LED路燈的發(fā)展和應用

　摘 要：本文簡要分析了城市道路照明大功率LED路燈在發(fā)展和應用中“產(chǎn)品的標準化和通用性、國家標準的制定、光學設計、散熱等主要技術及價格”等問題。

　　關鍵詞：道路照明;LED路燈;發(fā)展;應用;存在問題

　　1.前言

　　長久以來，傳統(tǒng)光源高壓鈉燈及部分金屬鹵化物燈一直在道路照明中起著主導作用。近年來，國內LED照明應用發(fā)展迅速，很多廠家相繼推出了大功率LED路燈，并作為節(jié)能產(chǎn)品越來越多的應用于道路照明中。本文就道路照明LED路燈在發(fā)展應用中的幾個問題做粗線探討。

　　LED作為一種半導體發(fā)光材料，與其它發(fā)光材料相比較，以其綠色、高效、可靠、耐用的優(yōu)勢，受到國內外的關注。隨著半導體技術的不斷發(fā)展進步，LED 的應用可以說無處不在。特別是白光的取得，效率、壽命、穩(wěn)定性等性能的提升和成本的不斷降低，更拓展了LED光源的應用領域。近年來，LED在景觀照明領域取得了一定的成功，LED路燈的開發(fā)研制，又開辟了更廣闊的天地。與傳統(tǒng)光源相比，LED在顯色性、節(jié)能環(huán)保、壽命以及數(shù)字化可控程度上都有著突出的優(yōu)勢。我們相信，在逐步解決了散熱、光衰等一系列關鍵技術難題，并實現(xiàn)造價大幅度降低后，LED光源在道路照明領域同樣有著良好的發(fā)展前景。目前國內外已有數(shù)百家企業(yè)投入到LED路燈的開發(fā)研制中，其中部分產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。最近中國科技部組織實施了“十城萬盞”計劃，得到了全國各地的積極響應，創(chuàng)造出龐大的 LED 路燈市場，國內外一些應用試點示范也在如火如荼的展開。

　　2.為大功率LED路燈提供展示平臺

　　近年來，國內LED照明應用發(fā)展迅速，很多廠家相繼推出了大功率LED路燈，并作為節(jié)能產(chǎn)品越來越多的應用于道路照明中。天津市為了落實國務院節(jié)能減排的決定及建設部綠色照明計劃，確保天津市道路照明標準化、系列化、通用化的要求，針對LED道路照明產(chǎn)品質量與現(xiàn)狀，利用一年左右的時間，開展對生產(chǎn)企業(yè)所制造的LED道路照明產(chǎn)品進行性能測試與評估工作，為今后天津市道路照明建設提供合格的設施制造供應商，以保證天津市道路照明設施高水平建設、高效能運行。為體現(xiàn)測試與評估的嚴肅性，透明性，由天津市照明協(xié)會統(tǒng)一組織，與天津市產(chǎn)品質量監(jiān)督檢測技術研究院、天津市路燈管理部門具體實施，組成專家委員會全程參與。

　　根據(jù)《天津市中心城區(qū)城市照明規(guī)劃》(2008――2020年)和《天津市中心城區(qū)城市照明規(guī)劃――道路照明專題》，參評設備的生產(chǎn)企業(yè)要根據(jù)道路情況提供10套同款式燈具進行測試;測試評估的照明光源功率為150W左右;依照《城市道路照明設計標準》，色溫為4500K左右。設施的安裝高度、間距，依據(jù)測試現(xiàn)場條件執(zhí)行，保持公正、合理并條件相同。鑒于道路照明安全的要求，設施在初始安裝時，由路燈行管理部門統(tǒng)一實施。[!--empirenews.page--]

　　在測試評估的一年期中，根據(jù)相關標準，進行12次路面平均照度Eav和均勻度UE 測試等數(shù)據(jù)測試，同時還要進行燈具輸入功率測試，燈具功率因數(shù)測試，光效測試，燈具配光曲線測試，色溫、色坐標、色度容差、顯色指數(shù)等顏色特性測試，低壓線路諧波含量，接地措施和介電強度及燈具IP等級的測試。還要對光衰及視覺效果做出評價。

　　實施此項半導體照明應用示范工程，也是推進中國科技部“十城萬盞”計劃的重大舉措。為今后城市規(guī)劃建設的重大標志性工程項目，積極引導推廣應用半導體照明產(chǎn)品，通過示范工程營造市場環(huán)境，帶動市場需求，在集成天津市現(xiàn)有LED資源的基礎上，引進國內外先進技術和產(chǎn)品，同時協(xié)調鼓勵國內外企業(yè)積極參與天津半導體照明應用示范工程的建設，建設具有國際先進水平的半導體照明應用示范工程，共同推動天津LED應用產(chǎn)品技術集成和創(chuàng)新。對建立室外照明應用展示交流中心，并建設成為LED產(chǎn)品和技術交流的全國平臺，有著積極地推動作用。
　3.安裝與測試進展概況

