淺析ＬＥＤ光源及其在路燈設計中的應用

摘要:LED即為發光二極管，LED景觀照明已普遍應用，但大功率LED用于道路與隧道照明是目前LED產業研究的熱點。由于國內LED生產廠家多，良莠不齊，目前尚未有檢測辦法，影響了該產業的發展。為此，本文針對LED在道路照明中存在的一些問題進行了簡要的分析，并結合現在很多城市的實際應用情況，對于LED在市政道路上應用存在的優勢進行了探討。

關鍵詞:LED路燈照明 問題優勢

0 引言

當前，隨著LED照明技術的不斷發展，主要是以其功率的增加，效率的提高，成本的下降，越來越多的被各類照明工程所采用。LED不但在裝飾性照明領域，在功能性照明領域也已占有一席之地。如信號燈、汽車尾燈、防水防爆型電筒，包括一部分室內照明及道路照明。LED作為一種固體照明光源，以其長壽命、高光效、多光色及一次配光定向照射功能，可在安全低電壓下工作，也可連續開關閃斷，能輕松實現0~100%調光功能等諸多優勢，成為新一代光源的發展趨勢。

1 LED光源的基本特征

1.1 發光效率高 LED經過幾十年的技術改良，其發光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明/瓦，熒光燈50～70流明/瓦，鈉燈90～140流明/瓦，大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經改良后將達到達50～200流明/瓦，而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發出有色可見光。目前，世界各國均加緊提高LED光效方面的研究，在不遠的將來其發光效率將有更大的提高。

1.2 耗電量少 LED單管功率0.03～0.06瓦，采用直流驅動，單管驅動電壓1.5～3.5伏，電流15～18毫安，反應速度快，可在高頻操作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的八分之一，熒光燈管的二分之一、日本估計，如采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED替代日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節約相當于60億升原油。就橋梁護欄燈例，同樣效果的一支日光燈40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩變化。

1.3 使用壽命長 采用電子光場輻射發光，燈絲發光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用LED燈體積小、重量輕，環氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎。平均壽命達10萬小時。LED燈具使用壽命可達5～10年，可以大大降低燈具的維護費用，避免經常換燈之苦。

1.4 安全可靠性強 發熱量低，無熱輻射，冷光源，可以安全抵摸:能精確控制光型及發光角度，光色柔和，無眩光;不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質。內置微處理系統可以控制發光強度，調整發光方式，實現光與藝術結合。

1.5 有利于環保 LED為全固體發光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發成輕便薄短小型照明產品，也便于安裝和維護。

當然，節能是我們考慮使用LED光源的最主要原因，也許LED光源要比傳統光源昂貴，但是用一年時間的節能收回光源的投資，從而獲得4～9年中每年幾倍的節能凈收益期。

2 LED在市政道路照明應用存在的問題

2.1 新興行業、無專業規范、無設備檢測:LED光源在景觀燈上已經有了廣泛的應用，而在市政道路應用是一個新興事物，LED代替以往的高壓鈉燈，無規范可依，現在LED道路照明設計標準參照國家規定的城市道路照明設計標準CJJ45-2006執行。另外LED的檢測還沒有公認的認證機構，檢測設備在重慶大學光電工程學院剛剛研制成功，但尚未進一步推廣，該設備僅能檢測LED好與壞，至于好的程度尚未能檢測，目前LED的好壞只能依靠品牌與信譽來判斷。

2.2 散熱問題:LED的能量一部分轉為光能，還有很大一部分轉為熱能。LED封裝后，散熱能力很差，大功率的LED有很強的散熱要求，因無行業標準，目前一般認為燈具溫度控制在60度以下即為合格。對于散熱方式，專家建議采用熱導管及結構性自然熱對流技術來降低LED溫度，不主張采用風扇散熱。

2.3 光效低、光衰大:LED理論光效是400LM/W，但目前國內的LED光效只能達到130LM/W左右，LED光效技術上還有待突破，另外質量差的LED光衰很大。

