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淺析LED路燈的優勢及存在的問題
[ 編輯:admin | 時間:2012-11-26 09:19:59
| 瀏覽:4436次 | 來源:維庫電子 | 作者: ]
道路照明屬于公共照明，由政府所掌控。由于LED具有高效、環保、節能和壽命長等特點，LED光源可以率先在道路和隧道照明中應用。
用于道路照明的燈具，被稱作路燈。以LED作為光源的道路照明燈具，則稱作LED路燈。LED路燈的核心是LED光源。LED路燈光源，是由許多大功率白光LED通過混聯方式連接而成的。LED路燈燈具除了LED模組之外，還包括驅動電源、光學元件及散熱裝置等。 一、道路照明的發展現狀 當人們有了夜晚出行的需求時，便出現了道路照明。近代道路照明始于白熾燈的出現。道路照明是隨著時代的發展、科技的進步和人們生活水平的不斷提高而發展的。從人們僅要求照明路面察覺道路的情況，到幫助人們識別道路是行人還是障礙物，再到幫助機動車和非機動車駕駛者辨別行人的特征等。 道路照明的根本目的是在于為駕駛員和行人提供良好的視覺條件，指引他們行進，以便提高交通效率，降低夜間的交通事故和犯罪，同時幫助行人看清周圍環境，辨別方向。隨著社會經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，人們在夜間到戶外休閑、購物、觀光等活動越來越多，良好的道路照明也起到豐富生活、繁榮經濟和提升城市形象的作用。 按照照明的觀點，道路可分為四大類：汽車專用道路、一般街道、商業街及人行道。通常所講的道路照明，乃指汽車專用道路照明。在道路照明的諸多目的中，為機動車駕駛員提供安全舒適的視覺條件是第一位的。 道路照明光源最早是路燈，后來相繼出現了高壓汞燈、高壓鈉（HPS）燈和金屬鹵化物燈、高效節能燈、無極燈及LED燈等。在目前比較成熟的路燈光源中，HPS燈的光效最高，一般達100~120lm/W，在目前的中國整個道路照明市場（擁有量約1500萬盞）上，高壓鈉燈占據60%以上的份額。而在一些社區和鄉村道路上的照明光源主要是電子節能燈（CFL），約占道路照明市場20%的份額。傳統白熾燈和高壓汞燈，正在逐步被淘汰。 LED照明是一種節能環保照明。LED道路照明示范正在全球展開，中國大陸成為先行者，臺灣地區居次。在2009年4月28日，國家科技部正式發文[國科發高（2009）189號]，在天津、石家莊、大連、上海、杭州、廈門、南昌、成都、西安、重慶、深圳、東莞和山東濰坊等21個城市開展“十城萬盞”計劃試點工作，LED路燈以其突出的示范效應成為各類半導體照明技術中的一大亮點。 二、LED路燈的優勢 與以高壓鈉燈為代表的傳統路燈比較，LED路燈具有很多顯在和潛在的優勢。 （1）光效高，能耗低 目前大功率白光LED的光效已超過100lm/W，科銳（Cree）、歐司朗（Osram）光電半導體等公司的大功率白光LED的實驗室水平早在2009年年初就達160lm/W。根據美國能源部（DOE）預測，到2020年前后，大功率LED商業產品的光效可以達到165lm/W，實驗室樣品光效可以達到230lm/W。到2020年之后，LED光效基本不再會有大的提高，將進入一個遲緩期。 在道路照明方面，高壓鈉燈因為其光效可達到120lm/W而占主導地位。但是，隨著LED光效的不斷提高，高壓鈉燈路燈的壟斷地位岌岌可危。目前在次干道上使用的150W以下的LED路燈，已體現出明顯的節能優勢。 傳統路燈光源一般向整個空間發光，但需要路燈照亮的只是行車和行人的路面，因此在路燈燈具設計時，為了盡可能地使燈光均勻并集中地投射到路面上，需要使用曲面反射器來收集光線，使其向所需要的方向照射。在光線傳播過程中，由于光源的阻擋和反射面的吸收而損失，致使路燈的出光效率僅為65%~70%。反觀LED路燈，因其具有良好的方向性，在采用二次光學透鏡時，燈具效率可達80%左右。如果再進行三次光學設計，燈具的出光效率可達85%~90%。 表1列示了某一400W的高壓鈉燈與一盞250W的LED路燈燈具效率及路面利用率等參數比較。
