LED在道路照明中的應用現狀與趨勢

葉 峰

(蘇州市城市照明管理處/蘇州市城市照明工程公司，江蘇蘇州 215000)

1 前言

半導體照明是目前被各國公認為的、最有發展前景的高效照明產業，被稱作繼白熾燈、熒光燈之后照明光源的又一次革命，代表了世界照明工業的未來發展方向。半導體照明也稱固態照明，是指用固態發光器件作為光源的照明，包括發光二極管(LED)和有機發光二極管 (OLED)，具有技術發展迅速、應用領域廣泛、產業帶動性強、節能潛力大的特點。國家電網能源研究院副院長胡兆光指出，半導體照明有三大優點:一是節能，在同等照明亮度的狀況下，LED燈比白熾燈、熒光燈平均節電40%至50%以上，且后期維修維護費用極低，安裝使用后3至5年內幾乎不產生任何維護費用;二是環保，該燈不含當前市場上普遍銷售的普通節能燈所含的汞、鉛等有害物質及有害氣體;三是使用壽命長，平均使用壽命可達5萬至10萬小時，是普通燈的3至5倍。正是由于這些特點，半導體照明才被各國視為最有發展前景的高效照明產業。

LED照明產業作為近年來新興的一個產業，頗具中國特色，雖然中國已成為世界最大的LED市場，也擁有最多的LED企業和產量，但是核心技術仍然掌握在外國人手中，目前我國綠色照明產業在政府大力支持和廣闊的市場空間下，LED在應用領域尤其在城市照明中，將迎來前所未有的發展機遇。

2 LED照明產品技術及應用現狀

2.1 LED照明產品技術現狀

目前，半導體照明技術正處于快速發展時期，國際上大功率白光LED產業化的光效水平已經達到130lm/W(流明/瓦)，半導體照明產業正向更高光效、更低成本、更多種類和更大應用范圍方向發展，競爭焦點集中在大功率高亮度LED芯片、藍/紫光LED和白光LED，技術創新的速度超過預期。2010年，美國Cree公司大功率白光LED實驗室光效已達208lm/W，日本Nichia公司的小功率白光LED實驗室光效已達249lm/W，韓國首爾半導體光效為100 lm/W的AC LED產品開始量產 (詳見表1)。

表1 世界主要半導體企業技術水平

國際LED領域的核心專利主要掌握在Nichia、Lumileds、Osram和Cree等幾家國際大公司手中。我國在LED產業化技術研發方面落后于美國、日本等國家，在上游核心知識產權方面更是有較明顯的差距。

2.2 中國LED照明產業現狀

2010年是我國半導體照明產業快速發展的一年，也是產業規模迅速擴大和產業環境明顯改善的一年。2010年，我國半導體照明完全擺脫了金融危機的影響，在國內產業政策和國際市場需求的雙重拉動下，我國成為全球半導體照明產業發展最快的區域，其中外延芯片和照明應用新產品的發展最為突出 (詳見表2)。

由表2可知:2010年，我國半導體照明應用的增長非常突出，應用領域的整體規模達到900億元，整體增長率達到50%;其中，背光應用和通用照明應用的增長量最為突出。隨著中國城鎮化進程的持續進行以及節能減排的迫切需求，包含道路照明在內的LED通用照明產品的市場規模迅速擴大，2010年增長率達153%;LED通用照明產品逐步替代白熾燈等低效照明產品已成為大勢所趨，通用照明將是未來最具潛力的應用領域。

表2 我國2010年半導體照明產值及增長率

3 LED路燈應用現狀

國內LED路燈的應用主要分三種類型:一種是以“十城萬盞”為代表的，包括2010年三部委試點示范工程，由中央部委組織，以推動行業技術和產業發展為目的的應用;另一種是地方政府大力推動，以拉動地方產業經濟為目的的應用，如廈門、揚州等地大規模LED照明產品的應用。還有一種是各地照明管理部門嘗試性的應用。

對于第一種類型在整個行業中影響力可謂聲勢浩大，但是其推動作用則不足，主要原因是應用規模的大小完全取決于地方財力。LED路燈算不上奢侈品，但也絕對算不上是大眾化的產品。對于常規路燈而言，如飛利浦、GE等國際名牌的本地化產品，一般150～400W的燈具價格在1500～2500元范圍，而LED超過100W的產品一般價格在3000～5000元，功率越大價格越高，200W以上的，甚至要7000～8000元。以一個燈盞數在10萬盞的中型城市而言，且不論照明質量和產品質量如何，僅燈具主材一項，就要5億元左右，這么大的投入不是一般城市能夠承受的。因此，對于這種類型的應用，往往是響應積極，落實寥寥。由于這種類型的應用是面向全國開放的，因此參與的企業面廣量多，經過激烈競爭，其入圍或中標產品的質量水平相對而言較高。

