LED灯具在道路照明应用中的分析

1、LED 灯具在道路照明应用中的分析一、LED光源及LED路灯灯具简介发光二极管，简称 L E D ，是英文 light emitting diode 的缩写，其 发光原理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，半导体材料的 PN 结中注入的少数载流子与多数载流子复合时 引起光子发射而产生光，把电能直接转换为光能。 LED 作为一种固 体光源，最初作为一种指示灯、显示板来使用，但目前随着技术的 发展，已经能作为光源使用，它不但能够高效率地直接将电能转化 为光能，而且拥有理论上最长达 10 万小时的使用寿命，同时具有环 保无汞、色彩丰富、可连续开关闪断、能实现 0%100%调光功能

2、、 输出光无频闪等诸多优点，成为高效、节能、环保的新一代光源的 发展趋势。LED 路灯灯具是一个集 LED 光源技术、 LED 灯的控制装置技 术、 LED 模块连接器技术和灯具设计技术于一身的产品。大功率 LED 灯具运用于道路照明是近年来照明行业关注的焦点。为推动节 能减排，有效引导半导体照明应用的健康快速发展，国家科技部于 2009年 3月推出了“十城万盏”计划，这一举措更加速了大功率 LED 灯具的发展与升级，促进了 LED 灯具在各大城市路灯工程中的 快速运用。各地方政府纷纷在照明工程中使用 LED 路灯作为节能减 排的一项重要工作。由于 LED 灯具是一种新生产品，在许多技术方 面

3、还存在着很多问题没有解决，致使许多采用 LED 灯具的道路路灯 产生照度、均匀度、使用寿命达不到相关标准，同时由于 LED 灯具 无国家统一标准，各厂家生产的 LED 灯具五花八门，相互之间不能 通用，致使路灯养护单位对 LED 灯具的维修产生困难。二、LED 光源较传统光源的优点1、超长寿命： LED 光源属于固体冷光源，环氧树脂封装，灯 体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺 点，理论上使用寿命可达 5 万10 万小时，意味着每年点灯 4150小 时，可以有 1224 年晚维护的理论保障，比传统光源寿命长 510倍2、绿色环保： LED 光源中不含水银，不会造成环境污染

4、；光 谱中没有紫外线和红外线，不会破坏文物，而且废器物可回收。3、安全可靠： LED 光源供电电压在 624V 之间，比较安全， 特别适用于公共场所。4、显性色高： LED 光源的显色性较高压钠灯高很多，高压钠 灯显色指数只有 23左右，而 LED 光源显色指数达到 75以上，从视 觉心理角度考虑，达到同等亮度， LED 灯具的光照度平均可以比高 压钠灯降低 20%以上（参照英国道路照明标准）。4、LED 光源能瞬时启动，而且颜色丰富，非常适合颜色要求 变换，能瞬时开关的场合。5、LED 光源单颗体积小，组合性较强，设计空间非常大，能 充分发挥在建筑物结构空间的点照明、面照明、线照明以及局部特

5、 写，非常适合景观艺术照明、隐藏照明。6、LED 光源耐冲击，耐震动，不易破碎。三、目前 LED 灯具存在的主要问题1、灯具光效较传统灯具要低光源发出的光经灯具反射后，并不是全部投射于需要照射的路 面，因为一个灯具有效效能的概念。所谓灯具有效效能就是指灯具 输出有用的光通量与输入的电功率之比。LED 灯具有效效能 =LED 光源光效 *结温引起的光衰 *透光率*驱 动功耗*灯具光线利用系数。以目前普通的 LED 光源光效 90LM/W 为例：LED 灯具有效效能 =90LM/W*0.85*0.9*0.85*0 。 9=52.7LM/W传统灯具有效效能二传统光源光效*灯具光线利用系数宁(1+镇流

6、 器功耗 )以 150W 高光效钠灯光效 110lm/W 为例，现在的灯具效率一般在 0.7 以上，考虑到光线不能全部照射在目标平面上，利用系数取0.6，则：钠灯灯具有效效能=110lm/W*0.6宁(1+20%)=55lm/W钠灯功率越高，光效越高。250W高光效钠灯光效为 120LM/W,400W高光效钠灯光效为140LM/W，即功率越高，钠灯灯 具有效效能就会越高。从以上的两个有效效能数值看，用 LED 灯具替代传统灯具，达不到 节能目的。而且功率越高， LED 与钠灯的差距越大。2、配光设计不合理： LED 灯具的配光设计是 LED 灯具的难点 之一，目前 LED 灯具的配光技术已经有

