LED光源在道路照明中的应用及展望

摘要：随着技术的突破．应用的拓展，发光二极管(led)半导体在城市景观照明中的应用也越来越多。本文主要阐述了有关LED光源在道路照明中的应用及展望。

关键词：LED光源，道路照明，应用及展望

中图分类号： U491 文献标识码： A

Abstract: along with the technical breakthrough. The expansion of the application, the light emitting diode (LED) applications of semiconductor in the city landscape lighting in more and more. This paper mainly describes the application and Prospect of LED light source in road lighting.

Keywords: LED lighting, road lighting, application and Prospect.

一.前言

随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，造价逐步降低，LED的应用市场将更加广泛，特别是在全球能源短缺的背景下，LED光源在照明市场的应用前景备受瞩目，针对LED光源在道路照明中的应用及展望进行研究和探讨。

二.应用现状及发展趋势

LED光源除了大量用于各种电器装置、仪器仪表、设备的显示外，主要集中在照明领域，包括：

1.景观照明市场。主要用于重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、庭院、草坪、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。在政府的推动下，功耗低的LED，在用电量巨大的景观照明市场中具有很强的市场竞争力，因此LED照明已经越来越多地应用到景观照明市场中。随着2008年北京奥运会和2010年上海世博会的陆续申办成功，北京、上海等主要的举办城市加大了对景观照明的投入，受此影响， LED应用于照明领域的市场规模也呈逐年快速增长之势。

2.汽车市场。LED被称为第4代汽车光源，虽然一次性投入较高，但拥有白炽灯无法比拟的优点，如LED车灯具有无延迟、节能、长寿、低热、抗震、色纯度高等诸多特点，已成为钨丝灯、卤素灯的必然取代产品。每台车内部应用如仪表板、阅读灯，外部应用则为尾灯、煞车灯、方向灯、头灯等。汽车用照明是目前LED照明发展最快的应用市场，。

3.交通灯市场。由于红、黄、绿光LED有亮度高、寿命长、省电等优点，在交通信号灯市场的需求大幅增加。

4.专用普通照明。如便携式照明(手电筒、头灯)、低照度照明(廊灯、门牌灯、庭用灯)、阅读照明(飞机、火车、汽车的阅读灯)、照相机闪光灯、家用照明灯、道路照明等。

5.安全照明。由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封性好，以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。如矿灯、防爆灯、应急灯、安全指标灯。

三.LED光源与传统道路照明光源的比较

1.发光效率

LED光源的发光效率单位为每瓦流明（lm/W），也就是电光源将电能转化为光能的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示。当前运用于道路照明市场的先进LED产品的光效已达到90lm/W。传统的高压钠灯光源考虑镇流器损耗、灯具效率以及光道利用率三个因素，功率较小光效相对较低、功率较大光效相对较高，400W的高压钠灯的发光效率已经高达120lm/W。因此，与大功率高压钠灯相比，当前LED比钠灯的能效要低一些，但是对于小功率的路灯(

2.平均寿命

从理论上讲LED光源的平均寿命为50000h～80000h，就目前而言，依然没有确切的使用经验与可靠的数据，在实际应用过程中影响寿命的因素不仅多而且杂。虽然LED光源的寿命很长，但是此光源还受到封装、散热、配套元器件、防紫外线及防高低温变化等方面的直接影响，比如电容器的寿命往往只有8000h～10000h。根据光通量与辐射通量的当量关系，Km=683lm/w，由此可见，即使LED的光效达到200lm/w，也将有大部分转化为热能，从长远看LED灯具的散热问题将是一个长期存在的问题，因此散热问题将是影响LED灯具寿命的重要一环。，。LED的温度升高则会影响到LED的光效，并使其寿命缩短，当其温度上升到最大的限度时，大功率的LED会因为过热而被损坏。这几年大功率LED行业在散热技术的研发上也取得了明显的进展，为LED的推广提供了有利条件。虽然传统的高压钠平均寿命，仅为16000h～24000h，电器附件和灯具的寿命一般大于50000h，节能型电感镇流器则更长，高压钠等寿终后镇流器仍然可以使用。因此，在分析灯具的使用寿命时应立足整灯的寿命。

3.灯具成本

现阶段，我国的LED生产产值80%以上为封装产值，外延芯片生产近年来虽然有很大的进步与发展，但是依然停留在中低档水平，高光效大功率白光LED应用产品几乎全部依赖于进口的高档外延芯片，其主要的厂商分布在美国、日本以及欧盟等国家，他们依靠拥有的核心技术以及专利垄断了高端产品市场。随着近年来LED技术的不断成熟与完善、市场竞争的进一步加剧，当下，LED灯具的市场价格在逐步下降，但运用于道路照明的每瓦LED光源平均维持在20元人民币左右，相比高压钠灯灯具，LED路灯在成本投资上将大大增加，这也是无法推广一个原因。

