浅析LED路灯的优势及存在的问题

　　道路照明属于公共照明，由政府所掌控。由于LED具有高效、环保、节能和寿命长等特点，LED光源可以率先在道路和隧道照明中应用。

　　用于道路照明的灯具，被称作路灯。以LED作为光源的道路照明灯具，则称作LED路灯。LED路灯的核心是LED光源。LED路灯光源，是由许多大功率白光LED通过混联方式连接而成的。LED路灯灯具除了LED模组之外，还包括驱动电源、光学元件及散热装置等。

　　一、道路照明的发展现状

　　当人们有了夜晚出行的需求时，便出现了道路照明。近代道路照明始于白炽灯的出现。道路照明是随着时代的发展、科技的进步和人们生活水平的不断提高而发展的。从人们仅要求照明路面察觉道路的情况，到帮助人们识别道路是行人还是障碍物，再到帮助机动车和非机动车驾驶者辨别行人的特征等。

　　道路照明的根本目的是在于为驾驶员和行人提供良好的视觉条件，指引他们行进，以便提高交通效率，降低夜间的交通事故和犯罪，同时帮助行人看清周围环境，辨别方向。随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们在夜间到户外休闲、购物、观光等活动越来越多，良好的道路照明也起到丰富生活、繁荣经济和提升城市形象的作用。

　　按照照明的观点，道路可分为四大类：汽车专用道路、一般街道、商业街及人行道。通常所讲的道路照明，乃指汽车专用道路照明。在道路照明的诸多目的中，为机动车驾驶员提供安全舒适的视觉条件是第一位的。

　　道路照明光源最早是路灯，后来相继出现了高压汞灯、高压钠(HPS)灯和金属卤化物灯、高效节能灯、无极灯及LED灯等。在目前比较成熟的路灯光源中，HPS灯的光效最高，一般达100~120lm/W，在目前的中国整个道路照明市场(拥有量约1500万盏)上，高压钠灯占据60%以上的份额。而在一些社区和乡村道路上的照明光源主要是电子节能灯(CFL)，约占道路照明市场20%的份额。传统白炽灯和高压汞灯，正在逐步被淘汰。

　　LED照明是一种节能环保照明。LED道路照明示范正在全球展开，中国大陆成为先行者，台湾地区居次。在2009年4月28日，国家科技部正式发文[国科发高(2009)189号]，在天津、石家庄、大连、上海、杭州、厦门、南昌、成都、西安、重庆、深圳、东莞和山东潍坊等21个城市开展“十城万盏”计划试点工作，LED路灯以其突出的示范效应成为各类半导体照明技术中的一大亮点。

　　二、LED路灯的优势

　　与以高压钠灯为代表的传统路灯比较，LED路灯具有很多显在和潜在的优势。

　　(1)光效高，能耗低

　　目前大功率白光LED的光效已超过100lm/W，科锐(Cree)、欧司朗(Osram)光电半导体等公司的大功率白光LED的实验室水平早在2009年年初就达160lm/W。根据美国能源部(DOE)预测，到2020年前后，大功率LED商业产品的光效可以达到165lm/W，实验室样品光效可以达到230lm/W。到2020年之后，LED光效基本不再会有大的提高，将进入一个迟缓期。

　　在道路照明方面，高压钠灯因为其光效可达到120lm/W而占主导地位。但是，随着LED光效的不断提高，高压钠灯路灯的垄断地位岌岌可危。目前在次干道上使用的150W以下的LED路灯，已体现出明显的节能优势。

　　传统路灯光源一般向整个空间发光，但需要路灯照亮的只是行车和行人的路面，因此在路灯灯具设计时，为了尽可能地使灯光均匀并集中地投射到路面上，需要使用曲面反射器来收集光线，使其向所需要的方向照射。在光线传播过程中，由于光源的阻挡和反射面的吸收而损失，致使路灯的出光效率仅为65%~70%。反观LED路灯，因其具有良好的方向性，在采用二次光学透镜时，灯具效率可达80%左右。如果再进行三次光学设计，灯具的出光效率可达85%~90%。

　　表1列示了某一400W的高压钠灯与一盏250W的LED路灯灯具效率及路面利用率等参数比较。

　　表1 400W高压钠灯与250W的LED路灯参数比较

　　事实证明，用配光科学合理的100W的LED路灯替代次干道上使用的250W的高压钠灯路灯，不仅能达到道路照明标准要求的平均照度，而且均匀度也得到大幅提高。而高压钠灯路灯的平均照度局部区域可能较高，但均匀度却很差。由此可见，LED路灯具有相当大的节能空间。

　　高强度放电(HID)灯路灯，一般只能在小范围内进行调光，而LED路灯可以实现从0%~100%范围内的调光控制，可以根据环境光照和交通状况灵活调节光输出，在保证照明需求的情况下降低不必要的能耗。由此可见，对于占总照明用电量约为15%~20%的道路照明来说，大规模地推行LED路灯，对于节能降碳具有重要意义。

