浅析LED光源及其在路灯设计中的应用

浅析LED光源及其在路灯设计中的应用

王林涛

王林涛（大连市路灯管理处）

摘要：LED即为发光二极管，LED景观照明已普遍应用，但大功率LED用于道路与隧道照明是目前LED产业研究的热点。由于国内LED生产厂家多，良莠不齐，目前尚未有检测办法，影响了该产业的发展。为此，本文针对LED在道路照明中存在的一些问题进行了简要的分析，并结合现在很多城市的实际应用情况，对于LED在市政道路上应用存在的优势进行了探讨。

关键词：LED路灯照明问题优势

0引言

当前，随着LED照明技术的不断发展，主要是以其功率的增加，效率的提高，成本的下降，越来越多的被各类照明工程所采用。LED不但在装饰性照明领域，在功能性照明领域也已占有一席之地。如信号灯、汽车尾灯、防水防爆型电筒，包括一部分室内照明及道路照明。LED作为一种固体照明光源，以其长寿命、高光效、多光色及一次配光定向照射功能，可在安全低电压下工作，也可连续开关闪断，能轻松实现0~100%调光功能等诸多优势，成为新一代光源的发展趋势。

1LED光源的基本特征

1.1发光效率高LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明／瓦，荧光灯50～70流明／瓦，钠灯90～140流明／瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50～200流明／瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

1.2耗电量少LED单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15～18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩变化。

1.3使用寿命长采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5～10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

1.4安全可靠性强发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。

1.5有利于环保LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。

当然，节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4～9年中每年几倍的节能净收益期。

2LED在市政道路照明应用存在的问题

2.1新兴行业、无专业规范、无设备检测：LED光源在景观灯上已经有了广泛的应用，而在市政道路应用是一个新兴事物，LED代替以往的高压钠灯，无规范可依，现在LED道路照明设计标准参照国家规定的城市道路照明设计标准CJJ45-2006执行。另外LED的检测还没有公认的认证机构，检测设备在重庆大学光电工程学院刚刚研制成功，但尚未进一步推广，该设备仅能检测LED好与坏，至于好的程度尚未能检测，目前LED的好坏只能依靠品牌与信誉来判断。

2.2散热问题：LED的能量一部分转为光能，还有很大一部分转为热能。LED封装后，散热能力很差，大功率的LED有很强的散热要求，因无行业标准，目前一般认为灯具温度控制在60度以下即为合格。对于散热方式，专家建议采用热导管及结构性自然热对流技术来降低LED温度，不主张采用风扇散热。

2.3光效低、光衰大：LED理论光效是400LM/W，但目前国内的LED光效只能达到130LM/W左右，LED光效技术上还有待突破，另外质量差的LED光衰很大。

2.4LED有很强的方向性：由于LED有很强的方向性，大功率LED路灯由很多粒子组成，LED路灯的配光不应是简单的叠加，应由光源的光学设计和崭新的灯具设计来达到均匀的光强分布，不同的应用需有不同的光学设计。目前有些路灯生产厂家生产的LED道路灯仅仅是原始灯具与LED光源的简单叠加，达不到很好的照明效果。

3LED应用中存在的优势

近一段时期以来，在节能减排的口号的感召下，各地纷纷上马LED道路照明项目。但是，在这一功能性要求较高的领域里，LED却遇很大的阻力，显然LED路灯在目前的发展中暴露出它的一些不足。我们不难看到各地LED道路照明项目大多独立实施，良莠不齐，存在着反复试验，反复浪费的状况。如能在行业内实现信息共享，并出台一些切实可行的暂行标准，必将对LED路灯的健康、快速发展起到推动作用。以下，笔者以一个LED路灯的实际项目为例，结合LED本身特点，对LED路灯在发展过程的利弊作一研判，望能起到抛砖引玉的作用。

作为新兴光源，LED正处于飞速发展的阶段，目前大功率白光LED的光效已有100lm/W；而且通过对其发光机理的研究，可以推算出LED的辐射光效可达350lm/W，还具有很大的发展空间。LED的特点之一是定向发光，在实际应用中尽可能使灯具中的LED分别把光线直接射向被照面的各个区域，配合灯具反射器的辅助配光，得到符合各种需求的精确光分布，因此LED路灯灯具配光设计精准到位是其能否替代传统路灯的关键。

LED无明显的失效机理，理论寿命可达10万小时。在泛光照明应用中，通常约定LED输出光通量衰减到初始值的70%时即为寿命终点，照此现有LED寿命也有5万小时。可大幅减少维护工作，节约运行成本。

作为半导体光源，LED响应迅速，能在连续开关闪断状态工作，轻松实现0~100%调光，可与控制系统整合，按需要调整光输出。

3.1虽然传统光源有更高的光效：钠灯110lm/W，金卤灯80lm/W。但这类光源应用在道路灯具中时，只有40%的光是直接照射到路面，其它光是通过灯具反射器再投射出灯具。而此类灯具的反射器效率仅为50%~60%，灯具效率一般仅有70%。反射器设计难度大，无法真正满足配光需求，普遍存在在直接照射方向照度过大，而在两灯光线交叉处照度过小的问题。

反观LED路灯，3次配光设计使大部分光是直接投射到路面，灯具整体光效达50lm/W。

3.2LED光源输出白光显色性达65，色温适中：5000K~6000K,相比钠灯，光色更为自然。按“中间视觉”理论，白光LED具有较高的中间视觉等效光效，即在中间视觉条件下的亮度提高约40%，而此时“黄光”高压钠灯的等效光效要降低约30%。虽然中间视觉理论依据人眼感官，现在还处于争议中并无确切的标准，但LED的高显色性无疑有助于司机及行人识别目标，在同样的路面亮度下提供更好的通行条件。

3.3钠灯与金卤灯均为高压气体放电灯，因故熄灭后热启动时间长达5～8分钟；LED灯具则可工作在连续开关闪断的状态下。

3.4LED灯具可实现0~100%连续调光，可根据环境光照及交通状况灵活调整光输出，在保证照明质量的同时降低不必要的功耗。采用传统钠灯及金卤灯的路灯，一般只能实现小范围的调光控制，应用中不可避免的受到其最低工作电压要求的局限性。

3.5LED灯具寿命长，在良好的散热条件下可达50,000小时，光衰小，有效降低维护工作，减少运行成本。

随着科学技术的迅速发展，在不久的将来，LED的技术问题会得到解决，在国家绿色照明的政策推动下，相信LED路灯会受到广泛的关注，并在道路照明中普遍应用。