led光源在城市道路功能照明中的试验与分析.docx

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led光源在城市道路功能照明中的试验与分析

LED光源在城市道路功能照明中的试验与分析

南京市路灯管理处：

刘磊实，冀晓健

　　摘要:

通过LED光源在城市道路功能照明中应用试验的数据利用，结合LED光源的性质与城市道路照明的特点，与高压钠灯进展分析比照，阐述LED光源在城市道路功能照明中应用的存在问题，提出一些建议。

　　关键词:

LED　高压钠灯　光源　城市道路　功能照明

　　1　前言

　　LED（LightEmitting　Diode），又称发光二极管，它基于Ⅲ-Ⅳ族化合物制成的半导体P-N结两端加上正向电压时，半导体中的载流子发生激发-迁移-复合，并在复合的过程中发射光子的原理产生可见光。

LED问世于20世纪60年代初，首先出现红色发光二极管，之后黄色、蓝色、绿色LED也先后研制成功，1996年白色LED成功开发。

现LED产品的发光效率比研制初期进步了千倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色。

近年来，超高亮度大功率白光LED的出现，使LED应用领域从信号、显示和背光源等小功率使用领域跨越至大功率道路功能照明领域成为可能。

　　2　现阶段LED光源及其在道路功能照明中的开展状况

　　我国已将“高效节能、长寿命的半导体照明产品〞列入中长期技术开展规划第一重点领域，先后建立了上海、深圳、厦门、南昌、大连、天津、石家庄、扬州等多个国家级LED产业化基地，方案在“十一五〞期间解决功率型白光LED产品100lm/W的产业化消费技术，预期本钱每年递减20%，期末消费本钱低于45元/千流明。

　　目前，全国能消费大功率LED道路照明灯具的企业有上百家，单灯功率已超过200w。

国内许多城市都在对LED路灯的使用进展尝试，少部分城市开始推广。

据相关报道，上海方案使用2万盏，常州方案使用1.5-2万盏，东莞要在三年内用LED路灯更换道路照明用高压钠灯，山东潍坊装灯2万盏......，但业内对其取代高压钠灯的实际节能效果一直有所争议。

　　今年年初，科技部、信息产业部、发改委、建立部四部委对“LED路灯应用于城市道路照明〞课题进展了调研和座谈，会上针对较大的意见分歧,给出了全面展开试点，获得准确数据的指导意见。

南京作为与会城市，积极贯彻落实会议精神，组织了相关试验。

　　3　试验情况

　　为获得LED在道路照明中运用的第一手资料，我处自2006年起就对LED功能照明灯具进展了试验，当时效果不佳，一个月的光衰达初期的30%。

这两年，随着LED光源性能的不断提升，其用于道路照明的可能性大大进步。

今年，我们又对LED功能照明灯具在道路上的运用进展了试验，试验情况如下：

　　参加试验的有深圳、南京、西安等地的六家LED道路照明灯具消费厂家，提供试验的灯具为功率在150W左右的LED路灯（图1），选择在南京市泰山路（路宽36米、中心对称布灯方式、杆高10米、间距34米、原安装250W高压钠灯，断面见图2）进展实地道路照明试验，每个厂家提供四套产品，安装在连续两杆的双侧灯头上。

泰山路位于南京河西新城，道路两边干扰光线较少，测量数据均测自安装同型号LED路灯的两杆间，这样获得参数可以反映LED路灯的实际照明情况（现场情况如图3）。

现场安装初期及使用40天后的测试数据统计结果见表1和表2。

　　4　试验情况分析与考虑

　　分析以上试验数据并结合城市道路照明的特点，我们对LED光源与目前道路功能照明普遍采用的高压钠灯在节能、经济性、维护等方面进展了比照，对现阶段LED光源在城市道路功能照明中应用的存在问题进展以下几方面的分析与考虑：

　4.1　现阶段道路照明中LED光源和高压钠灯的节能性

　　目前，我们接触的很多节能方案推荐采用100WLED路灯代替250W高压钠灯，150WLED路灯代替400W高压钠灯，甚至有采用50WLED路灯代替250W高压钠灯的方案，下面从理论光效、灯具实际光效和配件耗能三方面对其进展分析：