4.环保问题

LED光源不含汞、钠等有害元素，不会对环境造成污染，是符合绿色照明的产品，具有良好的社会效益和环境效益。

四.半导体照明灯具的设计与制造

优质的灯具是照明工程的质量保障和基础，由于LED与传统光源的发光原理不同，因此它的灯具设计从内部的结构到外部的造型也都需要从LED器件特性的角度出发进行特殊设计与制造。

1.LED灯具透镜的设计

LED灯具的变色原理在于RGB的LED颗粒的混光效果。然而，如果人们能清楚地看到灯具中LED发光颗粒，其混光的效果就会大打折扣。因此，通常此类灯具的透镜需要进行配光处理。半透明的材料(如乳白色磨砂玻璃)可以较好地实现混光，但灯具的表面亮度会降低。因此人们大多采用表面刻花的做法。但是，稀疏的刻花不但不利于混光，有时反而更加突出了单颗LED的不同色彩。即便不考虑混光的问题，线状或点状的LED灯具中看到单颗的LED对于人眼视觉或视觉心理也是不合适的。因此．在一些较近距离的视看空问，比如一、二层的建筑外立面、建筑入门广场等区域中选用LED装饰性嵌人式灯具，应着重考虑灯具表面的混光效果。在不确定是否能满足需要的情况下，现场试验是最好的办法。

另一种避免直接看到LED发光点的办法就是将LED安装在灯具的侧向，LED颗粒侧向出光，避免眩光。这样的做法在一些近人尺度的空间尤为适合。透镜的设计还将影响LED灯具的表面亮度，我们曾对实际工程中使用的LED装饰性灯具的表面亮度进行测量，发现此类灯具的表面亮度至少在100cd／m2以上，甚至有的灯具达到600cd／m2。作为装饰性灯具，它们与周围环境产生极大的亮度对比，很容易产生眩光，从这个角度考虑也需要认真处理表面透镜的问题。

2.LED灯具的配光设计

灯具市场上现有不少直接将LED颗粒安装在灯盘上作为投光灯用的案例，或是将多颗LED做成灯泡或PAR灯的形式用来直接替换传统光源。可是LED的发光原理和传统的光源完全不同：传统光源是面光源或是线光源，它们在作投光使用时其灯具是需要有反射器、透镜等光学元件来进行配光的；而LED是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合，过剩的能量而引起光子发射，再通过在发光芯片前放置的小透镜将光线调整为平行光。因此，传统光源所用灯具中的反射器对LED光源就失去了意义。但如果认为LED发的是平行光而不使用透镜，不作任何二次光学设计，直接使用成组的LED发光颗粒作为投光灯的光源，就很容易在被照物体上形成一个个较为明显，缺少亮度变化生硬的亮斑，投光效果差强人意，更不要说混光变色的投光效果了。

近年来，国内外具有较高专业水准的灯具生产厂商都充分的认识到了这一的问题。相继推出的LED投光灯带有设计精良的光学透镜，对LED发的光线进行二次配光设计，从而实现理想的投光效果。LED发光颗粒小，发光特性有别于传统光源，在进行LED灯具设计时，形式上、尺寸上可以有更大灵活，我们应突破传统灯具设计的限制，针对这些特性进行创新性的设计。

五.LED与HPS（高压钠灯）测试数据对比

1.LED/HPS参数对比

日常运用中可以发现:在色温属性中,LED色谱范围广,表现得更有变化和还原能力,而HPS只是低色温光源,单一颜色的黄光,没有明度、在显色性,LED远好于HPS,对被照物的还原能力强,这是LED运用于装饰照明和景观照明的原因,而HPS由于显色性差,明度低,只能在城市道路、公路和不需表现物体本色的场所使用。启动时间也是LED的优势,明显高于高压钠灯，LED的启动时间是纳米级,比分钟级的高压钠灯在技术上和使用上更具优势。

2011年2月，为了更进一步LED运用于道路照明的可行性，温州路灯管理机构在府东路的绣山路与市府路路段尝试安装了20盏输入功率为192W的LED光源，同时将其与路幅相同的府东路其他路段的HPS进行比较，通过采用网格的形式，对府东路的绣山路与市府路的整体照明情况进行了量化分析，测试以道路的半幅路取样。

府东路道路性质：城市次干路、地处温州市政府东侧，地段繁华，根据原先设计考虑，将其照度标准提高一个等级，也就是说，按主干路标准设计。府东路机动力道宽度24米，其道路灯采用双侧对称布置，采用单光源HPS，光源规格400W，灯高10米，同侧灯间距为35米左右。

图一

表一（测于2012年2月）

表二（测于2004年12月）

经表一、表二综合分析，从参数上看,两个路段的平均照度、照度均匀度都符合《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2006），但在环境比方面，安装钠灯路段符合要求，而安装LED路段不符合要求；同时400W高压钠灯的初始照度平均光照度、照度均匀度比192W的LED光源初始平均光照度、照度均匀度高 ，环境比方面高压钠灯也远远高于LED光源。从光效上看，钠灯安装功率是LED的两倍多，但在机动车道上没有产生双倍的光照度值，这与这种款钠灯灯具的灯罩透光性、反光罩的反光性等有直接关系，也与LED灯具为充分考虑机动车道照明有直接关系，环境比可以很好的解释该路段LED灯具安装的出发点。