表1400W高壓鈉燈與250W的LED路燈參數比較 事實證明，用配光科學合理的100W的LED路燈替代次干道上使用的250W的高壓鈉燈路燈，不僅能達到道路照明標準要求的平均照度，而且均勻度也得到大幅提高。而高壓鈉燈路燈的平均照度局部區域可能較高，但均勻度卻很差。由此可見，LED路燈具有相當大的節能空間。 高強度放電（HID）燈路燈，一般只能在小范圍內進行調光，而LED路燈可以實現從0%~100%范圍內的調光控制，可以根據環境光照和交通狀況靈活調節光輸出，在保證照明需求的情況下降低不必要的能耗。由此可見，對于占總照明用電量約為15%~20%的道路照明來說，大規模地推行LED路燈，對于節能降碳具有重要意義。 （2）使用壽命長 路燈的壽命直接影響整個道路照明的維護成本。目前高壓鈉燈的壽命一般為2萬小時左右，道路照明用高壓鈉燈的使用壽命僅約5000小時，而大功率LED的壽命一般達5~7萬小時。 高壓鈉燈和LED的平均壽命定義是不同的。高壓鈉燈的平均壽命定義為“將一批受試光源樣品點燃至50%數量損壞時的時間”，而LED的平均壽命則是指“將一批受試樣品點燃至50%數量的光衰至70%的時間”。 若按高壓鈉燈的壽命定義來衡量LED，壽命為5萬小時的LED則可達10萬小時；若按LED的壽命定義來衡量高壓鈉燈，壽命為2萬小時的高壓鈉燈僅約1萬小時。 當然，LED的壽命并不是LED路燈的壽命。LED路燈的壽命是由LED光源壽命和驅動電路的壽命共同決定的，而LED及其驅動電路的壽命取決于燈具的散熱能力、電路拓撲結構及其電子元器件的選擇等多種因素。從目前的技術水平看，LED路燈的壽命可以超過高壓鈉燈路燈。 （3）顯色性好 雖然在傳統光源中高壓鈉燈的光效最高，但其顯色性最差，顯色指數Ra僅約20。如此差的顯色性只能幫助人們察覺道路狀況，并不能幫助行人清晰辨別。而LED的顯色指數可達80左右，基本上接近自然光，對顏色的呈現更為真實，更能夠反映出物體本身的顏色。LED的高顯色性無疑有助于司機和行人識別目標，在同樣的路面亮度下提供更好的通行條件。 （4）快速啟動 白熾燈一點即亮，但實際上的啟動時間約0.1~0.2秒。高壓鈉燈和金鹵燈等氣體放電燈從啟動到穩定光輸出需要幾十秒乃至十分的時間，在關閉后需等待3~6分鐘冷卻后方可啟動。而LED的啟動時間僅為幾十鈉秒（ns），也不存在重新啟動的等待時間，LED燈具可以正常工作在連續開/關狀態。 （5）便于光學設計 LED體積小，可以在半平面上定向發光，在燈具設計時可以將其近似視為是點光源，非常適合于采用透鏡或反射器來進行光學設計，獲得比較理想的配光，實現較高的燈具效率。 （6）造型可塑性強，結構牢固 LED路燈燈具的造型可塑性強，可以通過造型設計來體現裝飾性和地方人文特色，增添美感和城市意象的附加價值。 LED是一種固態光源，不含玻璃和燈絲等易損壞部件。LED燈具通過合理設計，在結構上可以做得非常牢固。 （7）低碳環保，尤其適合采用太陽能光伏技術 高壓鈉燈等氣體放電燈含有汞等有害物質，光源廢棄后會對環境和水源造成長期嚴重污染。LED芯片及其封裝可以滿足歐盟RoHS指令要求，不含汞和鉛等有害物質。LED廢棄后可以回收利用，不會對環境造成污染。 LED直流驅動之特點，尤其適合采用太陽能光伏技術和風光互補技術應用于道路照明，從而實現真正意義上的節能環保照明。 （8）具有潛在總成本優勢 目前LED路燈燈具單價比高壓鈉燈路燈高4倍以上。一盞250W的LED路燈功效相當于400W的高壓鈉燈路燈，但前者價格為6000~8000元，后者僅為1500元。但是，LED路燈的高光效和長壽命特點只要能夠充分發揮，可以依靠節約的電費和維護費用收回初始成本的差價。隨著LED路燈技術的逐漸成熟和初始成本的不斷降低，其在總成本上的潛在優勢用不了多長的時間就會顯現出來。 三、LED路燈目前存在的問題 雖然LED路燈與傳統路燈比較具有一些優勢，但由于LED路燈的發展時間很短，目前仍處于試驗和探索階段，有一些LED路燈在示范應用中出現了諸多問題，并沒有達到人們預期的效果。 目前LED路燈存在的不同程度的問題表現為： （1）實際發光效率低于高壓鈉燈路燈，在照明效果上路面亮度偏低，均勻性差，“斑馬效應”比較明顯，只能滿足照明級別比較低的道路，例如燈桿在8米以下的次干道。 （2）色溫過高，刺眼，無舒適感 （3）散熱性能差，溫升過高，致使光衰比較嚴重，可靠性變差。 （4）驅動電源性能差，故障層出不窮，從LED路燈早期失效的情況下，有95%以上的故障都是由驅動電路損壞所致。 （5）成本太高，一次性投入太大，成為推廣應用的一大瓶頸。 （6）由于尚無統一的LED路燈技術標準，不同廠家的產品通用性極差，維護十分困難。 出現上述這些問題的原因很多，既有技術層面上的因素，也有思維定勢等方面的影響。 事實上，LED路燈是一個系統工程。由于LED光源與高壓鈉燈本質不同，在設計方法上LED路燈與傳統路燈是截然不同的。