2.4 LED有很強的方向性:由于LED有很強的方向性，大功率LED路燈由很多粒子組成，LED路燈的配光不應是簡單的疊加，應由光源的光學設計和嶄新的燈具設計來達到均勻的光強分布，不同的應用需有不同的光學設計。目前有些路燈生產廠家生產的LED道路燈僅僅是原始燈具與LED光源的簡單疊加，達不到很好的照明效果。

3 LED應用中存在的優勢

近一段時期以來，在節能減排的口號的感召下，各地紛紛上馬LED道路照明項目。但是，在這一功能性要求較高的領域里，LED卻遇很大的阻力，顯然LED路燈在目前的發展中暴露出它的一些不足。我們不難看到各地LED道路照明項目大多獨立實施，良莠不齊，存在著反復試驗，反復浪費的狀況。如能在行業內實現信息共享，并出臺一些切實可行的暫行標準，必將對LED路燈的健康、快速發展起到推動作用。以下，筆者以一個LED路燈的實際項目為例，結合LED本身特點，對LED路燈在發展過程的利弊作一研判，望能起到拋磚引玉的作用。

作為新興光源，LED正處于飛速發展的階段，目前大功率白光LED的光效已有100lm/W;而且通過對其發光機理的研究，可以推算出LED的輻射光效可達350lm/W，還具有很大的發展空間。LED的特點之一是定向發光，在實際應用中盡可能使燈具中的LED分別把光線直接射向被照面的各個區域，配合燈具反射器的輔助配光，得到符合各種需求的精確光分布，因此LED路燈燈具配光設計精準到位是其能否替代傳統路燈的關鍵。

LED無明顯的失效機理，理論壽命可達10萬小時。在泛光照明應用中，通常約定LED輸出光通量衰減到初始值的70%時即為壽命終點，照此現有LED壽命也有5萬小時。可大幅減少維護工作，節約運行成本。

作為半導體光源，LED響應迅速，能在連續開關閃斷狀態工作，輕松實現0~100%調光，可與控制系統整合，按需要調整光輸出。

3.1 雖然傳統光源有更高的光效:鈉燈110lm/W，金鹵燈80lm/W。但這類光源應用在道路燈具中時，只有40%的光是直接照射到路面，其它光是通過燈具反射器再投射出燈具。而此類燈具的反射器效率僅為50%~60%，燈具效率一般僅有70%。反射器設計難度大，無法真正滿足配光需求，普遍存在在直接照射方向照度過大，而在兩燈光線交叉處照度過小的問題。

反觀LED路燈，3次配光設計使大部分光是直接投射到路面，燈具整體光效達50lm/W。

3.2 LED光源輸出白光顯色性達65，色溫適中:5000K~6000K，相比鈉燈，光色更為自然。按“中間視覺”理論，白光LED具有較高的中間視覺等效光效，即在中間視覺條件下的亮度提高約40%，而此時“黃光”高壓鈉燈的等效光效要降低約30%。雖然中間視覺理論依據人眼感官，現在還處于爭議中并無確切的標準，但LED的高顯色性無疑有助于司機及行人識別目標，在同樣的路面亮度下提供更好的通行條件。

3.3 鈉燈與金鹵燈均為高壓氣體放電燈，因故熄滅后熱啟動時間長達5～8分鐘;LED燈具則可工作在連續開關閃斷的狀態下。

3.4 LED燈具可實現0~100%連續調光，可根據環境光照及交通狀況靈活調整光輸出，在保證照明質量的同時降低不必要的功耗。采用傳統鈉燈及金鹵燈的路燈，一般只能實現小范圍的調光控制，應用中不可避免的受到其最低工作電壓要求的局限性。

3.5 LED燈具壽命長，在良好的散熱條件下可達50，000小時，光衰小，有效降低維護工作，減少運行成本。

隨著科學技術的迅速發展，在不久的將來，LED的技術問題會得到解決，在國家綠色照明的政策推動下，相信LED路燈會受到廣泛的關注，并在道路照明中普遍應用。