LED路燈應用的可行性分析

郭 磊

（中國石化工程建設有限公司，北京 100101）

目前，資源匱乏、能源緊張已成為全球經濟發展的瓶頸。在供電日趨緊張的情況下，世界各國均不約而同地開始了新型照明光源的探索。LED作為光源，具有節能、環保、壽命長三大優勢，理論上可實現只消耗白熾燈10%的能耗，比熒光燈節能50%；它采用固體封裝，壽命是熒光燈的10倍、白熾燈的100倍；同時，LED光源無紫外光、紅外光等輻射，且能避免熒光燈管破裂溢出汞的二次污染。一位美國專家曾指出，LED半導體已在電子學方面完成了一場革命，其第二場革命將在照明領域進行；于是，一股LED照明熱潮席卷全球，掀起了照明行業“第二次革命”，美國、日本、歐洲包括我國均紛紛制訂了自己的“半導體照明計劃”，并由政府部門進行強制照明節能推動。

道路照明與人們生產生活密切相關，隨著我國城市化進程的加快，綠色、高效、長壽命的 LED 路燈逐漸走入人們的視野。目前，LED 照明技術日趨成熟，大功率 LED 光源功效已經達到 90lm/W ，城市路燈照明節能改造成為可能。由于LED接近于點光源的特點決定了其特別適合做定向照明，即通過合理的光學設計達到很高的燈具效率與光線利用效率。道路照明屬于定向照明的范疇，即期望光線照射在道路及周邊一定范圍內。當前廣泛應用的高壓鈉燈，光源本身光效較高，但光源發光體較大，空間360°發光，燈具的有效光利用率僅為50%左右。因此，盡管LED目前的光效僅90lm/W左右，比高壓鈉燈的120lm/W低，但做道路照明等定向照明時，通過合理的燈具光學設計，使用LED光源的燈具比高壓鈉燈相比擁有更高的光利用率，這就是選用LED光源作為道路照明光源的重要原因。

1 LED道路照明的可行性分析

1.1 基本情況

在某工廠項目的道路照明設計中，經過詳細的方案研究和考察論證，該項目的全廠道路照明光源全部使用了LED光源。項目的基本情況如下：

1） 項目所在地：華北地區。

2） 全廠道路總長度：約9km。

3） 道路寬度：9m。

4） 路燈燈桿高度：8m。

5） 路燈挑臂長度：單臂1m。

6） 路燈最大間距：30m。

7） 路燈布置方式：單排布置。

作為新型的光源，在工業照明工程的初步應用過程中，必須對其可替代性做出研究，因此本項目的道路照明設計分別對采用 LED光源和高壓鈉燈光源做出設計，希望通過兩次設計的對比，實事求是的得到可行性研究的結果。表1為設計數據，根據表1的數據可以分別從照度分析和經濟性分析得出合理的結論。

表1 LED光源、高壓鈉燈光源設計數據對比

1.2 照度分析

采用飛利浦Philips Calculux Road軟件對以上路燈設計進行建模，得到以下照度報告。

圖1 120W LED光源路燈照明照度圖形報告（山平面）

圖2 120W LED光源路燈照明照度圖形報告（顏色填充圖）

圖3 250W高壓鈉燈光源路燈照明照度圖形報告（山平面）

圖4 250W高壓鈉燈光源路燈照明照度圖形報告（顏色填充圖）

根據軟件分析報告的結果，可以得到照度值為：120W LED光源路燈，光源高度8m，在30m間距下，對9m寬的馬路，地面最大照度為51.8lux，最小照度為 12.8lux，平均照度為 25lux；250W 高壓鈉燈光源路燈，光源高度8m，在30m間距下，對9m寬的馬路，地面最大照度為 60.3lux，最小照度為12.1lux，平均照度為29.7lux。根據有關行業和國家標準的規定，廠內主干道路的地面高度照度不允許低于 10lux，因此無論是 120W LED光源路燈還是250W 高壓鈉燈光源路燈在照度值上都滿足標準的要求。

1.3 經濟性分析

根據表1“LED光源、高壓鈉燈光源設計數據對比”，可以得到如表2所示的經濟性分析結果。

由表2可以看出由于 LED光源的路燈價格較高，其首次采購成本要高出高壓鈉燈光源的路燈40%多，能源消耗費用LED光源不到高壓鈉燈光源路燈的一半，按運行5年考慮，LED光源仍比高壓鈉燈光源總費用要高出近10%。這說明短期內LED路燈在性價比上仍舊處于較低水平。然而在關注經濟性的同時，我們也不能忽略節能減排的硬性需求。從國際環境看，氣候變化、能源安全等全球性問題凸顯，低碳經濟發展成為戰略制高點。從國內形勢看，我國政府承諾到2020年，單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～50%，這也需要付出艱苦努力。同時本行業確立的減排目標也明確指出，“十二五”期間實現節能總量500萬噸標煤，工業企業萬元產值綜合能耗下降幅度達到5.8%。從表2可以看出選用LED路燈在5年可以減少二氧化碳排放600余噸，折合節約標準煤240余噸，雖然這240余噸與500萬噸的目標相差甚遠，然而不積跬步無以至千里，500萬噸的目標是由一點一滴的減排積累起來的，選用LED路燈正是其中不能忽視的環節。

表2 LED光源、高壓鈉燈光源路燈的經濟性對比

2 LED路燈存在的問題

2.1 配光設計問題

LED路燈的配光設計，是 LED路燈的難點之一。前面提到過LED光輸出方向性好，在提供更高配光效率可能的同時也對燈具配光部件的設計及制造提出了更高要求，光學設計難度比較大。從圖2和圖4兩幅顏色填充圖可以看出，LED路燈的路面照度均勻度差一些，斑馬效應明顯一些，同時在實際應用中 LED路燈有較大的眩光。為解決以上問題，實現馬路燈的泛光照明效果，燈具配套了高透光率的玻璃透鏡護罩，并要求發光角度可調。

2.2 散熱問題

LED的工作狀態和散熱設計不僅直接關系到LED實際發光效率，也關系到實際使用壽命。尤其在大功率LED中，散熱是個不容忽視的問題，當上升程度超過最大允許溫度時，LED芯片會因過熱而損壞。目前最常見的散熱方式是對燈具結構散熱片的設計，以期達到增加熱傳導散熱面積。本項目 LED路燈即采用立筋散熱片設計，并提出了光源耐受結溫不低于150℃的要求。這樣即使散熱片上即使有灰塵或落葉的積聚也能保證LED光源的50000h壽命。

3 結論

本文以某項目的道路照明為背景，對LED光源道路照明應用進行了闡述，并與高壓鈉燈光源路燈在各項指標下做出對比，對其技術可行性和經濟可行性進行了分析。指出了其在壽命、調光、光輸出定向性、顯色性等方面的優勢，也指出其在配光、散熱、性價比方面存在的問題，并給出一定解決的辦法。LED光源是綠色照明的一顆新星，LED光源技術方興未艾，發展迅猛。從趨勢來看，LED光源的價格具有24個月下降一半的特征，另外，理論推導得出LED潛在光效可達370lm/W，去年美國已經開發出160lm/W的產品，可以預見不遠的將來LED的光效必將大幅提高。價格不斷的下降和效率不斷的提高，使得LED光源無論在一次投資還是節能減排方面優勢愈發的明顯。筆者希望通過這篇從照明工程可行性分析角度對 LED路燈應用加以研究的論文，使同行了解LED光源的設計特點，促進LED光源在工業以及民用行業的更加廣泛應用。

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