7、了很大的发展，现在有一些 实力较强的厂家已经开发出良好的二次配光系统，而不再是单纯依 靠光源排列来配光， LED 灯具二次光学设计也基本合理，投向目标 照射的有效光通量和传统灯具基本接近。但综合来看，现有的 LED 灯具虽然经过了一定的优化设计，配光还不能做到完全合理，但经 现场实测发现，有些在道路内则的配光较亮，均匀度也能满足要求， 但有些则在灯下较暗，人行道侧环境光的亮度明显不足，设计人员 还要加强对常规高品质路灯灯具和道路照明标准研究和理解。3、散热困难： LED 在工作过程中会放出大量的热量，使管芯 结温迅速上升， LED 功率越高，发热效应越大。 LED 芯片温度的升 高将导致发光器

8、件性能的变化与电光转换效率衰减，严重时甚至失 效，根据实验测试表明：白光 LED 的光效随结温的升高而下降，结 温每升高 20 度光效要下降 5%。常规路灯照明灯具因其有足够的内 部空间及活性炭呼吸器和硅橡胶的密封安装散热，保证了光源良好 的工作条件。 LED 路灯的散热方式主要有自然对流散热、加装风扇 强制散热、热管和回路热管散热等，由于加装风扇强制散热方式系 统复杂、可靠性低、热管和回路热管散热方式成本高，且路灯在户 外使用夜间运行，所以 LED 路灯散热技术一般多为外壳和散热器设 计为一体，用来解决 LED 的发热问题。壳体采用多层翅片散热，壳 体散热面小了无法解决散热，壳体散热面增加，

9、虽然散热效果较好， 却增加了重量，导致路灯灯头太重，危险性增加，尤其遇到台风、 地震都可能产生意外。另外，在我国绝大多数道路灯具的使用场合， 空中的飞尘量是较大的，有时会达到很大的沙尘暴，灯具使用一段 时间后，其内部散热器的缝隙内就会塞满灰尘，影响散热器效果， 日积月累还会影响壳体的散热效果，导致 LED 快速老化，稳定性降 低，使 LED 因工作温度过高寿命明显被缩短。因而 LED 灯具的散 热问题将是一个长期存在的问题，需要生产商和用户在以的合作中 找出解决的方法。5、寿命不长： LED 的一大优势是其具有较长的寿命，这也是 厂家推销的重点，政府重视的一个重要原因，可以免维护或减少维 护工

10、作量。但实际上， LED 芯片的寿命虽长，并不能表示 LED 灯具 的寿命很长。 LED 灯具是一个系统的集成，包含光源、散热系统、 驱动电路等。影响其寿命的因素很多，如封装工艺、 LED 颗粒的组 合方式、散热方式、驱动电源等。若封装不好，灯脚接触不良，造 成结温升高，将大大影响光源的寿命。驱动电源是由各电子元件组 成，电子元器件的寿命一般在 50000 小时左右，目前国内生产的驱 动电源的寿命仅有 20000 小时，因此 LED 灯具的使用寿命不超过 20000小时。6、维护困难：大功率 LED 灯具的照明光源大多是由大功率 LED 颗粒通过二次配光组成，颗粒的损坏量很难不通过仪器而只通

11、过肉眼进行判断，这给维护工作带来了很大的难题，严重制约了维 护的速度，将在很大程度上影响道路照明照度，降低了照明质量。 给路灯管理部门的管理带来了极大的不便，将损耗大量的人力、机 械和时间。保证完好的亮灯率，对于路灯管理维护单位来说是工作的根本， 也是重中之重。目前 LED 灯具的结构基本上为一体化设计，相关器 件无法在现场更换，而 LED 灯具生产厂家的灯具自成体系，各自不 同的工作特性难以通用维护，维护时必须使用原厂产品，生产厂家 不同，不同的设计、不同的寿命，导致各种备品在不远的将来会成 为路灯管理维护部门的严重问题。因而每种灯具必须准备多个备用 品，加大了库存，日常维护成本严重增加。除

