LED光源效能分析以及在城市道路照明的应用

【摘 要】LED光源所具有的工作功耗小、电压低、效率高、寿命长、低碳环保等优点，使得其在城市道路照明领域有着极为广泛的应用。

【关键词】LED光源；道路照明；应用

LED已成为继白炽灯、荧光灯和高强度放电（HID）灯之后的第四次光源革命。LED是能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件，从它的诞生到照明应用阶段经历了一段相当长的历程，但它顺应了时代的发展。目前，全世界正开始全面地向低碳时代转型。低碳就意味着更少的能源消耗和更绿色和谐的生产与生活方式。只要能省电，照明也同样可以是低碳的。

1 LED的工作原理

用于照明的电光源，根据发光的机理主要可分为热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源等几大类。目前广泛应用的是以白炽灯为代表热辐射光源和以荧光灯为代表的气体放电光源，而场致发光则是一种正在发展中的新型面光源。场致发光也称为电致发光，根据发光原理的区别，场致发光有本征场致发光和注入式场致发光之分，半导体发光二极管的发光为注入式场致发光，是一种固体在电场作用下直接发光的一种现象。LED是利用化合物材料制成PN结的光电器件。它具备 PN结型器件的光电特性、热学及色学特性。

2 LED光源的发展现状及存在的问题

我国每年道路照明电费大约为500多亿元，大多数城市的道路照明系统都仍以高压钠灯或金卤灯为主，功率都为150瓦或以上，耗电程度非常大，而且该种系统寿命不长，维修工作量较大。有数据表示：一旦攻破核心技术后白光LED得到普及，如果全部采用LED照明系统，预测每年节约电费可达200亿元，可见市场非常广阔。由于LED光源本身光效提升空间大，随着半导体技术的发展及制造工艺的成熟，LED 的发光光效（相应的外量子效率）不断地得到提高，从一开始的十几流明每瓦，目前行业内高功率LED光效的顶级水平已达100lm/W，研发水平已可大于150lm/W，将来有望实现大于200lm/W 的水平。LED光源具有绿色环保特性，不含汞等重金属，更方便回收。LED光源系统易维护，总体运行成本低，产品品质高。以上诸多优点，使得LED道路照明的市场前景被广泛看好。LED道路照明的优势和发展潜力显而易见，且LED用于照明的领域的光照明产业10年前就已经开始兴起，然而，LED道路照明在城市道路照明的应用至今仍没能得到普及，其面临的主要技术问题为：发光效率、二次光学设计、散热设计和电源系统设计。因此，在照明普及应用方面，要全面取代HID灯，尚需研究解决以下技术上的问题。

2.1 LED发出的光与自然光仍有一定的差距

传统的白炽灯具有很强的黄色光成分，给人一种温暖感，而白光LED发出的白光中带有蓝色光的成分，人们的视觉与自然光下就会有一定的差距。

2.2 LED光源显色性差

目前，白光LED普遍是使用发蓝光LED叠加发黄光的钇铝石榴石（YAG）荧光粉，合成为白光。由于其发光光谱中仅含有蓝、黄这两个主波，所以存在着色温偏高、显色指数偏低的问题（也就是使被照物体颜色失真），不符合普通照明的要求。人眼对色差的敏感性要大大高于对光强弱的敏感性，对照明而言，光源的显色性往往要比发光效率更为重要。

2.3 LED自身光衰问题

由于照明用光源对亮度的要求要比显示用光源高，故白光LED 的功率应尽可能大，也带来了一些问题，在大电流工作下，时间一长，LED 自身光衰加上荧光粉及封装材料的劣化等造成光通量下降。照明领域通常是将光通量下降到初始值的某一百分值定义为灯的有效寿命结束了，所以实际功率型白光LED的寿命也就大大缩短。

2.4 LED芯片的散热问题

一般LED芯片的表面积均小于12mm，工作时的电流密度大，二极管内发热严重，故而对散热条件的要求较高。如果二极管管芯的结温超过限定值，将会导致不可恢复性的光强衰减，使得LED快速老化。因此，在使用LED时要有足够的散热措施，同时还需有合理的电路设计和布局，使得LED能够保持良好的工作状态，充分发挥LED寿命长的优点。而加强LED散热的结果就是使LED光源的体积变大，从而增加了外形结构设计的难度。