設計人員除了燈具的設計經驗外，還需要對LED的性能有一個全面而深入的了解。有些路燈生產廠家在還不甚了解LED道路照明制作要求和特點的情況下，沿用傳統路燈設計思路來設計LED路燈，在造型上仍采用常規“蛇頭”外形，套用氣體放電燈的概念，認為只要將一定功率的LED排放在燈座中就可以滿足路面照明要求。按照這樣的思路設計和生產的LED路燈，不可能做到實用化。 四、LED路燈需要破解的技術難點 LED路燈要想大規模地應用，成為道路照明的主流光源，還面臨一些需要解決的難點。歸納起來，主要難點有三個，即光學設計、散熱問題及驅動電源設計。 1．光學設計 便于光學設計本來是LED路燈的一大優勢，但同時又是一大難點。 從LED路燈配光角度來說，其光輸出特性只有滿足表2所示的CJJ45-2006道路照明標準規定要求才具有實用價值。
表2CJJ45-2006規定的道路照明要求 LED路燈配光包括一次配光（采用封裝透鏡）、二次配光和三次配光。當通過二次配光可以滿足路面亮度、照度及其均勻度要求時，則無需再進行三次光學設計。要滿足道路照明的要求，LED路燈的配光必須經過多次反復設計才能實現。 目前人們研究出很多LED路燈配光方案，例如LED一次配光（即透鏡封裝）加燈具的二次配光、LED的二次配光（利用二次透鏡）加燈具的三次配光及反射器配光等，但是，無論哪一種配光方案，還不能做到科學合理，不同程度地存在整體光學效率低、存在較大眩光和路面亮度、照度均勻性差等問題。如何選擇配光方式，如何選擇透鏡，如何改進路燈的結構達到配光和散熱要求，目前都還需要更為成熟的解決方案。 2．散熱問題 LED路燈的散熱能力直接影響LED的實際發光效率及其壽命。 LED為電致發光器件，在其工作過程中只有15%~25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高，導致光效急劇下降。如果LED結溫超過最高允許溫度（一般為125℃），LED將會因過熱而損壞。因此在LED燈具設計中，最重要的一項工作便是散熱設計。 LED燈具的散熱系統包括LED模組的散熱和燈具結構（如外殼）上的散熱片散熱，其中后者是目前常見的散熱方式，由于LED路燈的工作環境比較惡劣，易積聚塵沙和飛蟲，散熱器表面易被腐蝕氧化，這就會影響燈具內LED及電器的散熱，導致LED路燈使用壽命的縮短。 為了解決LED路燈的散熱問題，可以在燈具上配置微型風扇進行主動式強制性散熱，但散熱風扇在戶外惡劣環境中的使用壽命難以滿足要求。 LED路燈的重量主要由散熱裝置的重量所決定。隨著LED路燈功率的增大，散熱器尺寸和重量也需要相應增加。欲減輕大功率LED路燈散熱裝置的重量，就需要對散熱方式、散熱結構和材料等多方面進行優化設計。 LED路燈燈具要求具有良好的防塵防水（IP）防護等級（如IP45及其以上），但良好的IP防護又往往會妨礙LED的散熱。如何解決這一矛盾是LED路燈設計時不可忽視的一個重要方向。 3．驅動電源設計 目前的LED路燈幾乎全部采用工頻市電電源供電。LED路燈驅動電路拓撲結構一般均為離線式開關電源（SMPS）。從近幾年LED路燈示范應用的情況看，故障幾乎全部集中發生在驅動電源上。 由于LED路燈的工作環境十分惡劣，因此在驅動電源設計上，對電路拓撲結構的選擇、電子元器件的選擇以及電路的保護、散熱與防水性能等各個環節，都十分苛求。 根據現有的技術水平，目前常規離線式開關電源的平均壽命通常在3萬小時以下，LED驅動電路的壽命決定LED路燈燈具的壽命。對LED驅動電源壽命具有決定性影響的是電解電容器，其次才是功率半導體器件。因此，對電解電容的選擇是極為重要的。 在LED路燈驅動電源設計方面，不僅要格外重視其可靠性，同時還必須滿足輸入AC電流諧波含量、線路功率因數、電磁干擾（EMI）、防雷擊和防水及能效等方面的性能要求與安全要求。探求低成本、高可靠與高性能解決方案，是LED路燈驅動電源設計的一個難點。 五、結束語
LED是新一代綠色光源，LED應用于道路照明與傳統路燈比較具有很多優勢。道路照明是一種公共照明，由政府買單和掌控，因此LED在普通照明領域可以率先在道路照明中應用。但是，由于傳統路燈的設計方案并不適用LED路燈，在光學設計、散熱問題和驅動電源設計等方面還存在很多問題尚未真正解決，因此距大規模地推廣應用還有較長的路要走。LED路燈技術尚處于探索階段，不可一哄而起、一哄而上和遍地開花，而必須堅持先試點、再示范到最后推廣的實施路線。 
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