LED灯具在道路照明应用中的分析

摘  要  LED光源作为一种新型的光源，发展速度极快，应用于不同的领域。本文就LED光源及LED灯具进行了介绍及分析，对LED灯具运用于道路照明的优缺点进行了分析，为各城市合理、理性的新建或改造LED路灯作参考。

关键词  LED灯具    道路照明    运用分析

一、LED光源及LED路灯灯具简介

发光二极管，简称LED，是英文light emitting diode的缩写，其发光原理是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体材料的PN结中注入的少数载流子与多数载流子复合时引起光子发射而产生光，把电能直接转换为光能。LED作为一种固体光源，最初作为一种指示灯、显示板来使用，但目前随着技术的发展，已经能作为光源使用，它不但能够高效率地直接将电能转化为光能，而且拥有理论上最长达10万小时的使用寿命，同时具有环保无汞、色彩丰富、可连续开关闪断、能实现0%~100%调光功能、输出光无频闪等诸多优点，成为高效、节能、环保的新一代光源的发展趋势。

LED路灯灯具是一个集LED光源技术、LED灯的控制装置技术、LED模块连接器技术和灯具设计技术于一身的产品。大功率LED灯具运用于道路照明是近年来照明行业关注的焦点。为推动节能减排，有效引导半导体照明应用的健康快速发展，国家科技部于2009年3月推出了“十城万盏”计划，这一举措更加速了大功率LED灯具的发展与升级，促进了LED灯具在各大城市路灯工程中的快速运用。各地方政府纷纷在照明工程中使用LED路灯作为节能减排的一项重要工作。由于LED灯具是一种新生产品，在许多技术方面还存在着很多问题没有解决，致使许多采用LED灯具的道路路灯产生照度、均匀度、使用寿命达不到相关标准，同时由于LED灯具无国家统一标准，各厂家生产的LED灯具五花八门，相互之间不能通用，致使路灯养护单位对LED灯具的维修产生困难。

二、LED光源较传统光源的优点

1、超长寿命：LED光源属于固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，理论上使用寿命可达5万~10万小时，意味着每年点灯4150小时，可以有12~24年晚维护的理论保障，比传统光源寿命长5~10倍。

2、绿色环保：LED光源中不含水银，不会造成环境污染；光谱中没有紫外线和红外线，不会破坏文物，而且废器物可回收。

3、安全可靠：LED光源供电电压在6~24V之间，比较安全，特别适用于公共场所。

4、显性色高：LED光源的显色性较高压钠灯高很多，高压钠灯显色指数只有23左右，而LED光源显色指数达到75以上，从视觉心理角度考虑，达到同等亮度，LED灯具的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上（参照英国道路照明标准）。

4、LED光源能瞬时启动，而且颜色丰富，非常适合颜色要求变换，能瞬时开关的场合。

5、LED光源单颗体积小，组合性较强，设计空间非常大，能充分发挥在建筑物结构空间的点照明、面照明、线照明以及局部特写，非常适合景观艺术照明、隐藏照明。

6、LED光源耐冲击，耐震动，不易破碎。

三、目前LED灯具存在的主要问题

1、灯具光效较传统灯具要低

光源发出的光经灯具反射后，并不是全部投射于需要照射的路面，因为一个灯具有效效能的概念。所谓灯具有效效能就是指灯具输出有用的光通量与输入的电功率之比。

LED灯具有效效能=LED光源光效*结温引起的光衰*透光率*驱动功耗*灯具光线利用系数。

以目前普通的LED光源光效90lm/w为例，LED灯具有效效能：

90lm/w×0.85×0.9×0.85×0.9=52.7lm/w

传统灯具有效效能=传统光源光效×灯具光线利用系数÷(1+镇流器功耗)