第二種類型主要以國家科技部在廈門、南昌、深圳、揚州、石家莊等半導體照明產業化基地為代表，地方政府出于地方經濟發展與產業結構轉型升級的目的，招商引入半導體照明企業，作為扶持政策或附加條件，積極在當地推廣LED路燈的應用。地方政府的大力推動，對產品應用推廣的力度是不言而喻的，這類城市的應用數量是最大的，應用份額甚至能超過傳統路燈。但由于對當地企業的保護，產品的競爭是不充分的，局限于幾家落戶當地的LED照明企業，產品的價格與質量水平相對而言難以得到保證。

第三種類型是目前在全國范圍內最普遍的，出于對城市照明系統穩定性的考慮，以及受現在LED路燈如火如荼的形勢影響，各地照明管理部門，或多或少會對LED路燈作些樣燈測試和嘗試性的應用，少則幾十盞，多則幾千盞。由于各地照明管理部門技術水平和企業市場渠道的不同，這一類應用最是千差萬別良莠不齊。總的來說，地方經濟發達的、技術力量較強的城市，其LED產品的性價比會好一些。

4 LED大功率路燈推廣應用存在的問題

為了進一步了解大功率LED路燈的特性，正確了解LED產品的性能和質量水平以及在推廣運用中還存在的問題，我們對不同廠家的產品做了現場測試和比較，測試是在車流量少、環境照度低，光干擾少的相同路段進行，每月跟蹤測試。通過近三年來的測試、應用和總結分析，表明大功率LED光源技術已可以適當地應用在城市道路的功能照明中，但還存在四方面的問題有待于解決。

4.1 照明質量方面

與同功率的高壓鈉燈比，測試的LED路燈的平均照度還是相對較低，因為目前LED的光效 (70～90lm/W)還無法超過高壓鈉燈 (100～140lm/W)，光通量低則必然照度值低。但部分產品的照度已達到國家行業標準中對次干道的要求，可應用在實際道路中。

LED路燈是由多顆LED光源組成，LED光源又有很強的定向性能，但光源的投射距離有限，造成燈下亮、兩燈之間暗，照度均勻度差的現象。有些廠家的燈具應用了特殊的光學透鏡進行二次配光，均勻度有了大幅提高，已達到道路照明配光需求，但也有一定的缺陷，光束均投射到車行道，未考慮燈后的人行道，造成燈后區域基本沒有照度，道路照明的環境比很差。

有的產品因未做二次配光，因LED光源的定向照射特性，其燈下照度較高，但隨著距離的延伸照度下降很快，水平照度均勻度很差，在實際應用中會在兩燈之間會造成明顯暗區，形成明暗相間的斑馬紋，而且燈具產生的眩光嚴重。

4.2 產品質量方面

產品質量一是壽命、二是效率。

對于壽命，LED光源的壽命可達5～10萬小時，但LED路燈是一個系統的集成，影響其壽命的因素很多，如封裝工藝、LED顆粒的組合方式、散熱方式、驅動電源等。若封裝不好，燈腳接觸不良，造成結溫升高，將大大影響光源壽命。

大多測試燈具采用的散熱方式是通過燈具結構散熱片的設計，以期達到增加熱傳導散熱面積。但由于道路照明的應用環境一般都比較惡劣，塵埃較大，且金屬表面腐蝕氧化造成散熱片高低不平，長期使用，散熱片之間難免積聚灰塵，必然在一定程度上影響燈具散熱，導致燈具內部溫度很高，從而導致LED路燈使用實際壽命的明顯縮短。

驅動電源是由各種電子元件組成，而電子元件自身的壽命、穩定性直接影響到驅動電源整體的壽命，有些電子元件的壽命就達不到5萬小時，國內的驅動電源的壽命也只有2萬小時。本次測試就有一測試燈具運行未到二個月，就因驅動電源的損壞而熄燈。因此選擇可靠的驅動電源也是關鍵。

經過長期各種類型的測試，各企業的產品可謂千差萬別。有的能很好地控制光衰，有的則表現很差。實際應用中我們測試燈具的光照度年衰減達到5%～20%的都有。一般而言，其光衰情況比廠家所宣稱的要差很多。由于LED產品更新快，理論壽命長，大部分光衰只能通過短時間測試后推算出來，無法真正實測，其結果的準確性也不得而知。

對于效率，其一是LED的光效，日前在產業化應用中的LED單顆粒光效，國產顆粒基本是60—70lm/w、國外的可以做到70～90 lm/w，而高壓鈉燈光效在120～140lm/w左右。因此LED光源要真正做到替換高壓鈉燈，成為比高壓鈉燈更節能綠色的產品，還有待于其本身光效的提高，彌補光源總光通量不足的缺陷。

其二是LED燈具的效率，有的燈具采用光學透鏡二次配光，有的則采用傳統的配光器，不同的配光方式將大大影響燈具的出光效率。另外，燈具的IP特性也對燈具效率有一定的影響。