2.5 发光效率有待进一步提高

提高LED的发光效率，最主要的方法是改进半导体发光材料与LED芯片的结构和制作工艺。由于这部分的工作需要扎实的理论研究基础和先进的半导体工艺设备，故而仍有大量的工作要做。尽管目前大功率LED的发光效率已经超过了100lm/W，但是成本较高，很难普及平民市场，价格昂贵是影响LED照明普及的主要原因。近年来，随着芯片技术的提高，成本也迅速下降，正朝着高效率、低成本的方向发展，这是LED在照明领域实现普及的一个有利条件。

2.6 LED光学系统

因LED所发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内，一般灯具中的反射器就不再是必要的光学组件，而往往用透镜作为准直光学组件。如果将LED光源应用在原有灯具中，由于配光曲线与传统的光源不同，很难达到较佳的照明效果。这就要求对LED照明灯的灯具进行独特的二次光学系统设计。

3 LED光源在城市照明的试用案例分析

下面以笔者所在的某市主城区两条城市道路不同年分试用LED光源的情况进行分析探讨。

第一条试验路段（2009年试验）：机动车道宽13m双侧对称布灯，150WLED光源，间距为25m，灯杆高度为9m，实测灯下最大照度达48.6Lux，平均照度23.4Lux，最低照度值仅为3.1Lux，均匀度0.13，均匀度不达标。由此可见，LED路灯在缩小灯杆间距的情况下其平均照度能够满足道路照明的要求，但要以增加灯具为代价，且其均匀度仍待提高。LED灯具均匀度低，同样里程的城市道路比高压钠灯使用的灯具数高出20%～30%，才能满足《城市道路照明设计标准》。LED单灯灯具价格高于高压钠灯3～4倍，虽然维护成本和耗电量降低，但从LED发光原理来讲，其指向性强决定了LED路灯灯具光强分布受到限制，往往造成路灯下最大照度值比较高，但同时其照度随着距离的增加衰减迅速，使得其照度均匀度低。如果路灯间距较大，则又会出现两灯间微光照的情况。若要达到照明水平的综合指标，必须缩短路灯间距，增加灯杆数量，因此其投资成本和运行成本总和远远高于高压钠灯。

第二条试验路段（2013年试验）：机动车道宽32m，双侧对称布灯，原有灯杆高度12米，原有钠灯功率250W+250W，路灯使用时间超过10年，目前平均照度为15.6Lux （实测的平均照度值偏低原因是原有钠灯灯具积尘较多、反射罩老化反射能力缺失有关，而该道路早期的平均照度值达到26Lux）。目前对该道路采用LED光源进行节能测试，使用LED180W光源替换原有双光源，测得平均照度为17.3Lux，最大照度21Lux，最小照度9.3Lux，均匀度0.53。再通过计量电表10天时间测试对比，原钠灯的用电量50.9千瓦时，LED光源用电量20千瓦时，LED光源节电率60.7%。

结论分析：第一条试验路由于均匀度有较大的缺陷，在应用方面还未能够成熟，但这是早期的LED产品；第二条试验路已有良好的均匀度，尽管平均照度未达到20Lux标准（当然可采用稍大功率光源克服这个问题），但跟原光源对比节电率已达到60.7%，这是一个很成功的节能改造案例。LED光源的照明领域研究已有10多年的历程，特别是近年来通过对发光效率、二次光学设计、散热设计和电源系统设计的循序渐进研究和生产工艺的不断提高，使LED光源的照明应用得以实现，尽管目前价格有所偏高，但政府一些行政行为有力地推动LED光源的应用。在广东，省政府2012年已出台《广东省推广使用LED照明产品实施方案的通知》，通知指出：公共照明场所新建的照明工程，一律采用LED路灯、庭院灯和景观灯等照明产品。因此可以预计，LED光源有广泛的应用前景，一个绿色照明时代将来临。

4 结语

低碳、节能环保、“绿色光源”成为LED的代名词，它已经开始步入住宅、公共场所和工业等主流普通照明领域，颠覆人类延续了100多年的传统照明时代，开创了一个全新的绿色照明时代。

参考文献：

[1]吴淑梅，霍彦明，徐梅.LED光源在照明中的应用[J].光源与照明，2008（03）.

[2]谢永辉，李牧奇.城市绿色照明领域中LED的应用[J].科技传播，2012（08）.

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