摘 要：目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%,大大降低照明用电是节省能源的重要途径，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。LED光源在照明领域的应用，是半导体发光材料技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的产物。LED正以其固有的优越性吸引着世界的目光。
关键词：LED光源 LED光源特点 LED道路照明测试
目前，在北京电力能源紧张的大背景下，大大降低照明用电是节省能源的重要途径，节约用电的意义已远远超过节省电费的浅层意义。LED路灯和太阳能路灯在道路照明中的应用是道路照明节能的体现，是“绿色照明”体现，具有良好的社会效益。
一、LED光源的概念及发展历史
LED（Lighy Emitting Diode），又称发光二极管，它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，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。
应用半导体P?N结发光原理制成的LED问世于20世纪60年代初，1964年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色LED.直到1994年蓝色、绿色LED才研制成功。1996年开发出白色LED.
二、LED发光原理
发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光体-晶片的面积为10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前国际上出现大晶片LED,其晶片面积达40mil.
其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高（如图一所示）。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。
三、LED的主要特点
3.1发光效率高：LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50~70流明/瓦，钠灯
90~140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到50~200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。
3.2耗电量少：LED单管功率0.03~0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5~3.5伏，电流15~18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。
3.3使用寿命长：采用电子光场辐射发光、灯丝发光有易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时，光衰为初始的50%.LED灯使用寿命可达5~10年，可以大大降低光源的维护费用，避免经常换灯。
3.4安全可靠性强：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。
3.5有利于环保：LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。
3.6响应时间短：白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。
3.7价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由300~500只二极管构成。
四、LED的主要应用
LED广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。近几年来，随着LED制造工艺的不断进步和新材料的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域开始跨越至高效率照明光源市场。
五、LED路灯测试
5.1 LED路灯与高压钠灯的参数对比LED光源目前主要应用在指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，作为道路照明应用还是一个新的课题，市场上各灯具制造商都在推出应用于道路照明的LED灯具，以下列举几款LED路灯在实际应用中的测试数据：
LED路灯与高压钠灯的参数对比表
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参数 类别
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LED路灯
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高压钠灯(150W)
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光通量
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63W：5500lm
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15000lm
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75W：9000lm
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150W：18000lm
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色温
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5000-6500K
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<2000K
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显色性
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大于80
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23左右
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光效
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90-120
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100-130
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寿命
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平均100000小时
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20000小时
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启动时间
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<1秒
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>10分钟
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从表中可以看出，63W和75WLED路灯光通量小于150W高压钠灯，从现场肉眼感官效果来看，63W和75WLED路灯照明效果虽略低于150W高压钠灯，但因为LED路灯显色性好，视觉感受更为舒适。（见图二）。
5.2 对LED与高压钠灯实地安装照度测量
我们在同一条道路上安装了63W、75W、150WLED路灯和150W高压钠灯，于2007年6月份进行了实地测量，并对两种光源的显色性进行了对比。上图用“操作手册”在白天拍摄的效果，和在150W高压钠灯和LED灯光照射下拍摄的显色性进行比较，LED明显比钠灯的显色性好。
LED灯具一（63W）、灯具二（75W）、灯具三（150W）安装高度为7米、灯臂悬挑1米、仰角15度。 灯间距28米、道路车行道宽8米，测试点之间距离为2米，测量照度时是单灯左右各14米进行测量，电源电压220V.三组灯测量除功率不同外，其余条件完全相同。
LED灯具现场测量数据
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光源规格
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LED灯具-(63W)
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LED灯具二(75W)
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LED灯具三(150W)
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最小照度
Emin(Lx) |
1.6
|
1.0
|
0.9
|
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最大照度
Emax(Lx) |
24.6
|
58
|
141.2
|
|
平均照度
Eave(Lx) |
10
|
12.9
|
29.6
|
|
均匀度
Emin/Eave |
0.16
|
0.08
|
0.03
|
LED灯具四（63W）和高压钠灯（150W）安装高度7米、灯臂悬挑1米、仰角15度；（63W）灯间距23米，高压钠灯为32米；（63W）灯道路车行道8米、高压钠灯为10米；照度测量是在两灯之间（28米）进行测量，电源电压220V.