其三是LED驅動電路的效率，根據LED光源的特點，LED驅動電路應該呈現恒流特性，如果驅動電路設計不當，驅動電路本身都會消耗很大的有功功率，將使轉換效率下降。

4.3 價格成本方面

LED的價格成本是其軟肋，目前30元左右/W的市場價，令LED燈具的價格遠遠高于傳統路燈，由于其結構目前大都屬于整體式，其維修的價格成本也是居高不下。傳統路燈 (包括國產品牌和國際品牌的本地化產品)新燈及附件市場參考價格(RMB元)如表3。

表3 傳統路燈新燈及維修元器件市場參考價格 (元)

而LED的價格大約是30元/W，100W左右的整燈在3000～4000元，200W左右的整燈在5000～7000元，目前大多數燈是整體式的，故障后只能整體更換，維修成本很高，也很不便利。現在有部分企業在做模塊化的LED器件，每條30W價格在300～500元，驅動電源的成本大概在500～1000元左右，其壽命也并不比傳統路燈的元器件長。

4.4 維護便利性

因影響LED路燈燈具的壽命有多種因素，要達到5萬小時免維護較難。而高壓鈉燈光源壽命可達2.4萬小時，鎮流器的壽命更是超過了5萬小時。目前LED路燈燈具的結構設計均為一體化設計，無論是LED燈具損壞還是驅動電源故障，一旦有問題則必須整體拆除更換，維護工作量大、費用高，而高壓鈉燈僅需更換燈泡或觸發器，維護工作量較小、費用小。由于LED的技術發展速度很快，廠家的產品也會隨著更新換代，產品的設計也因無標準約束而不同，可替換性較差，造成備品備件無法保證，給運行維護帶來較大困難。

5 結論與發展趨勢展望

我國的經濟發展環境非常有利于LED照明產業的發展。多年以來，我國經濟一直保持較高的增長率，為LED照明產業的發展提供了良好的經濟環境。隨著經濟的發展和國民收入的增長，對LED照明的承受能力也在不斷增強，為我國LED的大范圍應用奠定了良好的經濟基礎。

現階段的大功率LED路燈，作為新興光源，部分產品已可以應用到實際中，體現出諸多優勢，成為新一代光源的發展趨勢。但仍需解決其性能不穩定，節能、壽命與理論相差太大，產品質量良莠不齊，沒有統一標準，互換性差，價格高，維護成本高等問題。燈具廠家還需要根據LED光源的特性和道路照明產品的運用特點，揚長避短，在滿足照明質量的前提下，提高產品的質量和壽命，降低產品成本，形成標準系列，便于產品維護更新，屆時在城市照明中的推廣運用也將是水到渠成的事了。

所以LED目前更適宜于做試點示范形式的應用，隨著產品性能的不斷提高，價格不斷下降，標準和規格的逐漸規范統一，逐步擴大應用分額。以目前LED發展的技術成果和進度趨勢而言，LED產品在道路照明中的應用份額的增加，是勿庸置疑的。但是其份額增加的速率是和產品的照明質量、產品質量、價格、應用的便利性密切相關的。

從應用的角度來看LED的發展趨勢有以下幾個方面:(1)性能的提高，LED的光效目前還沒有超過鈉燈，遠沒有達到理論上的300lm/W，光通量是硬道理，沒有亮度和照度，無論是中間視覺或是其他的什么理論，都無濟于事。(2)壽命的延長，這個壽命是有效壽命的概念，也是整燈壽命的概念。既要確保亮燈時間，更要保證光衰在30%以內。雖然和傳統路燈一樣，不是要求所有元器件壽命作為整燈壽命，但只有易更換部件才可以例外。(3)價格的下降，以現在LED的價格，其性價比遠低于傳統路燈，如果按照相同照明質量來衡量LED和傳統鈉燈，則沒有一個EMC項目能夠贏利，也沒有多少城市能夠用得起。因此必須要通過技術的革新和規模化的生產來降低成本。 (4)模塊化和標準化，LED光源有具結構方式靈活的優點，但在道路照明應用中，這就未必是優點。一有故障就要整燈更換，各家自定規格不能通用，都造了維護工作的不便，讓使用者望而卻步。只有通過模塊化和標準化，一則可以加強專業分工，二則有利于應用推廣。

［1］陳炳欣.中國“十二五”期間半導體照明發展部署.半導體照明，2010年11月刊.

［2］萬小妹.LED行業上中下游的思考.高工LED，2010年11月刊.

［3］半導體照明科技發展“十二五”專項規劃.

［4］國家半導體照明研發及產業聯盟.中國半導體照明產業發展年鑒 (2008—2009).北京新材料科技促進中心編，機械工業出版社，2009年4月第一版.

［5］仇衛平.國際經濟形勢新變化對我國出口貿易的影響與應對措施，現代財經，2010年第5期.