淺析LED路燈的優(yōu)勢及存在的問題

摘要：LED路燈與以高壓鈉燈為代表的傳統(tǒng)路燈比較，具有光效高、能耗低、瞬時啟動、壽命長、顯色性好、結構牢固和便于調(diào)光等優(yōu)勢，但價位偏高，目前在技術上尚未成熟，在光學設計、散熱和驅(qū)動電路等方面存在一些技術難點有待解決。

　　道路照明屬于公共照明，由政府所掌控。由于LED具有高效、環(huán)保、節(jié)能和壽命長等特點，LED光源
光源

　　光源產(chǎn)品具有LED顯示、體積小、重量輕、易攜帶、電池供電、性能價格比高等特點，直觀快速，是一種使用極其簡單方便的測試工具，產(chǎn)品經(jīng)過防震防潮處理，可以在野外惡劣環(huán)境下長時間工作。 [全文]

可以率先在道路和隧道照明中應用。

　　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、光學元件及散熱裝置等。

　　一、道路照明的發(fā)展現(xiàn)狀

　　當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，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、購物、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、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100~120lm/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”計劃試點工作，LED路燈以其突出的示范效應成為各類半導體照明技術中的一大亮點。

　　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）光電半導體等公司的大功率白光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，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，在采用二次光學透鏡時，燈具效率可達80%左右。如果再進行三次光學設計，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1   400W高壓鈉燈與250W的LED路燈參數(shù)比較

　　事實證明，用配光科學合理的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準要求的平均照度，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。

　?。?）使用壽命長

　　路燈的壽命直接影響整個道路照明的維護成本。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5~7萬小時。

　　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，壽命為2萬小時的高壓鈉燈僅約1萬小時。

　　當然，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、電路拓撲結構及其電子元器件的選擇等多種因素。從目前的技術水平看，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，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0.1~0.2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，在關閉后需等待3~6分鐘冷卻后方可啟動。而LED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燈具可以正常工作在連續(xù)開/關狀態(tài)。

　?。?）便于光學設計

　　LED體積小，可以在半平面上定向發(fā)光，在燈具設計時可以將其近似視為是點光源，非常適合于采用透鏡或反射器來進行光學設計，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，結構牢固

　　LED路燈燈具的造型可塑性強，可以通過造型設計來體現(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燈具通過合理設計，在結構上可以做得非常牢固。

　　（7）低碳環(huán)保，尤其適合采用太陽能光伏技術

　　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和風光互補技術應用于道路照明，從而實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能環(huán)保照明。

　?。?）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路燈功效相當于400W的高壓鈉燈路燈，但前者價格為6000~8000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)約的電費和維護費用收回初始成本的差價。隨著LED路燈技術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路燈在示范應用中出現(xiàn)了諸多問題，并沒有達到人們預期的效果。

　　目前LED路燈存在的不同程度的問題表現(xiàn)為：

　?。?）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”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。

　?。?）色溫過高，刺眼，無舒適感

　?。?）散熱性能差，溫升過高，致使光衰比較嚴重，可靠性變差。

　?。?）驅(qū)動電源性能差，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。

　?。?）成本太高，一次性投入太大，成為推廣應用的一大瓶頸。

　?。?）由于尚無統(tǒng)一的LED路燈技術標準，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，在設計方法上LED路燈與傳統(tǒng)路燈是截然不同的。設計人員除了燈具的設計經(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)路燈設計思路來設計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難點

　　LED路燈要想大規(guī)模地應用，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，即光學設計、散熱問題及驅(qū)動電源設計。