（1）理论光效

　　光效是评价光源是否节能的根本理论参数，LED光源光效的开展速度是惊人的，其最大理论光效683lm/w（波长555nm），国外高品质芯片已经到达190lm/w的研发技术和120lm/w的消费技术，我国近期产业方案要到达100lm/w的消费技术，同比高压钠灯120lm/w-130lm/w的光效，现阶段市场上LED光源在节能根本理论参数上是低于钠灯的。

（2）输出光效（灯具实际光效）

　　相对于理论光效，灯具实际的输出光效对应用者来说意义更大。

由于灯具中光源的工作条件及灯具本身反射器、配光、折射等原因的影响，任何灯具的输出光效都低于光源的理论光效。

对于高压钠灯，目前市场上的合格产品均可以到达?

城市道路照明设计标准?

CJJ45-2006中规定的灯具效率不小于70%的要求。

对于LED灯具，由于六家产品均没有明确的参数，我们无法得到准确的定量结果，但可以通过计算分析路面平均照度与能耗的关系来得到定性结论。

从试验数据计算值可以看出，有两家产品实现的路面平均照度与额定能耗的比值高于钠灯，四家的产品低于钠灯，进一步分析可以发现，两家路面平均照度能耗比高的产品的环境比明显低于钠灯和其他四家的产品。

同时通过现场勘查，笔者发现该路段为顾及慢车道和人行道的照明，灯具仰角设计较大。

综合各项因素，我们认为现阶段LED路灯在实际灯具输出光效上是低于钠灯的。

　　（3）配套电气设备性能

　　从参加试验的六家LED产品看，驱动电路均采用降压、整流加电阻电路的传统驱动形式，功耗在15-20%额定输出功率之间。

目前南京实际使用的高压钠灯节能型电感镇流器约为额定输出功率的8-12%，符合国家对能效因数（BEF）的限定值和节能评价值。

相比之下，高压钠灯配套设备的节能优势是明显的。

　　通过上述三方面的分析，可以看出LED路灯在节能评价上还逊于高压钠灯，一些采用小功率LED路灯代替高功率高压钠灯从而节能60%，甚至更高的节能方案均需要仔细考虑和推敲，城市道路照明是一项社会公共效劳，其目的是为各种车辆的驾驶人员和行人创造良好的视觉环境，保障交通平安，不能为了节能而不合理的降低视觉环境指标，减少公共效劳的提供，对城市交通平安产生影响。

　　4.2　道路照明中LED光源和高压钠灯的光性能比较

（1）配光分析

　　LED光源为进步出光率，光发散角度做的较小。

这正是其在信号、显示等领域大量应用的重要优点，但在道路功能照明中就成为缺点。

LED灯具在功能照明上需进展合理的二次配光，将这些集中的光分散开来，LED灯具光线发散不开，均匀度和环境比会低，发散开，眩光会变大，均会影响交通平安。

从试验数据及照片可以看出，六种产品注重点不同，配光实现方法不一样，差异较大，个别产品眩光控制不好，LED路灯的配光是需要进一步研发的技术重点。

高压钠灯灯具经过几十年的理论应用，其产品消费工艺成熟，产品性能稳定，各种产品配光形式多样，能适宜不同场合的需要。

（2）视觉效应分析

　　现场随机询问，大多数人认为高压钠灯比LED发出的光感觉舒适。

这是由于LED的发光特性决定其光谱分布很窄，不能直接得到白光，目前白光LED实现方法中以蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，由LED蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光较为普遍，发出的白光带有较多蓝色光的成分，在这种光的照明下，人们的视觉感觉不很自然。

　　通过上面的比较，加上钠灯的黄色光线对雾霭的穿透力强于LED的白光，我们认为高压钠灯比较适用于道路照明。

　　4.3　现阶段道路照明中LED光源和高压钠灯的经济比较

　　根据一些LED路灯替代高压钠灯的投资方案计算，电能和维护费用的节约可以保证在1-2年内收回投资。

下面根据试验情况做几方面的比较：

　　目前，我国的LED消费产值80%以上为封装产业产值，外延芯片消费近年虽有很大开展和进步，但仍停留在中低档程度，高光效大功率白光LED应用产品几乎全部依赖于进口的高档外延芯片，其主要厂商分布在美国、日本、欧盟等地，他们依靠拥有的核心技术和专利垄断了高端产品市场。

