LED路灯的发展和应用

LED路灯的发展和应用

　摘 要：本文简要分析了城市道路照明大功率LED路灯在发展和应用中“产品的标准化和通用性、国家标准的制定、光学设计、散热等主要技术及价格”等问题。

　　1.前言

　　长久以来，传统光源高压钠灯及部分金属卤化物灯一直在道路照明中起着主导作用。近年来，国内LED照明应用发展迅速，很多厂家相继推出了大功率LED路灯，并作为节能产品越来越多的应用于道路照明中。本文就道路照明LED路灯在发展应用中的几个问题做粗线探讨。

　　LED作为一种半导体发光材料，与其它发光材料相比较，以其绿色、高效、可靠、耐用的优势，受到国内外的关注。随着半导体技术的不断发展进步，LED 的应用可以说无处不在。特别是白光的取得，效率、寿命、稳定性等性能的提升和成本的不断降低，更拓展了LED光源的应用领域。近年来，LED在景观照明领域取得了一定的成功，LED路灯的开发研制，又开辟了更广阔的天地。与传统光源相比，LED在显色性、节能环保、寿命以及数字化可控程度上都有着突出的优势。我们相信，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同样有着良好的发展前景。目前国内外已有数百家企业投入到LED路灯的开发研制中，其中部分产品已经投入批量生产。最近中国科技部组织实施了“十城万盏”计划，得到了全国各地的积极响应，创造出庞大的 LED 路灯市场，国内外一些应用试点示范也在如火如荼的展开。

　　2.为大功率LED路灯提供展示平台

　　近年来，国内LED照明应用发展迅速，很多厂家相继推出了大功率LED路灯，并作为节能产品越来越多的应用于道路照明中。天津市为了落实国务院节能减排的决定及建设部绿色照明计划，确保天津市道路照明标准化、系列化、通用化的要求，针对LED道路照明产品质量与现状，利用一年左右的时间，开展对生产企业所制造的LED道路照明产品进行性能测试与评估工作，为今后天津市道路照明建设提供合格的设施制造供应商，以保证天津市道路照明设施高水平建设、高效能运行。为体现测试与评估的严肃性，透明性，由天津市照明协会统一组织，与天津市产品质量监督检测技术研究院、天津市路灯管理部门具体实施，组成专家委员会全程参与。

　　根据《天津市中心城区城市照明规划》(2008――2020年)和《天津市中心城区城市照明规划――道路照明专题》，参评设备的生产企业要根据道路情况提供10套同款式灯具进行测试;测试评估的照明光源功率为150W左右;依照《城市道路照明设计标准》，色温为4500K左右。设施的安装高度、间距，依据测试现场条件执行，保持公正、合理并条件相同。鉴于道路照明安全的要求，设施在初始安装时，由路灯行管理部门统一实施。

　　在测试评估的一年期中，根据相关标准，进行12次路面平均照度Eav和均匀度UE 测试等数据测试，同时还要进行灯具输入功率测试，灯具功率因数测试，光效测试，灯具配光曲线测试，色温、色坐标、色度容差、显色指数等颜色特性测试，低压线路谐波含量，接地措施和介电强度及灯具IP等级的测试。还要对光衰及视觉效果做出评价。

　　实施此项半导体照明应用示范工程，也是推进中国科技部“十城万盏”计划的重大举措。为今后城市规划建设的重大标志性工程项目，积极引导推广应用半导体照明产品，通过示范工程营造市场环境，带动市场需求，在集成天津市现有LED资源的基础上，引进国内外先进技术和产品，同时协调鼓励国内外企业积极参与天津半导体照明应用示范工程的建设，建设具有国际先进水平的半导体照明应用示范工程，共同推动天津LED应用产品技术集成和创新。对建立室外照明应用展示交流中心，并建设成为LED产品和技术交流的全国平台，有着积极地推动作用。
　3.安装与测试进展概况

　　截至目前，参加测试评估的参加LDE道路照明设备性能测试与评估的天津施莱德照明器材有限公司、天津市卓辉照明设备制造有限公司、常州亚联灯具有限公司、中数程通(天津)科技有限公司、东莞市品元光电科技有限公司、天津市华彩电子科技工程有限公司、浙江生辉照明电器有限公司、天津中环华祥电子有限公司、江苏宇泰光电科技有限公司、宁波燎原灯具股份有限公司、天津海宇照明照明技术有限公司、嘉善华江电子科技有限公司、山西光宇半导体照明有限公司、杭州红剑立明科技有限公司、桐乡市生辉照明电器有限公司、西安立明电子科技有限公司、宁波安迪光电科技有限公司、深圳联创健和光电股份有限公司等40余个单位，提供室外安装LED的灯具320台，实验室测试路灯40台。参照《室外照明测量方法》GB/T15240-94，结合路面原灯杆安装及路况环境状况，选取各单位左右对侧相邻灯杆4盏灯具之间为测试区域，划分为等距网格，9点布点方法，测点高度为路面。ST-80自动量程照度计(2009年3月天津市计量院检测计量)月测后，出具测试点位数据通报。年测后出具完整测试数据及分析，并提供评估意见。

