分析LED在道路照明中的光效优势

分析LED在道路照明中的光效优势

王斌

杭州宇中高虹照明电器有限公司浙江省杭州市311307

摘要：为了更加环保节能，需要在道路照明应用方面选取最佳的新材料路灯光源。并且在选取光源时，对不同类型路灯的发光效率进行比较应基于恰当的光度测量模型。方法：本文以两种常用路灯光源和两种LED路灯光源为研究对象，通过对道路照明环境中人眼处于的视觉状态进行了阐述，进而通过MOVE模型求得四种路灯在中间视觉状态下的发光效率。结果：标准LED路灯和光谱加强LED路灯比常用的高压钠灯和金属卤化物灯具有更好的发光效率；通过光谱优化的LED路灯具有比标准LED路灯更高的发光效率。结论：LED路灯比常用路灯在中间视觉状态下的发光效率高，并且可以通过光谱加强等优化方法达到更加节能的目的，因此经过优化的LED光源更适合道路照明，是一种非常有研究意义的照明光源。

关键词：中间视觉；暗视觉；明视觉；LED发光效率

LED照明是近几年来比较火的行业，是与国家节能减排政策相适应的行业，导致LED照明在多领域得到国家和政府的大力支持，发展的势头逐渐取代了传统节能灯、高压钠灯。特别是在道路照明上，LED灯有着绝对的优势，与其明显的优势相比，其劣势可以淡化，随着技术的进步，其劣势也有了解决的方法。

1、LED光源的发光原理

当在发光二极管（LED）两端通电加上电压时，电子从N区注入P区而空穴则从P区注入N区，其中当非平衡少数载流子与多数载流子进行复合时，将会以光子的形式辐射出来并将多余的能量转化为光能从而发出可见光。由于LED并不是通过物理性能从而使物体的温度升高而进行发光，而是直接将电能转化为光能，因此LED被称为冷光源。（发光原理见下图）

2、LED光源的优点

2.1使用寿命长：LED为固态电子器件，即使震动内部结构也不易损坏，因此它具有非常长的使用寿命，相比其他光源而言，具有巨大的优势，从而能够减少维护成本便于长时间使用。

2.2启动时间短：LED启动时间非常短，只需要十几道几十秒，其他光源则需要少则十几秒，多则几十秒时间来启动。

2.3发光效率高：由于LED独特的发光原理以及它所辐射的光谱全部在可见光区域使得LED光源的发光效率相对其他光源来说比较高。

2.4环保安全可靠：LED属于固态冷光源，热辐射非常低，内部结构不含有毒有害物质，同时不会破碎，因此非常的安全环保。

3、LED光源在城市道路照明应用中存在的问题

LED光源在同其他光源相比有着许多的有点，与此同时LED光源自身也存在着一些不足之处，如何解决这些问题是未来LED大面积推广所要急切解决的问题。

3.1散热问题

因为LED半导体光电器件是热敏元件，其散发的热量需要通过灯具有效地排除出去，否则会引起PN结温度升高，PN结结温每升高10℃，半导体器件的生命就减少1倍。同时LED芯片的高温度也会导致芯片本身及封装树脂性能的恶化，从而最终引起发光效率的降低和寿命的缩短。因而散热是LED灯具设计中亟待解决的一项关键问题。

