而实际效率有望更接近理论值。与传统光源相比，LED光源体积小，是一个具有一定光分布的微型灯具。白光LED显色性好，色温高，用于道路照明有利于提高人们对物体的辨别能力。LED与传统光源在发光形态上最大的区别在于LED发出的光线是定向的，从LED发出的大部分光线就能直接射向被照面，利用的比例远要高于传统的光源。我们相信，在逐步解决了散热、光衰等一系列关键技术难题，并实现造价大幅度降低后，LED光源在道路照明领域同样有着良好的发展前景。2009年中国科技部组织实施了“十城万盏”计划，得到了21个城市的积极响应，创造出庞大的LED路灯市场，应用试点示范正在如火如荼的展开。
一、为LED道路照明灯具提供平台
为了落实国务院节能减排的决定及建设部绿色照明规划纲要，确保武汉市道路照明标准化、系列化、通用化的要求，针对LED道路照明产品质量与现状，对其进行性能测试与评估，为道路照明建设提供合格的LED路灯制造供应商，以保证武汉市道路照明设施高水平建设、高效能运行。
在测试评估的一年期中，根据相关标准，进行12次路面平均照度（Eav）和均匀度（UE）等数据测试，同时还要进行灯具输入功率、功率因数、光效、配光曲线、色温、色坐标、色度容差、显色指数等特性测试，以及对低压线路谐波含量、接地措施、介电强度和灯具IP等级的测试。实施半导体照明应用示范工程，是推进中国科技部“十城万盏”计划的重大举措。通过示范工程营造市场环境，带动市场需求，在武汉市现有LED资源的基础上，引国内外先进的半导体照明技术和产品，鼓励国内外企业积极参与武汉市半导体照明应用示范工程的建设，共同推动武汉市半导体照明技术的集成和创新。
二、LED光源在道路照明应用中存在的问题
在全球能源危机与环保压力日益凸显的形势下，LED光源在道路照明中的应用已成为近年来半导体照明行业的热点。LED器件产品应用到路灯上，对技术有什么特殊要求，LED路灯与目前高压钠灯相比有哪些优势，还存在哪些不足，如何解决这一系列问题，都值得我们认真研究和思考。
（一）光学设计、散热是LED路灯面临的主要技术问题
虽然大功率LED路灯研制发展的速度很快，但在应用中还不同程度的存在着每瓦发光流明低、二次光利用水平较低、系统光效较低、光衰快、寿命短、色温偏差、光色不一、驱动器故障多等一系列问题。其中二次光学设计、散热设计和电源驱动器系统设计等主要技术问题，是提高发光效率和延长寿命的关键。
半导体照明的配光系统也有待进一步开发，由于LED光辐射方向性很强，配光曲线很难满足道路照明蝙蝠翼形的配光要求，高质量的配光系统，成为阻碍LED光源在道路照明领域推广应用的技术瓶颈。香港理工大学的蒋金波博士介绍过两种LED路灯的配光设计：第一种LED路灯采用轴对称的全反射透镜或反光杯，LED透镜模组排列于一个弧面上以产生长方形的配光。全反射透镜的引入可以极大地提高光的利用效率，但是弧形的LED模组的排列使高功率LED的散热设计和机械结构比较麻烦。第二种LED路灯则采取非对称的自由曲面透镜，可以将长方形的配光直接由单个LED光学元件完成。整体灯头只需将具有长方形配光的LED模组简单的排列在一个平板上即可，这种LED路灯在机械结构、散热及电源控制方面比较简单，不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的LED模组即可。非对称自由曲面二次光学元件的采用可以使LED路灯的长方形配光直接在单个LED模组上实现。整体路灯只需要将这些LED模组阵列按照相同方向排列即可，从而可以简化路灯灯具结构、散热及控制电源的设计。目前LED的辐射形式有朗伯型、侧射型、蝙蝠翼型、矩形、蝶翼和聚光型几种。通过二次光学设计，使得LED的光照范围、光度曲线符合道路照明的需求。
因为LED半导体光电器件是热敏元件，其散发的热量需要通过灯具有效地排除出去，否则会引起PN结温度升高，PN结结温每升高10度，半导体器件的寿命就减少1倍。LED芯片的高温度导致芯片本身及封装树脂性能的恶化，从而最终引起发光效率的降低和寿命的缩短。故散热是LED灯具设计中亟待解决又一关键技术。
（二）相应的国家标准是LED照明灯具市场健康发展的保障
LED的光电及热学特性与传统光源差异甚大，使现有LED的测量无法完全套用传统照明光源的测量方法。目前LED无论在产品规格或测量上均缺乏适当的标准，使产品种类繁多，测量无标准，市场不规范，而产品的多样性也导致企业不可能集中大规模生产。制定相关的LED标准已成为产业的迫切需求。而目前由全国照明电器标准化技术委员会制订的“普通照明用LED国家标准及行业标准”等陆续颁布实施。相关企业应进行新的市场定位和产品规划，抓住新机遇，投入必要的质量保障手段.
（三）产品的标准化和通用性是大规模使用的基础
目前推出的LED路灯，产品外观、LED的发光颗粒的排布方式与数量、驱动电路的外型尺寸和内部设计多种多样。如：单颗粒LED的功率、数量各异，1~5瓦不等；光分布情况各异，有蝠形、矩形、蝶翼型等；光学处理方式有自带透镜免二次光学处理和进行二次光学处理的；驱动器情况有专用驱动芯片IC和无电解电容；封装情况有多芯片封装和单颗芯片封装；技术线路情况有模、组式大功率、芯片集成式大功率、点阵式大功率等。电源装配也有自带一体化和外接电源两种，散热技术也各有千秋，这都给普及使用后的运行及维护工作带来极大不便，也不符合城市照明设施标准化、通用化的设计原则。
三、应用功效低是LED照明灯具大规模应用的最大障碍
目前LED路灯的成本还远高于高压钠灯，一款LED路灯价格在4000元--8000元，甚至更高，而一套进口品牌的高压钠灯（含灯具、成套电器光源）价格不超过1500元。就现状而言，LED路灯明显太贵，价高达3-5倍之多。因此，即使LED路灯的耗电量比高压钠灯低，由于价格比高压钠灯高许多，用LED路灯代替高压钠灯成本回收周期仍然会很长。

经计算90wLED光源路面平均照度约为Eav=8lx;路面照度均匀度约为UE=0.25.经计算120wLED光源路面平均照度约为Eav=11lx;路面照度均匀度约为UE=0.27.按CJJ45-2006《城市道路照明设计标准》要求，次干道路面照度应不低于10lx,均匀度不低于0.35.
从实际测试的数据可见，采用120wLED光源，照度刚能满足城市道路照明设计标准，但均匀度不能满足。在道路的同等条件下，若采用250W高压钠灯光源测试，路面照度最高能达到35lx以上，若选用好一些的灯具，路面平均照度能达到25lx、均匀度能达到0.4.
从一次性投资情况看120WLED灯具是普通高压钠灯灯具的2~3倍。显而易见，采用LED光源应用于道路照明，既浪费资金，照明效果又不太好。
四、结语
就目前高品质LED的应用，相对高压钠灯光源已有节能效果体现，若按前几年光效从30-80lm/W的速度增长，赶上和超过高压钠灯完全可以实现，但在当前推广应用LED光源路灯时要避免浮躁、急功近利情绪，不要过分扩大它的效能。作为设计人员，我们需要做的工作应当根据每种光源各自的特点，在不同的场所充分发挥其优势。我们深信LED路灯的发展优势，一定会广泛应用于城市照明的建设中。