　　4. LED路灯在应用中的问题

　　在全球能源危机与环保压力日益凸显的形势下，LED光源在道路照明中的应用已成为近年来半导体照明行业的热点。LED器件产品应用到路灯上，对技术有什么特殊要求，LED路灯与目前高压钠传统路灯相比有哪些优势，还存在哪些不足，如何解决等一系列问题，都值得我们认真研究。

　　4.1 产品的标准化和通用性是大规模使用的基础

　　目前推出的LED路灯，产品外观、LED的发光颗粒的排布方式与数量、整流电路的外型尺寸和内部设计多种多样。如：单管功率数量各异，1~5瓦不等;光分布情况各异，有蝠形、矩形、蝶翼型等;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;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科芯片封装;技术线路情况有模、组式大功率、芯片集成式大功率、点阵式大功率等。电源装配也有自带一体化和外接电源两种，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，也不符合市政公用设施标准化，通用化的设计原则。

　　我们认为，在今后的发展过程中，生产厂家应严格按照国家统一标准进行，确保产品在设备安全性和电气性能方面安全可靠。同时，在城市照明领域得到应用的LED产品，必须对产品标准型、统一性提供以下保证。

　　如：对于同一个企业不同发展阶段的产品之间，要保证主要电气元件的标准性，统一性，避免因产品更新换代造成备品备件断代;对于不同企业的产品之间，灯具主体，发光颗粒板、整流电路等主要电气元件要依据国家标准，实现必要的标准性、统一性。

　　4.2相应的国家标准是LED路灯市场健康发展的保障

　　LED的光电及热学特性与传统光源差异甚大，使现有LED的测量无法完全套用传统照明光源的测量方法。目前LED无论在产品规格或测量上均缺乏适当的标准，使产品种类繁多，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。制定相关的LED标准已成为产业的迫切需求。而目前由全国照明电器标准化技术委员会“提出的普通照明用LED国家标准及行业标准”等在送审阶段，预计将会陆续颁布实施。相关企业应进行新的市场定位和产品规划，抓住新机遇，投入必要的质量保障手段 。

　　4.3光学设计、散热是LED路灯面临的主要技术问题

　　虽然大功率LED路灯研制发展的速度很快，但在应用中还不同程度的存在着瓦流明低、二次光效处理水平较低、系统光效较低、光衰快、寿命短、色温偏差、光色不一、驱动器多故障等一系列问题。其中二次光学设计、散热设计和电源稳压器系统设计等主要技术问题，是提高发光效率和延长寿命的关键。

　　要真正充分发挥半导体光源的长处，LED的二次光学系统设计对LED路灯的配光及光学输出效率至关重要。良好的道路照明要求LED路灯的配光为长方形的光型，路灯发出的所有光刚刚可以覆盖住马路，而马路之外的光污染几乎为零。香港理工大学的蒋金波博士介绍过两种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，但是弧形的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模组阵列按照相同方向排列即可，从而可以简化路灯机构、散热及控制电源的设计。

     应开发出适合封装方式光源的配光器，更加合理、充分的利用光源发出的光线，使得灯具的整灯出光效率提升。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。

　　LED 是嵌入照明器具中使用的，由于LED 芯片的发热量大，在做成大功率灯具时的重要关键技术就是“散热”。虽说发光效率越来越高，但LED 芯片的发热量仍然很大。PN结结温每升高10度，半导体器件的寿命就减少1倍。LED 芯片的高温度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。目前各生产单位都采取了不同的散热措施，多为采用整体式的、系统性的散热设计理念，应用高性能导热材料。如铝压铸模、铝挤型齿状散热片、整体式齿状散热片、铝挤型材横列齿形散热器、热导管长鳍形、外部齿状结构片、自然对流通体散热等。还有采用超合金导热管(导热速度为纯铜的100倍)与高密度散热铝鳍片结合。将芯片产生的热量迅速的由点源转为线源，使热量均匀分布至散热片。散热片向下，避免灰尘鸟粪堆积。芯片的封装、灯具散热等因素都可能造成光衰减。

　　4.4 价格仍然是LED路灯大规模应用的最大障碍

　　目前LED路灯的成本还远于高压钠灯，一款LED路灯价格在4000元--8000元，甚至更高，而一套进口品牌的高压钠灯(含灯具、成套电器光源)价格不超过1500元。就现状而言，LED路灯明显太贵，价高达3-5倍之多。因此即使LED路灯的耗电量仅是高压钠灯的三分之一，但由于价格比高压钠灯高许多，用LED路灯代替高压钠灯成本回收周期仍然会很长。

　　表 功率型LED与传统道路照明光源的比较

高压钠灯

金卤灯

功率型LED

功率

250W/400W

150W

1W*90

寿命

24000h

10000-15000h

50000-100000h

光色

黄色

白色

白色

显色性

20-40

60-80

70-80

光效

130lm/W

100lm/W

目前70lm/W

色温

2700K

3000K

3000-4500K

色温是否可调

否

否

是

光源体积

大

中

小

成本

低

中

高