12、了高额成本外，损坏 光源还须返回原厂修复，修复的费用和往返的时间无法控制，这对 使用单位来说是无法忍受的。没有统一标准的 LED 灯具给质保期以 后的运行维护工作带来了极大的不便，也不符合市政公用设施标准 化，通用化的设计原则，灯具主体、发光颗粒、驱动电路等主要电 气元件没有必要的标准性、统一性、兼容性，同时无法保证备品备 件，没有相关的国家标准是 LED 广泛应用于道路照明的最大障碍和 阻力。三、结束语LED 照明作为 21 世纪的新型光源，是光源历史上的一次创新 和变革，小功率 LED 产品目前已广泛应用于景观照明、交通信号灯、 汽车灯、家用电器等行业。大功率 LED 灯具目前存在发光效率

13、低、 光衰大、光色不一致、色温偏差大、二次配光处理水平不高、驱动 电源设计不尽完善，其寿命远低于 LED 自身寿命等诸多问题。但是 其发展速度非常快，人们应客观、理性地看待 LED 灯具的发展，成 长，看好其未来前景，采取积极热情的态度，支持和促进其发展， 并在应用中改进、提高，但不应盲目、无序的推广和。成长需要一 个过程，如果不能正确的对待 LED 路灯，现在就谈大规模应用将可 能会出现投资过大、投资浪费等现象，同时今后将产生一系列的后 遗症。综上所述，大功率 LED 灯具暂时还不能在城市主次干道上大规 模使用，可在城市的支路上逐步试点使用。相信在不久的将来， LED 灯具将逐步解决其目前所

14、存在的问题，成为性能优异，节能环 保、维修方便的功能性照明灯具。三、 LED 灯具与传统灯具的比较1、色温的比较现在 LED 灯具的生产厂商为提高灯具的发光效率，在色温上普 遍采用 50006000K 的高色温光源，因为现在的白光 LED 基本上采 用的是蓝光 LED 与 YAG 黄色荧光粉给合的技术，这是目前所有白 光 LED 的组合方式中成本最低而效率最高的。如果采用暖白色的低 色温光源，则需要在黄色粉中掺杂其它颜色的粉（如红粉和绿粉） ， 但其它颜色的粉相对转化率较低，会导致光通量的衰减即光效的下 降。与 LED 的高色温相比， HPS 灯具产生的黄光更显得柔和一些， 人的眼睛也会感觉到

15、舒适些。通过专业人士调查得知，很多驾驶员 和行人不喜欢高色温的光线，其实这也是金囟灯无法推广使用的原 因之一。在询问调查中，也有人持相反观点，觉得 LED 的白光比 HPS 的黄光更舒服，但其中也夹杂了不同显色性能的影响。2、显色性的比较 光源对物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色的逼真程 度，显色性高的光源对颜色的再现较好，我们所看到的颜色也就越 接近自然色。原则上，人造光线越接近自然光线，人的肉眼越能正 确辨别事物的颜色。LED 光源的显色性比高压钠灯高许多，高压钠灯显色指数只有 23，而 LED 光源显色指数达到 75以上，因此 LED 路灯再现事物颜 色很强，提高了人对事物的分辨能

16、力。另外，有部分专家认为，从 视觉心理角度考虑，达到同等亮度， LED 灯具的光照度平均可以比 高压钠灯降低 20%以上。4、光衰的比较现在 LED 灯具的生产厂商声称， LED 灯具的光衰一年不到 3%，使用 10 年仍达到道路使用照度要求，但从实际跟踪测试的数 据来看，个别厂商的 LED 灯具使用一年后光衰超过 5%，至于需要 多长时间光衰到低于照度维持值，还需要进一步的跟踪测试。HPS 路灯在运行初始光衰会比较大，但后期曲线比较平稳，在HPS路灯平均寿命期间，可以维持较高水平。5、机械安全性的比较HPS路灯灯具体积较大，较厚，而LED路灯灯具的体积较为扁 平，因此HPS路灯比LED路灯的受风面积要大，对灯杆和灯臂的 强度要求则更高。6、节能控制的比较近年来， HPS 路灯在节能控制上，研究出多种节能方式和产品， 有降压节能器、变功率镇流器、变功率电子镇流器等，但由于气体 放电灯的特性，需要有足够的端电压去电离激发，当电压或电流降 到一定程度时，会导致光源不能正常工作，甚至熄灯。通过相关节 能措施，节能效果约可达 30%。LED 是固体光源，电流从 LED 阳极流向阴极时，其半导体晶体 就会光发，光的强弱与电流相关，因此能实现 0%100%调光功能， 从而可以根据现场的需求，灵活控制光输出量，调整光照度，提高