　　截至目前，參加測試評估的參加LDE道路照明設備性能測試與評估的天津施萊德照明器材有限公司、天津市卓輝照明設備制造有限公司、常州亞聯(lián)燈具有限公司、中數(shù)程通(天津)科技有限公司、東莞市品元光電科技有限公司、天津市華彩電子科技工程有限公司、浙江生輝照明電器有限公司、天津中環(huán)華祥電子有限公司、江蘇宇泰光電科技有限公司、寧波燎原燈具股份有限公司、天津海宇照明照明技術有限公司、嘉善華江電子科技有限公司、山西光宇半導體照明有限公司、杭州紅劍立明科技有限公司、桐鄉(xiāng)市生輝照明電器有限公司、西安立明電子科技有限公司、寧波安迪光電科技有限公司、深圳聯(lián)創(chuàng)健和光電股份有限公司等40余個單位，提供室外安裝LED的燈具320臺，實驗室測試路燈40臺。參照《室外照明測量方法》GB/T15240-94，結合路面原燈桿安裝及路況環(huán)境狀況，選取各單位左右對側相鄰燈桿4盞燈具之間為測試區(qū)域，劃分為等距網(wǎng)格，9點布點方法，測點高度為路面。ST-80自動量程照度計(2009年3月天津市計量院檢測計量)月測后，出具測試點位數(shù)據(jù)通報。年測后出具完整測試數(shù)據(jù)及分析，并提供評估意見。

　　4. LED路燈在應用中的問題

　　在全球能源危機與環(huán)保壓力日益凸顯的形勢下，LED光源在道路照明中的應用已成為近年來半導體照明行業(yè)的熱點。LED器件產(chǎn)品應用到路燈上，對技術有什么特殊要求，LED路燈與目前高壓鈉傳統(tǒng)路燈相比有哪些優(yōu)勢，還存在哪些不足，如何解決等一系列問題，都值得我們認真研究。

　　4.1 產(chǎn)品的標準化和通用性是大規(guī)模使用的基礎

　　目前推出的LED路燈，產(chǎn)品外觀、LED的發(fā)光顆粒的排布方式與數(shù)量、整流電路的外型尺寸和內部設計多種多樣。如：單管功率數(shù)量各異，1~5瓦不等;光分布情況各異，有蝠形、矩形、蝶翼型等;光學處理方式有自帶透鏡免二次光學處理和進行二次光學處理的;驅動器情況有專用驅動芯片IC和無電解電容;封裝情況有多芯片封裝和單科芯片封裝;技術線路情況有模、組式大功率、芯片集成式大功率、點陣式大功率等。電源裝配也有自帶一體化和外接電源兩種，散熱技術也各有千秋，這都給普及使用后的運行及維護工作帶來極大不便，也不符合市政公用設施標準化，通用化的設計原則。

　　我們認為，在今后的發(fā)展過程中，生產(chǎn)廠家應嚴格按照國家統(tǒng)一標準進行，確保產(chǎn)品在設備安全性和電氣性能方面安全可靠。同時，在城市照明領域得到應用的LED產(chǎn)品，必須對產(chǎn)品標準型、統(tǒng)一性提供以下保證。

　　如：對于同一個企業(yè)不同發(fā)展階段的產(chǎn)品之間，要保證主要電氣元件的標準性，統(tǒng)一性，避免因產(chǎn)品更新?lián)Q代造成備品備件斷代;對于不同企業(yè)的產(chǎn)品之間，燈具主體，發(fā)光顆粒板、整流電路等主要電氣元件要依據(jù)國家標準，實現(xiàn)必要的標準性、統(tǒng)一性。

　　4.2相應的國家標準是LED路燈市場健康發(fā)展的保障

　　LED的光電及熱學特性與傳統(tǒng)光源差異甚大，使現(xiàn)有LED的測量無法完全套用傳統(tǒng)照明光源的測量方法。目前LED無論在產(chǎn)品規(guī)格或測量上均缺乏適當?shù)臉藴剩巩a(chǎn)品種類繁多，測量無標準，市場不規(guī)范，而產(chǎn)品的多樣性也導致企業(yè)不可能集中大規(guī)模生產(chǎn)。制定相關的LED標準已成為產(chǎn)業(yè)的迫切需求。而目前由全國照明電器標準化技術委員會“提出的普通照明用LED國家標準及行業(yè)標準”等在送審階段，預計將會陸續(xù)頒布實施。相關企業(yè)應進行新的市場定位和產(chǎn)品規(guī)劃，抓住新機遇，投入必要的質量保障手段 。

