LED路燈與傳統(tǒng)路燈的優(yōu)勢及存在的問題

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(diǎn)，LED光源可以率先在道路和隧道照明中應(yīng)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(xué)元件及散熱裝置等。

一、道路照明的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)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(jìn)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(jī)動車和非機(jī)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(jìn)，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(jì)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(jì)和提升城市形象的作用。

按照照明的觀點(diǎn)，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(jī)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(dá)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(jì)劃試點(diǎn)工作，LED路燈以其突出的示范效應(yīng)成為各類半導(dǎo)體照明技術(shù)中的一大亮點(diǎn)。

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(dǎo)體等公司的大功率白光LED的實(shí)驗(yàn)室水平早在2009年年初就達(dá)160lm/W。根據(jù)美國能源部(DOE)預(yù)測，到2020年前后，大功率LED商業(yè)產(chǎn)品的光效可以達(dá)到165lm/W，實(shí)驗(yàn)室樣品光效可以達(dá)到230lm/W。到2020年之后，LED光效基本不再會有大的提高，將進(jìn)入一個遲緩期。

在道路照明方面，高壓鈉燈因?yàn)槠涔庑Э蛇_(dá)到120lm/W而占主導(dǎo)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(shè)計(jì)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(xué)透鏡時，燈具效率可達(dá)80%左右。如果再進(jìn)行三次光學(xué)設(shè)計(jì)，燈具的出光效率可達(dá)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(shí)證明，用配光科學(xué)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(dá)到道路照明標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)大的節(jié)能空間。

高強(qiáng)度放電(HID)燈路燈，一般只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)光，而LED路燈可以實(shí)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。

(2)使用壽命長

路燈的壽命直接影響整個道路照明的維護(hù)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(dá)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(diǎn)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(diǎn)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(dá)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(dāng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其電子元器件的選擇等多種因素。從目前的技術(shù)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(dá)80左右，基本上接近自然光，對顏色的呈現(xiàn)更為真實(shí)，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(jī)和行人識別目標(biāo)，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(diǎn)即亮，但實(shí)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(guān)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(guān)狀態(tài)。

(5)便于光學(xué)設(shè)計(jì)

LED體積小，可以在半平面上定向發(fā)光，在燈具設(shè)計(jì)時可以將其近似視為是點(diǎn)光源，非常適合于采用透鏡或反射器來進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，獲得比較理想的配光，實(shí)現(xiàn)較高的燈具效率。

(6)造型可塑性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)牢固

LED路燈燈具的造型可塑性強(qiáng)，可以通過造型設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)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(shù)

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(yán)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(diǎn)，尤其適合采用太陽能光伏技術(shù)和風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用于道路照明，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)能環(huán)保照明。

(8)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(dāng)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(diǎn)只要能夠充分發(fā)揮，可以依靠節(jié)約的電費(fèi)和維護(hù)費(fèi)用收回初始成本的差價。隨著LED路燈技術(shù)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(yàn)和探索階段，有一些LED路燈在示范應(yīng)用中出現(xiàn)了諸多問題，并沒有達(dá)到人們預(yù)期的效果。

目前LED路燈存在的不同程度的問題表現(xiàn)為：

(1)實(shí)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(yīng)”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。

(2)色溫過高，刺眼，無舒適感

(3)散熱性能差，溫升過高，致使光衰比較嚴(yán)重，可靠性變差。

(4)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。

(5)成本太高，一次性投入太大，成為推廣應(yīng)用的一大瓶頸。

(6)由于尚無統(tǒng)一的LED路燈技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的產(chǎn)品通用性極差，維護(hù)十分困難。

出現(xiàn)上述這些問題的原因很多，既有技術(shù)層面上的因素，也有思維定勢等方面的影響。

事實(shí)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(shè)計(jì)方法上LED路燈與傳統(tǒng)路燈是截然不同的。設(shè)計(jì)人員除了燈具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)的情況下，沿用傳統(tǒng)路燈設(shè)計(jì)思路來設(shè)計(jì)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(rèn)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(shè)計(jì)和生產(chǎn)的LED路燈，不可能做到實(shí)用化。

四、LED路燈需要破解的技術(shù)難點(diǎn)

LED路燈要想大規(guī)模地應(yīng)用，成為道路照明的主流光源，還面臨一些需要解決的難點(diǎn)。歸納起來，主要難點(diǎn)有三個，即光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱問題及驅(qū)動電源設(shè)計(jì)。

1.光學(xué)設(shè)計(jì)

便于光學(xué)設(shè)計(jì)本來是LED路燈的一大優(yōu)勢，但同時又是一大難點(diǎn)。

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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求才具有實(shí)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(dāng)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(jìn)行三次光學(xué)設(shè)計(jì)。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(fù)設(shè)計(jì)才能實(shí)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(xué)合理，不同程度地存在整體光學(xué)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(jìn)路燈的結(jié)構(gòu)達(dá)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(shí)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(dǎo)致光效急劇下降。如果LED結(jié)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(shè)計(jì)中，最重要的一項(xiàng)工作便是散熱設(shè)計(jì)。

LED燈具的散熱系統(tǒng)包括LED模組的散熱和燈具結(jié)構(gòu)(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(dǎo)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(fēng)扇進(jìn)行主動式強(qiáng)制性散熱，但散熱風(fēng)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(yīng)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(jié)構(gòu)和材料等多方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。