以150W高光效钠灯光效110lm/w为例，现在的灯具效率一般在0.7以上，考虑到光线不能全部照射在目标平面上，利用系数取0.6，则：钠灯灯具有效效能：

110lm/w×0.6÷(1+20%)=55lm/w

钠灯功率越高，光效越高。250W高光效钠灯光效为120lm/w，400W高光效钠灯光效为140lm/w，即功率越高，钠灯灯具有效效能就会越高。

从以上的两个有效效能数值看，用LED灯具替代传统灯具，达不到节能目的。而且功率越高，LED与钠灯的差距越大。

2、配光设计不合理：LED灯具的配光设计是LED灯具的难点之一，目前LED灯具的配光技术已经有了很大的发展，现在有一些实力较强的厂家已经开发出良好的二次配光系统，而不再是单纯依靠光源排列来配光，LED灯具二次光学设计也基本合理，投向目标照射的有效光通量和传统灯具基本接近。但综合来看，现有的LED灯具虽然经过了一定的优化设计，配光还不能做到完全合理，但经现场实测发现，有些在道路内则的配光较亮，均匀度也能满足要求，但有些则在灯下较暗，人行道侧环境光的亮度明显不足，设计人员还要加强对常规高品质路灯灯具和道路照明标准研究和理解。

3、散热困难：LED在工作过程中会放出大量的热量，使管芯结温迅速上升，LED功率越高，发热效应越大。LED芯片温度的升高将导致发光器件性能的变化与电光转换效率衰减，严重时甚至失效，根据实验测试表明：白光LED的光效随结温的升高而下降，结温每升高20度光效要下降5%。常规路灯照明灯具因其有足够的内部空间及活性炭呼吸器和硅橡胶的密封安装散热，保证了光源良好的工作条件。LED路灯的散热方式主要有自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等，由于加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性低、热管和回路热管散热方式成本高，且路灯在户外使用夜间运行，所以LED路灯散热技术一般多为外壳和散热器设计为一体，用来解决LED的发热问题。壳体采用多层翅片散热，壳体散热面小了无法解决散热，壳体散热面增加，虽然散热效果较好，却增加了重量，导致路灯灯头太重，危险性增加，尤其遇到台风、地震都可能产生意外。另外，在我国绝大多数道路灯具的使用场合，空中的飞尘量是较大的，有时会达到很大的沙尘暴，灯具使用一段时间后，其内部散热器的缝隙内就会塞满灰尘，影响散热器效果，日积月累还会影响壳体的散热效果，导致LED快速老化，稳定性降低，使LED因工作温度过高寿命明显被缩短。因而LED灯具的散热问题将是一个长期存在的问题，需要生产商和用户在以的合作中找出解决的方法。

5、寿命不长：LED的一大优势是其具有较长的寿命，这也是厂家推销的重点，政府重视的一个重要原因，可以免维护或减少维护工作量。但实际上，LED芯片的寿命虽长，并不能表示LED灯具的寿命很长。LED灯具是一个系统的集成，包含光源、散热系统、驱动电路等。影响其寿命的因素很多，如封装工艺、LED颗粒的组合方式、散热方式、驱动电源等。若封装不好，灯脚接触不良，造成结温升高，将大大影响光源的寿命。驱动电源是由各电子元件组成，电子元器件的寿命一般在50000小时左右，目前国内生产的驱动电源的寿命仅有20000小时，因此LED灯具的使用寿命不超过20000小时。

6、维护困难：大功率LED灯具的照明光源大多是由大功率LED颗粒通过二次配光组成，颗粒的损坏量很难不通过仪器而只通过肉眼进行判断，这给维护工作带来了很大的难题，严重制约了维护的速度，将在很大程度上影响道路照明照度，降低了照明质量。给路灯管理部门的管理带来了极大的不便，将损耗大量的人力、机械和时间。

保证完好的亮灯率，对于路灯管理维护单位来说是工作的根本，也是重中之重。目前LED灯具的结构基本上为一体化设计，相关器件无法在现场更换，而LED灯具生产厂家的灯具自成体系，各自不同的工作特性难以通用维护，维护时必须使用原厂产品，生产厂家不同，不同的设计、不同的寿命，导致各种备品在不远的将来会成为路灯管理维护部门的严重问题。因而每种灯具必须准备多个备用品，加大了库存，日常维护成本严重增加。除了高额成本外，损坏光源还须返回原厂修复，修复的费用和往返的时间无法控制，这对使用单位来说是无法忍受的。没有统一标准的LED灯具给质保期以后的运行维护工作带来了极大的不便，也不符合市政公用设施标准化，通用化的设计原则，灯具主体、发光颗粒、驱动电路等主要电气元件没有必要的标准性、统一性、兼容性，同时无法保证备品备件，没有相关的国家标准是LED广泛应用于道路照明的最大障碍和阻力。