3.2配光问题

由于LED光辐射方向性很强，配光曲线很难满足道路照明蝙蝠翼形的配光要求，高质量的配光系统成为阻碍LED光源在道路照明领域推广应用的技术瓶颈。

目前行业里有两种LED路灯的配光设计：第一种LED路灯采用轴对称的全反射透镜或反光杯，LED透镜模组排列于一个弧面上以产生长方形的配光。全反射透镜的引入可以极大地提高光的利用效率，但是弧形LED模组的排列使高功率LED的散热设计和机械结构比较麻烦。第二种LED路灯则采取非对称的自由曲面透镜，可以将长方形的配光直接由单个LED光学元件完成。整体灯头只需将具有长方形配光的LED模组简单的排列在一个平板上即可，这种LED路灯在机械结构散热及电源控制方面比较简单，不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的LED模组即可。非对称自由曲面二次光学元件的LED采用可以使LED路灯的长方形配光直接在单个LED模组上实现。整体路灯只需要将这些LED模组阵列按照相同的方向排列即可，从而可以简化路灯灯具结构散热及控制电源的设计。目前LED的辐射形式有朗伯型、侧射型、蝙蝠翼型、矩形、蝶翼和聚光型几种。通过二次光学设计，使得LED的光照范围、光度曲线符合道路照明的需求。

3.3光衰问题

经了解，潍坊市拟定的光衰标准是5年内30%，也即5年就须更换灯具。扬州市经检测年光衰在10~20%之间，按此衰减率，3年之内光效小于70%时，就不能满足道路照明的照度、均匀度的要求，即需更换灯具。这就使得LED有效的使用寿命受到了一定的制约。

3.4色温与光效互相制约

LED光源光效最高的色温大约在5300K左右，这个区间的光效是最高的，但光色呈冷白色。居民对于冷白色的光是否能长期承受还有待考证。深圳就曾出现过换上LED路灯之后居民反应强烈又换回高压钠灯的案例。扬州市也曾出现过许多居民投诉的案例。

3.5国家标准缺失

目前LED无论在产品规格或测量上均缺乏适当的标准，造成产品种类繁多，测量无标准，市场不规范，而产品的多样性也导致企业不可能集中大规模生产。

3.6标准化程度低

产品的标准化和通用性是大规模使用的基础。然而目前市面上的LED路灯，产品外观，LED的发光颗粒的排布方式与数量，驱动电路的外形尺寸和内部设计多种多样。如单颗粒LED的功率、数量各异，1~5W不等；光学处理方式有自带透镜免二次光学处理和进行二次光学处理的；光分布情况各异，有蝠形、矩形、蝶翼形等；技术线路情况有模组式大功率、芯片集成式大功率、点阵式大功率；驱动器情况有专用驱动芯片IC和无电解电容；封装情况有多芯片封装和单颗芯片封装等。电源装配也有自带一体化和外接电源；散热技术也各有千秋。这都给普及使用后的运行及维护工作带来极大不便，也不符合城市照明设施标准化通用化的设计原则。

4、LED光源在城市道路照明应用的发展展望

LED以其高效节能环保的优点越来越受到重视，并且在率功率照明，特别是室内照明中有了非常广泛的应用。在城市道路照明领域LED在景观亮化、街角公园、次干道以及支路上也有很好的应用。但是在大功率LED照明领域，由于LED自身特性所带来的散热、配光、光衰、产品质量参差不齐、标准化程度低等问题，使得LED目前仍然不会大面积的推广，尤其是在城市快速路以及主干道上，LED仍然无法取代高压钠灯的主导地位。相信在逐步解决了散热光衰等一系列关键技术难题并实现造价大幅度降低后，LED光源在道路照明领域将有更加广阔的发展前景。

目前还没有统一的LED光源生产国家技术标准，每个厂家按自己的标准生产自己的产品，彼此间很难通用。LED光源灯具的结构设计均为一体化设计，即其相关器件无法现场更换，无论是LED光源损坏或是电源故障，一有问题则必须整灯拆除更换，维护工作成本大大增加。LED产品的升级换代速度很快，接口又没有国标约束，随着芯片的更新，厂家很难保证在若干年后还生产现有的产品。届时产品的备品包括维护就成为运行维护部门棘手的问题，一条路一种路灯的尴尬现象会显现出来。

相比于高压钠灯，LED灯在导读照明上更加环保节能，符合可持续发展的规划和要求，是很多道路照明商家不二选择。但值得一提的LED照明厂家很多，LED灯的品质也各有区别，这就要在选择灯的时候注意LED灯本身的品质和参数，而高品质的LED灯在使用过程中会减少很多维护成本。

参考文献：

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