目前，LED路灯价格是国际品牌的普通光源路灯的4倍左右，是一般品牌的普通光源路灯的8倍左右。

　　一些投资方案在比较LED路灯和高压钠灯时，将LED方案的变压器容量和电缆线径进展缩减，从前面的节能分析可以看出实际上变压器的容量不能减少。

另外由于道路照明线路供电的特点，电缆线径选择根本以电气保护的灵敏度整定来确定，也不能随意减小。

　　电费的节省是一些LED路灯节能工程方案的主要效益来源，从笔者接触到的情况，就针对南京市做的一些LED路灯节能经济方案，少的能节省三千多万，多的做到节约2.2亿，而实际上南京市07年全年的道路照明总电费也就缺乏四千万，这些方案没有切合实际。

从前面分析可知，实际上在实现一样道路照度下，同比高压钠灯，LED道路照明方案还不能实现电费节约，也就不能收回多出的投资。

　　4.4寿命与维护

　　长寿命和免维护是LED道路照明方案的主推优点，我们也分析一下：

　　不可否认本次试验，LED路灯40天衰减很小，部分还有上升，说明LED技术程度、光效、寿命正飞速开展，但5-10万小时的寿命是指LED光源芯片实验室数据的理论测算，不是实际检验结果，也不是LED路灯整体的使用寿命。

LED光源和其驱动均为电子元器件，在条件恶劣的室外，光线、温度、雨雪、振动、灰尘、雷电及线路故障等不利因素的作用下，其实际寿命肯定缩短，详细情况需要进一步跟踪。

　　维护分为巡查和维修两块，由于巡查主要针对灯具、线路、设备等整个路灯系统的完好率、平安性、运行状况及防盗窃情况进展检查，无论LED还是高压钠灯其人员及物质投入根本一样，两者的差距主要在维修。

高压钠灯的构造简单，各组成配件性能稳定，维修工作以配件寿命到期更换和被盗恢复为主，经过几十年的开展，产品完全标准化，不同品牌之间可以互相替代，一般电工均能对其故障进展判断和快速现场维修。

LED为电子产品，构造精细，一盏灯有几十颗LED和几十个电子元件，灯具或驱动中的电子元器件受干扰损坏的概率大，且某个元器件的损坏或内部线路的故障就有可能造成全套灯具的损坏，由于其构造复杂，无法在现场进展判断维修，加上设备之间缺乏兼容性，一般只有更换灯具，维护本钱很高。

　　5急需解决的问题

　　5.1相关理论确实立

　　目前，在LED新光源的应用中，中间视觉理论、司辰视觉理论、非视觉理论、等效视觉理论等新理论被逐步提出，并被一些LED应用方案采用，根据这些新理论，为到达同等视觉效果，LED仅需要高压钠灯的30-50%的亮度，这些理论对快速运动的司驾人员视觉、复杂的道路条件或天气条件是否适用，对道路交通平安可靠性的影响等许多问题需要进一步研究和探究，假设能在道路照明领域确立，对传统理论将是革命性的打破。

　　5.2标准标准的制定

　　标准标准的制定主要包括产品标准和应用标准两方面的含义。

产品标准是指目前LED路灯的消费还处于各自为政的状态，各家采用的材料、元件、驱动、线路、实现工艺均不一样，产品质量、形式、尺寸相差很大，产品的消费、交付、验收、施工、配件、维护等各个环节均没有统一的产品标准进展标准，产品之间、光源之间、配件之间缺乏兼容性，急需加以标准。

　　另一方面，目前城市道路照明的主要规定和技术指标均根据第二代光源特性及传统理论确定，主要的标准?

城市道路照明设计标准?

CJJ45-2006、?

城市道路照明工程施工及验收规程?

CJJ89-2001等均没有与LED新光源相匹配的技术指标，无法满足大面积推广使用的需要。

　　6　建议

　　目前国外LED光源在功能照明中的运用也处于试验阶段，并没有大面积的推广，他们注重相关应用技术的研发，通过获得知识产权保护来获取高额利润。

我国也应该在芯片消费方面、灯具配光、传导散热、电力电子驱动技术、无极调光节能技术等各方面进展技术研究，待获得打破后再推广运用。

同时目前的数据以理论和实验室数据为多，需进一步通过试验获得实际使用数据。