LED灯具和高压钠灯现场测量数据
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光源规格
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LED灯具四(63W)
|
高压钠灯(150W)
|
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最小照度
Emin(lx) |
4.9
|
7
|
|
最大照度
Emax(lx) |
24.6
|
30
|
|
平均照度
Eave(lx) |
11
|
21
|
|
均匀度
Emin/Eave |
0.45
|
0.33
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5.3 测试结论：
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平均照度Eav(lx)
|
均匀度Ue
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是否达标
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城市道路照明设计标准
(2007年7月1日实施) |
次干路10/15
支路8/10 |
次干路0.35
支路0.3 |
—
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LED灯具一(63W)(28米*8米)
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10
|
0.16
|
均匀度未达标
|
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LED灯具二(75W)(28米*8米)
|
12.9
|
0.08
|
均匀度未达标
|
|
LED灯具三(150W)(28米*8米)
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29.6
|
0.03
|
均匀度未达标
|
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LED灯具四(63W)(23米*8米)
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11
|
0.45
|
均达标
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高压钠灯(150W)(32米*10米)
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21
|
0.33
|
均达标
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通过以上测试分析，LED灯具由于受到均匀度和无大功率灯具的限制，只适宜在城市支路或小区道路照明使用。
六、经济性比较
在平均照度和均匀度均能满足《城市道路照明设计标准》中城市次干路及城市支路照度标准的前提下比较LED灯具和150W钠灯的经济性。
选用灯具：
LED灯具一，灯具功率：63W,灯间距设为25米；
150W钠灯，灯间距设为32米。
按照道路长度1000米，路宽8米，单排设置，灯具对地高度7米，年亮灯时间4000小时，使用10年时间计算：
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比较内容
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LED灯(63W)
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总价
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高压钠灯(150W)
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总价
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灯具价格
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9800元
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392000元
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2260元/套(含灯泡)
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67800元
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灯具数量
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40套
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30套
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灯泡价格
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灯具整体价格
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0元
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60元/个
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7200元
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10年更换灯泡数量
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0个
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120个
(2年1个更换周期) |
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10年总耗电量
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100800度
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71820元
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180000度
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128250元
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电费
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0.7125元/度
|
0.7125元/度
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10年路灯维护费
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0元
|
0元
|
21000元
|
21000元
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总价格
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46.382万元
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22.425万元
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LED灯具均匀度低，同样里程道路比高压钠灯使用的灯数高出20%-30%左右，才能满足《城市道路照明设计标准》。单灯灯具价格高于高压钠灯4倍多，虽然维护成本和耗电量降低，但初始投资成本远远高于高压钠灯，整体运行成本是高压钠灯2倍多。
七、LED路灯与高压钠灯比较结论
7.1 LED灯具与高压钠灯比较的优势
LED灯具显色性高于高压钠灯，能够创造更为舒适的视觉环境，从而提升驾驶安全、行走安全和社会安全。
LED灯不含汞、钠等有害元素，不会对环境造成污染。
LED灯发光效率高，测试中63W的灯具即可满足《城市道路照明设计标准》中城市支路标准，从而减少耗电量，节省能源。
LED灯具使用寿命长，可以节省维护成本。
7.2 LED灯具与高压钠灯比较的不足之处
LED灯具均匀度低，同样里程道路比高压钠灯使用的灯数要高出20%-30%左右，并且灯具价格要高出高压钠灯3-4倍，初始投资成本远远高于高压钠灯，并且由于灯具数量增加，虽然维护成本和耗电量降低，但整体运行成本要高于高压钠灯。
LED灯具光源指向性强，视觉效果眩光会略高于高压钠灯。
八、LED路灯应用结论
经济效益：以现在的灯具价格计算，其投资成本和运行成本总和远远高于高压钠灯。
社会效益：从环境方面考虑，LED灯具发光效率高，不含汞、钠有害元素，不会对环境造成污染，是更符合绿色照明的产品，具有良好的社会效应。
应用范围： LED光源在道路照明应用中由于受到均匀度和无大功率光源的限制，以现在LED路灯的技术水平，无法在主干路等重要路段应用，只适宜在城市支路的低杆照明使用，如小区内部道路，由于路灯数量大，维护不便，使用LED路灯可以大大减少维护量，且由于其显色性高，能为小区营造出更舒适的视觉环境。