　　4.3光學設計、散熱是LED路燈面臨的主要技術問題

　　雖然大功率LED路燈研制發(fā)展的速度很快，但在應用中還不同程度的存在著瓦流明低、二次光效處理水平較低、系統(tǒng)光效較低、光衰快、壽命短、色溫偏差、光色不一、驅動器多故障等一系列問題。其中二次光學設計、散熱設計和電源穩(wěn)壓器系統(tǒng)設計等主要技術問題，是提高發(fā)光效率和延長壽命的關鍵。[!--empirenews.page--]

　　要真正充分發(fā)揮半導體光源的長處，LED的二次光學系統(tǒng)設計對LED路燈的配光及光學輸出效率至關重要。良好的道路照明要求LED路燈的配光為長方形的光型，路燈發(fā)出的所有光剛剛可以覆蓋住馬路，而馬路之外的光污染幾乎為零。香港理工大學的蔣金波博士介紹過兩種LED路燈的配光設計：第一種LED路燈采用軸對稱的全反射透鏡或反光杯，LED透鏡模組排列于一個弧面上以產(chǎn)生長方形的配光。全反射透鏡的引入可以極大地提高光的利用效率，但是弧形的LED模組的排列使高功率LED的散熱設計和機械結構比較麻煩。第二種LED路燈則采取非對稱的自由曲面透鏡，可以將長方形的配光直接由單個LED光學元件完成。整體燈頭只需將具有長方形配光的LED模組簡單的排列在一個平板上即可，這種LED路燈在機械結構、散熱及電源控制方面比較簡單，不同等級公路和不同燈桿高度的道路照明只需要增加不同數(shù)量的LED模組即可。非對稱自由曲面二次光學元件的采用可以使LED路燈的長方形配光直接在單個LED模組上實現(xiàn)。整體路燈只需要將這些LED模組陣列按照相同方向排列即可，從而可以簡化路燈機構、散熱及控制電源的設計。

應開發(fā)出適合封裝方式光源的配光器，更加合理、充分的利用光源發(fā)出的光線，使得燈具的整燈出光效率提升。目前LED的輻射形式有朗伯型、側射型、蝙蝠翼型、矩形、蝶翼和聚光型幾種。 通過二次光學設計，使得LED的光照范圍、光度曲線符合道路照明的需求。

　　LED 是嵌入照明器具中使用的，由于LED 芯片的發(fā)熱量大，在做成大功率燈具時的重要關鍵技術就是“散熱”。雖說發(fā)光效率越來越高，但LED 芯片的發(fā)熱量仍然很大。PN結結溫每升高10度，半導體器件的壽命就減少1倍。LED 芯片的高溫度導致芯片本身及封裝樹脂性能的惡化，從而最終引起發(fā)光效率的降低和壽命的縮短。目前各生產(chǎn)單位都采取了不同的散熱措施，多為采用整體式的、系統(tǒng)性的散熱設計理念，應用高性能導熱材料。如鋁壓鑄模、鋁擠型齒狀散熱片、整體式齒狀散熱片、鋁擠型材橫列齒形散熱器、熱導管長鰭形、外部齒狀結構片、自然對流通體散熱等。還有采用超合金導熱管(導熱速度為純銅的100倍)與高密度散熱鋁鰭片結合。將芯片產(chǎn)生的熱量迅速的由點源轉為線源，使熱量均勻分布至散熱片。散熱片向下，避免灰塵鳥糞堆積。芯片的封裝、燈具散熱等因素都可能造成光衰減。

　　4.4 價格仍然是LED路燈大規(guī)模應用的最大障礙

　　目前LED路燈的成本還遠于高壓鈉燈，一款LED路燈價格在4000元--8000元，甚至更高，而一套進口品牌的高壓鈉燈(含燈具、成套電器光源)價格不超過1500元。就現(xiàn)狀而言，LED路燈明顯太貴，價高達3-5倍之多。因此即使LED路燈的耗電量僅是高壓鈉燈的三分之一，但由于價格比高壓鈉燈高許多，用LED路燈代替高壓鈉燈成本回收周期仍然會很長。

　　表 功率型LED與傳統(tǒng)道路照明光源的比較

所以，LED路燈要在道路照明市場正式推廣，價格及成本仍然是最大障礙。要使LED路燈下滑到與現(xiàn)有燈具的競爭價格，需要各廠商的成本下降。而近期只能是在LED技術不斷成熟，發(fā)光效率不斷提高的前提下，通過LED的壽命優(yōu)勢、節(jié)能優(yōu)勢來彌補燈具價格上的劣勢。

　　5.結語

　　LED路燈和傳統(tǒng)路燈光源比較有許多優(yōu)點，但目前還有一些關鍵技術問題急需解決，開發(fā)、研制和推廣還要作很多工作。我們希望LED 路燈不斷進步，在不遠的將來，以優(yōu)異的表現(xiàn)更廣泛應用于城市照明的建設中。