　　(2)使用寿命长

　　路灯的寿命直接影响整个道路照明的维护成本。目前高压钠灯的寿命一般为2万小时左右，道路照明用高压钠灯的使用寿命仅约5000小时，而大功率LED的寿命一般达5~7万小时。

　　高压钠灯和LED的平均寿命定义是不同的。高压钠灯的平均寿命定义为“将一批受试光源样品点燃至50%数量损坏时的时间”，而LED的平均寿命则是指“将一批受试样品点燃至50%数量的光衰至70%的时间”。

　　若按高压钠灯的寿命定义来衡量LED，寿命为5万小时的LED则可达10万小时;若按LED的寿命定义来衡量高压钠灯，寿命为2万小时的高压钠灯仅约1万小时。

　　当然，LED的寿命并不是LED路灯的寿命。LED路灯的寿命是由LED光源寿命和驱动电路的寿命共同决定的，而LED及其驱动电路的寿命取决于灯具的散热能力、电路拓扑结构及其电子元器件的选择等多种因素。从目前的技术水平看，LED路灯的寿命可以超过高压钠灯路灯。

　　(3)显色性好

　　虽然在传统光源中高压钠灯的光效最高，但其显色性最差，显色指数Ra仅约20。如此差的显色性只能帮助人们察觉道路状况，并不能帮助行人清晰辨别。而LED的显色指数可达80左右，基本上接近自然光，对颜色的呈现更为真实，更能够反映出物体本身的颜色。LED的高显色性无疑有助于司机和行人识别目标，在同样的路面亮度下提供更好的通行条件。

　　(4)快速启动

　　白炽灯一点即亮，但实际上的启动时间约0.1~0.2秒。高压钠灯和金卤灯等气体放电灯从启动到稳定光输出需要几十秒乃至十分的时间，在关闭后需等待3~6分钟冷却后方可启动。而LED的启动时间仅为几十钠秒(ns)，也不存在重新启动的等待时间，LED灯具可以正常工作在连续开/关状态。

　　(5)便于光学设计

　　LED体积小，可以在半平面上定向发光，在灯具设计时可以将其近似视为是点光源，非常适合于采用透镜或反射器来进行光学设计，获得比较理想的配光，实现较高的灯具效率。

　　(6)造型可塑性强，结构牢固

　　LED路灯灯具的造型可塑性强，可以通过造型设计来体现装饰性和地方人文特色，增添美感和城市意象的附加价值。

　　LED是一种固态光源，不含玻璃和灯丝等易损坏部件。LED灯具通过合理设计，在结构上可以做得非常牢固。

　　(7)低碳环保，尤其适合采用太阳能光伏技术

　　高压钠灯等气体放电灯含有汞等有害物质，光源废弃后会对环境和水源造成长期严重污染。LED芯片及其封装可以满足欧盟RoHS指令要求，不含汞和铅等有害物质。LED废弃后可以回收利用，不会对环境造成污染。

　　LED直流驱动之特点，尤其适合采用太阳能光伏技术和风光互补技术应用于道路照明，从而实现真正意义上的节能环保照明。

　　(8)具有潜在总成本优势

　　目前LED路灯灯具单价比高压钠灯路灯高4倍以上。一盏250W的LED路灯功效相当于400W的高压钠灯路灯，但前者价格为6000~8000元，后者仅为1500元。但是，LED路灯的高光效和长寿命特点只要能够充分发挥，可以依靠节约的电费和维护费用收回初始成本的差价。随着LED路灯技术的逐渐成熟和初始成本的不断降低，其在总成本上的潜在优势用不了多长的时间就会显现出来。

　　三、LED路灯目前存在的问题

　　虽然LED路灯与传统路灯比较具有一些优势，但由于LED路灯的发展时间很短，目前仍处于试验和探索阶段，有一些LED路灯在示范应用中出现了诸多问题，并没有达到人们预期的效果。

　　目前LED路灯存在的不同程度的问题表现为：

　　(1)实际发光效率低于高压钠灯路灯，在照明效果上路面亮度偏低，均匀性差，“斑马效应”比较明显，只能满足照明级别比较低的道路，例如灯杆在8米以下的次干道。

　　(2)色温过高，刺眼，无舒适感

　　(3)散热性能差，温升过高，致使光衰比较严重，可靠性变差。

　　(4)驱动电源性能差，故障层出不穷，从LED路灯早期失效的情况下，有95%以上的故障都是由驱动电路损坏所致。

　　(5)成本太高，一次性投入太大，成为推广应用的一大瓶颈。

　　(6)由于尚无统一的LED路灯技术标准，不同厂家的产品通用性极差，维护十分困难。

　　出现上述这些问题的原因很多，既有技术层面上的因素，也有思维定势等方面的影响。

　　事实上，LED路灯是一个系统工程。由于LED光源与高压钠灯本质不同，在设计方法上LED路灯与传统路灯是截然不同的。设计人员除了灯具的设计经验外，还需要对LED的性能有一个全面而深入的了解。有些路灯生产厂家在还不甚了解LED道路照明制作要求和特点的情况下，沿用传统路灯设计思路来设计LED路灯，在造型上仍采用常规“蛇头”外形，套用气体放电灯的概念，认为只要将一定功率的LED排放在灯座中就可以满足路面照明要求。按照这样的思路设计和生产的LED路灯，不可能做到实用化。