　　1．光學設計

　　便于光學設計本來是LED路燈的一大優(yōu)勢，但同時又是一大難點。

　　從LED路燈配光角度來說，其光輸出特性只有滿足表2所示的CJJ45-2006道路照明標準規(guī)定要求才具有實用價值。

表2   CJJ45-2006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設計。要滿足道路照明的要求，LED路燈的配光必須經(jīng)過多次反復設計才能實現(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，無論哪一種配光方案，還不能做到科學合理，不同程度地存在整體光學效率低、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，如何改進路燈的結構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，在其工作過程中只有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，導致光效急劇下降。如果LED結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燈具設計中，最重要的一項工作便是散熱設計。

　　LED燈具的散熱系統(tǒng)包括LED模組的散熱和燈具結構（如外殼）上的散熱片散熱，其中后者是目前常見的散熱方式，由于LED路燈的工作環(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扇進行主動式強制性散熱，但散熱風扇在戶外惡劣環(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、散熱結構和材料等多方面進行優(yōu)化設計。

　　LED路燈燈具要求具有良好的防塵防水（IP）防護等級（如IP45及其以上），但良好的IP防護又往往會妨礙LED的散熱。如何解決這一矛盾是LED路燈設計時不可忽視的一個重要方向。

　　3．驅(qū)動電源設計

　　目前的LED路燈幾乎全部采用工頻市電電源供電。LED路燈驅(qū)動電路拓撲結構一般均為離線式開關
開關

　　開關是最常見的電子元件，功能就是電路的接通和斷開。接通則電流可以通過，反之電流無法通過。在各種電子設備、家用電器中都可以見到開關。 [全文]

電源（SMPS）。從近幾年LED路燈示范應用的情況看，故障幾乎全部集中發(fā)生在驅(qū)動電源上。

　　由于LED路燈的工作環(huán)境十分惡劣，因此在驅(qū)動電源設計上，對電路拓撲結構的選擇、電子元器件的選擇以及電路的保護、散熱與防水性能等各個環(huán)節(jié)，都十分苛求。

　　根據(jù)現(xiàn)有的技術水平，目前常規(guī)離線式開關電源
開關電源

　　開關電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發(fā)展空間 [全文]

的平均壽命通常在3萬小時以下，LED驅(qū)動電路的壽命決定LED路燈燈具的壽命。對LED驅(qū)動電源壽命具有決定性影響的是電解電容器
電容器
　　所謂電容器就是能夠儲存電荷的“容器”。只不過這種“容器”是一種特殊的物質(zhì)——電荷，而且其所存儲的正負電荷等量地分布于兩塊不直接導通的導體板上。至此，我們就可以描述電容器的基本結構：兩塊導體板（通常為金屬板）中間隔以電介質(zhì)，即構成電容器的基本模型。 [全文]

，其次才是功率半導體器件。因此，對電解電容
電解電容
　　電解電容是一種由兩塊平行金屬板以及兩金屬板之間放置電解液所構成的電容。電容器依照所使用的電極材料.電解液之種類而付予電容器的名稱。介質(zhì)有電解液涂層有極性，分正負不可接錯。 [全文]

的選擇是極為重要的。

　　在LED路燈驅(qū)動電源設計方面，不僅要格外重視其可靠性，同時還必須滿足輸入AC電流諧波含量、線路功率因數(shù)、電磁干擾（EMI）、防雷擊和防水及能效等方面的性能要求與安全要求。探求低成本、高可靠與高性能解決方案，是LED路燈驅(qū)動電源設計的一個難點。

　　五、結束語

　　LED是新一代綠色光源，LED應用于道路照明與傳統(tǒng)路燈比較具有很多優(yōu)勢。道路照明是一種公共照明，由政府買單和掌控，因此LED在普通照明領域可以率先在道路照明中應用。但是，由于傳統(tǒng)路燈的設計方案并不適用LED路燈，在光學設計、散熱問題和驅(qū)動電源設計等方面還存在很多問題尚未真正解決，因此距大規(guī)模地推廣應用還有較長的路要走。LED路燈技術尚處于探索階段，不可一哄而起、一哄而上和遍地開花，而必須堅持先試點、再示范到最后推廣的實施路線。