综上，不能说明LED光效高比HPS灯具整体效率高，只能说明LED安装在主要道路具有可行性，我们相信，按目前LED光源研发水平的进展程度，以提高光源之光效是工艺要求的首要任务,到时我们将试目以待。

2007年在温州市区的新城丰源路、蒲源路、新蒲路等城市支路安装了108盏LED路灯，初始平均照度不足6lx； 到了2012年在温州市区雁荡西路、府东路上安装的LED灯初始照度平均均达到251x以上。短短几年间，LED光源光效也从40-50lm/W增至如今的100lm/W左右，让我们有理由相信LED光源是今后道路照明发展的趋势。

2.LED/HPS经济性分析

（1）节能量:目前国内部分省市路灯管理机构或生产企业在实际节能改造过程中一般以运行数年后的道路照明平均照度为标准、或以LED采用色温较高的白光，显色系数好，可适当降低平均照度值为由，于是人为地相较于HPS大幅降低光源功率，一般将原先的HPS功率降低一半左右，以达到节能降耗的目的。府东路这种改造做法缺乏理论依据，但可以大幅度地达到节能需求，在实际改造后整体亮化效果也不差，属市民可接受范围。单从府东路安装HPS的路段与安装LED路段对比，LED光源节电率达到（445-192）/445×100%=56.8%，但这种对比是基于HPS灯具效率与光衰下降条件下进行亮化视觉对比来评判节能量，显然有失公允。

（2）改造投资成本:现假设用192WLED(当时实测光效80lm/W左右)光源灯改造400WHPS为例对其投入进行分析。按市场价格,每瓦优质约LED20元,192W为192×20元 =3840元，而400WHPS整灯功率按445W，年平均每天亮灯11小时，路灯电费每度0.9元（温州路灯执行工业电价）计算，每盏400WHPS每年电费为:0.445×365×11×0.9元=1608元,采用LED光源灯具可节省电费为（445-192）/445×1608元=914元,这样采用LED光源灯具的投资将在4.2年收回投资： 3840/914=4.2年。

由此可见,通过年几年LED灯具产业的发展,LED光源的光效、封装、散热等技术水平都有明显的发展，性价比以往更高。虽然初始投资成本远远高于HPS。因此，有限使用LED光源已摆在道路照明面前的一种很好选择。

六.LED在温州道路照明领域的展望

路灯是城市市政设施的重要组成部门，做好城市路灯的改造工作，对实现城市的绿色照明有着十分重要的意义。目前，温州市区大部分灯具运行时间久远、灯具老化、锈蚀、透光率差、灯具效率低于60%以下、光源配置规格偏高，已与国家既定政策“节能减排，保护环境”的原则精神不相呼应，也严重制约着路灯设施日常管养水平的发展与提高。经过一段时间在温州市区的尝试运行，通过对LED光效、散热、光衰等情况进行梳理、分析，认为可在较大区域内继续尝试应用LED路灯。为有序推广LED照明应有于温州市管路灯设施，政府相关职能部门制定了初步节能改造措施，措施如下：

（1）按照“边示范、边总结、有序推广”的思路，分期实施我市LED路灯节能改造，先行选择特定区域的路灯作为尝试运行，通过尝试，确认运行条件基本成熟后，再逐步扩大实施剩余路灯节能改造。第一期（2014年-2015年），改造市区东部片区范围内的城市支路、区间道路、背街小巷，市管11条隧道等路灯设施共计约9000盏。第二期（2016-2017年），二期完成剩余的市区背街小巷路灯16000余盏路灯。第三期（2018-2019年），完成其余主干路、次干路等城市道路路灯。

实施路灯节能改造后，若路灯节电率按50%计算，温州市管路灯每年将节约路灯照明用电2150万度电，年节约电费2000余万元。

（2）今后将明确规定新建道路的路灯光源均采用LED灯具，不再使用HPS、金卤灯等传统光源，以减少政府资源重复投入浪费。

七.结束语

综上所述，针对进LED光源在道路照明中的应用及展望进行深入的研究和探讨是有着十分重要的意义。纵然LED产品水平已取得了明显的进展，逐渐消除了LED光源在经济方面以及技术方面存在的问题，但LED产品的提升空间还是很大，但在我国道路照明市场上推广使用尚需时日，因此，我们相信在不久的将来，LED光源在城市道路照明中会得到广泛的应用。

参考文献：

[1]经友新.节能：用科学技术打造绿色照明[J].城市亮化，2012(1)：14.

[2]杨霞.飞利浦先进LED道路照明系统的“绿色脉络”[J].建筑知识：学术刊，2011(2)：59.

[4]吉锋.浅谈LED在城市绿色照明领域中的应用[J].科技情报开发与经济，2012，18(29)：188-189.