　　四、LED路灯需要破解的技术难点

　　LED路灯要想大规模地应用，成为道路照明的主流光源，还面临一些需要解决的难点。归纳起来，主要难点有三个，即光学设计、散热问题及驱动电源设计。

　　1.光学设计

　　便于光学设计本来是LED路灯的一大优势，但同时又是一大难点。

　　从LED路灯配光角度来说，其光输出特性只有满足表2所示的CJJ45-2006道路照明标准规定要求才具有实用价值。

　　表2 CJJ45-2006规定的道路照明要求

　　LED路灯配光包括一次配光(采用封装透镜)、二次配光和三次配光。当通过二次配光可以满足路面亮度、照度及其均匀度要求时，则无需再进行三次光学设计。要满足道路照明的要求，LED路灯的配光必须经过多次反复设计才能实现。

　　目前人们研究出很多LED路灯配光方案，例如LED一次配光(即透镜封装)加灯具的二次配光、LED的二次配光(利用二次透镜)加灯具的三次配光及反射器配光等，但是，无论哪一种配光方案，还不能做到科学合理，不同程度地存在整体光学效率低、存在较大眩光和路面亮度、照度均匀性差等问题。如何选择配光方式，如何选择透镜，如何改进路灯的结构达到配光和散热要求，目前都还需要更为成熟的解决方案。

　　2.散热问题

　　LED路灯的散热能力直接影响LED的实际发光效率及其寿命。

　　LED为电致发光器件，在其工作过程中只有15%~25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高，导致光效急剧下降。如果LED结温超过最高允许温度(一般为125℃)，LED将会因过热而损坏。因此在LED灯具设计中，最重要的一项工作便是散热设计。

　　LED灯具的散热系统包括LED模组的散热和灯具结构(如外壳)上的散热片散热，其中后者是目前常见的散热方式，由于LED路灯的工作环境比较恶劣，易积聚尘沙和飞虫，散热器表面易被腐蚀氧化，这就会影响灯具内LED及电器的散热，导致LED路灯使用寿命的缩短。

　　为了解决LED路灯的散热问题，可以在灯具上配置微型风扇进行主动式强制性散热，但散热风扇在户外恶劣环境中的使用寿命难以满足要求。

　　LED路灯的重量主要由散热装置的重量所决定。随着LED路灯功率的增大，散热器尺寸和重量也需要相应增加。欲减轻大功率LED路灯散热装置的重量，就需要对散热方式、散热结构和材料等多方面进行优化设计。

　　LED路灯灯具要求具有良好的防尘防水(IP)防护等级(如IP45及其以上)，但良好的IP防护又往往会妨碍LED的散热。如何解决这一矛盾是LED路灯设计时不可忽视的一个重要方向。

　　3.驱动电源设计

　　目前的LED路灯几乎全部采用工频市电电源供电。LED路灯驱动电路拓扑结构一般均为离线式开关电源(SMPS)。从近几年LED路灯示范应用的情况看，故障几乎全部集中发生在驱动电源上。

　　由于LED路灯的工作环境十分恶劣，因此在驱动电源设计上，对电路拓扑结构的选择、电子元器件的选择以及电路的保护、散热与防水性能等各个环节，都十分苛求。

　　根据现有的技术水平，目前常规离线式开关电源的平均寿命通常在3万小时以下，LED驱动电路的寿命决定LED路灯灯具的寿命。对LED驱动电源寿命具有决定性影响的是电解电容器，其次才是功率半导体器件。因此，对电解电容的选择是极为重要的。

　　在LED路灯驱动电源设计方面，不仅要格外重视其可靠性，同时还必须满足输入AC电流谐波含量、线路功率因数、电磁干扰(EMI)、防雷击和防水及能效等方面的性能要求与安全要求。探求低成本、高可靠与高性能解决方案，是LED路灯驱动电源设计的一个难点。

　　五、结束语

　　LED是新一代绿色光源，LED应用于道路照明与传统路灯比较具有很多优势。道路照明是一种公共照明，由政府买单和掌控，因此LED在普通照明领域可以率先在道路照明中应用。但是，由于传统路灯的设计方案并不适用LED路灯，在光学设计、散热问题和驱动电源设计等方面还存在很多问题尚未真正解决，因此距大规模地推广应用还有较长的路要走。LED路灯技术尚处于探索阶段，不可一哄而起、一哄而上和遍地开花，而必须坚持先试点、再示范到最后推广的实施路线。