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     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(lián)方式連接而成的。LED路燈燈具除了LED模組之外，還包括驅(qū)動電源、光學元件及散熱裝置等。

    一、道路照明的發(fā)展現(xiàn)狀

    當人們有了夜晚出行的需求時，便出現(xiàn)了道路照明。近代道路照明始于白熾燈的出現(xiàn)。道路照明是隨著時代的發(fā)展、科技的進步和人們生活水平的不斷提高而發(fā)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(huán)境，辨別方向。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)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(jīng)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(yè)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(xiàn)了高壓汞燈、高壓鈉（HPS）燈和金屬鹵化物燈、高效節(jié)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(jù)60%以上的份額。而在一些社區(qū)和鄉(xiāng)村道路上的照明光源主要是電子節(jié)能燈（CFL），約占道路照明市場20%的份額。傳統(tǒng)白熾燈和高壓汞燈，正在逐步被淘汰。

    LED照明是一種節(jié)能環(huán)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(qū)居次。在2009年4月28日，國家科技部正式發(fā)文[國科發(fā)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(yōu)勢

    與以高壓鈉燈為代表的傳統(tǒng)路燈比較，LED路燈具有很多顯在和潛在的優(yōu)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(jù)美國能源部（DOE）預測，到2020年前后，大功率LED商業(yè)產(chǎn)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(xiàn)出明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

    傳統(tǒng)路燈光源一般向整個空間發(fā)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(shù)比較。

表1400W高壓鈉燈與250W的LED路燈參數(shù)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(qū)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(jié)能空間。

    高強度放電（HID）燈路燈，一般只能在小范圍內(nèi)進行調(diào)光，而LED路燈可以實現(xiàn)從0%~100%范圍內(nèi)的調(diào)光控制，可以根據(jù)環(huán)境光照和交通狀況靈活調(diào)節(jié)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(guī)模地推行LED路燈，對于節(jié)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(shù)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(shù)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(qū)動電路的壽命共同決定的，而LED及其驅(qū)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(tǒng)光源中高壓鈉燈的光效最高，但其顯色性最差，顯色指數(shù)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(shù)可達80左右，基本上接近自然光，對顏色的呈現(xiàn)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(wěn)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(xù)開/關狀態(tài)。

    （5）便于光學設計

    LED體積小，可以在半平面上定向發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(huán)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(zhì)，光源廢棄后會對環(huán)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(zhì)。LED廢棄后可以回收利用，不會對環(huán)境造成污染。

    LED直流驅(qū)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(xiàn)真正意義上的節(jié)能環(huán)保照明。

    （8）具有潛在總成本優(yōu)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(fā)揮，可以依靠節(jié)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(yōu)勢用不了多長的時間就會顯現(xiàn)出來。

    三、LED路燈目前存在的問題

    雖然LED路燈與傳統(tǒng)路燈比較具有一些優(yōu)勢，但由于LED路燈的發(fā)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(xiàn)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(xiàn)為：

    （1）實際發(fā)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(qū)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(qū)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(tǒng)一的LED路燈技術標準，不同廠家的產(chǎn)品通用性極差，維護十分困難。

    出現(xiàn)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(tǒng)工程。由于LED光源與高壓鈉燈本質(zhì)不同，在設計方法上LED路燈與傳統(tǒng)路燈是截然不同的。設計人員除了燈具的設計經(jīng)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(chǎn)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(tǒng)路燈設計思路來設計LED路燈，在造型上仍采用常規(guī)“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(chǎn)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(guī)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(qū)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(yōu)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(guī)定要求才具有實用價值。

表2CJJ45-2006規(guī)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(jīng)過多次反復設計才能實現(xiàn)。

    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(fā)光效率及其壽命。

    LED為電致發(fā)光器件，在其工作過程中只有15%~25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)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(tǒng)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(huán)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(nèi)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(huán)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(yōu)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(qū)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(qū)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(fā)生在驅(qū)動電源上。

    由于LED路燈的工作環(huán)境十分惡劣，因此在驅(qū)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(huán)節(jié)，都十分苛求。

    根據(jù)現(xiàn)有的技術水平，目前常規(guī)離線式開關電源的平均壽命通常在3萬小時以下，LED驅(qū)動電路的壽命決定LED路燈燈具的壽命。對LED驅(qū)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(qū)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(shù)、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(qū)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(tǒng)路燈比較具有很多優(yōu)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(tǒng)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(qū)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(guī)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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