四、LED灯具与传统灯具的比较

1、色温的比较

现在LED灯具的生产厂商为提高灯具的发光效率，在色温上普遍采用5000~6000K的高色温光源，因为现在的白光LED基本上采用的是蓝光LED与YAG黄色荧光粉给合的技术，这是目前所有白光LED的组合方式中成本最低而效率最高的。如果采用暖白色的低色温光源，则需要在黄色粉中掺杂其它颜色的粉（如红粉和绿粉），但其它颜色的粉相对转化率较低，会导致光通量的衰减即光效的下降。与LED的高色温相比，HPS灯具产生的黄光更显得柔和一些，人的眼睛也会感觉到舒适些。通过专业人士调查得知，很多驾驶员和行人不喜欢高色温的光线，其实这也是金囟灯无法推广使用的原因之一。在询问调查中，也有人持相反观点，觉得LED的白光比HPS的黄光更舒服，但其中也夹杂了不同显色性能的影响。

2、显色性的比较

光源对物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色的逼真程度，显色性高的光源对颜色的再现较好，我们所看到的颜色也就越接近自然色。原则上，人造光线越接近自然光线，人的肉眼越能正确辨别事物的颜色。

LED光源的显色性比高压钠灯高许多，高压钠灯显色指数只有23，而LED光源显色指数达到75以上，因此LED路灯再现事物颜色很强，提高了人对事物的分辨能力。另外，有部分专家认为，从视觉心理角度考虑，达到同等亮度，LED灯具的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上。

4、光衰的比较

现在LED灯具的生产厂商声称，LED灯具的光衰一年不到3%，使用10年仍达到道路使用照度要求，但从实际跟踪测试的数据来看，个别厂商的LED灯具使用一年后光衰超过5%，至于需要多长时间光衰到低于照度维持值，还需要进一步的跟踪测试。

HPS路灯在运行初始光衰会比较大，但后期曲线比较平稳，在HPS路灯平均寿命期间，可以维持较高水平。

5、机械安全性的比较

HPS路灯灯具体积较大，较厚，而LED路灯灯具的体积较为扁平，因此HPS路灯比LED路灯的受风面积要大，对灯杆和灯臂的强度要求则更高。

6、节能控制的比较

近年来，HPS路灯在节能控制上，研究出多种节能方式和产品，有降压节能器、变功率镇流器、变功率电子镇流器等，但由于气体放电灯的特性，需要有足够的端电压去电离激发，当电压或电流降到一定程度时，会导致光源不能正常工作，甚至熄灯。通过相关节能措施，节能效果约可达30%。

LED是固体光源，电流从LED阳极流向阴极时，其半导体晶体就会光发，光的强弱与电流相关，因此能实现0%~100%调光功能，从而可以根据现场的需求，灵活控制光输出量，调整光照度，提高节能效果。

7、经济性的比较

目前，由于LED芯片的成本较高，LED灯具的研发成本也要算入灯具的售价中，而HPS灯具是成熟产品，这是造成LED灯具的销售价格是HPS灯具的3~4倍的原因，因而一次性投资较大。

在运行维护上，普通的HPS光源寿命可达20000H以上，镇流器的寿命更是超过50000H，LED路灯灯具的结构设计均为一体化设计，无论是LED灯具损坏还是驱动电源故障，一旦有问题必须是整体拆除更换，维护工作量大，费用高，而高压钠灯仅需要更换灯泡或触发器、镇流器等配件，维护工作量较小，费用也小。

五、结束语

LED照明作为21世纪的新型光源，是光源历史上的一次创新和变革，小功率LED产品目前已广泛应用于景观照明、交通信号灯、汽车灯、家用电器等行业。大功率LED灯具目前存在发光效率低、光衰大、光色不一致、色温偏差大、二次配光处理水平不高、驱动电源设计不尽完善，其寿命远低于LED自身寿命等诸多问题。但是其发展速度非常快，人们应客观、理性地看待LED灯具的发展，成长，看好其未来前景，采取积极热情的态度，支持和促进其发展，并在应用中改进、提高，但不应盲目、无序的推广和使用。成长需要一个过程，如果不能正确的对待LED路灯，现在就谈大规模应用将可能会出现投资过大、投资浪费等现象，同时今后将产生一系列的后遗症。

综上所述，大功率LED灯具暂时还不能在城市主次干道上大规模使用，可在城市的支路上逐步试点使用。相信在不久的将来，LED灯具将逐步解决其目前所存在的问题，成为性能优异，节能环保、维修方便的功能性照明灯具。