普及LED路燈需解決的三大難題

LED(發(fā)光二極光)的應(yīng)用可以說無處不在。作為一種半導(dǎo)體發(fā)光材料，與其他發(fā)光材料相比較，LED以其綠色、高效、可靠、耐用的優(yōu)勢，使得其他發(fā)光材料黯然失色。隨著大功率LED成本的不斷降低，逐步替代傳統(tǒng)燈具成為可能。LED光源在道路照明中的應(yīng)用已成為近年來半導(dǎo)體照明行業(yè)的熱點(diǎn)，LED器件產(chǎn)品應(yīng)用到路燈上，對技術(shù)有什么特殊要求？LED路燈與目前普通路燈相比有哪些優(yōu)勢？還存在哪些不足？如何解決？業(yè)界專家從不同側(cè)面給予了闡述。

制定國家標(biāo)準(zhǔn)是普及推廣有力手段

LED作為路燈主要有以下優(yōu)點(diǎn)或特點(diǎn)：發(fā)光效率高，燈具反射損失低，節(jié)省能源70%；配合數(shù)字控制亮度功能，更省電；不需高壓，安全性高；配合軟件可由遠(yuǎn)程自動(dòng)遙控亮度；事故、多霧、雨天等特殊情況下提供超高亮度及顯色性高的照明光源；安裝維護(hù)簡便；模塊安裝、無多余配線；不會造成光污染或浪費(fèi)；長壽命，意味著不需要經(jīng)常進(jìn)行更換，從而減少了交通中斷的潛在性，降低了為此支付的維修費(fèi)用。有人計(jì)算過，采用LED路燈除了在單燈成本及最初安裝的造價(jià)比高壓鈉燈高外，在鋪設(shè)成本、耗電成本及壽命方面均大大優(yōu)于高壓鈉燈。

LED路燈面臨的主要技術(shù)問題為：輸出功率及光通量、二次光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。輸出功率及光通量的提高還需要從大功率白光LED的外延技術(shù)、芯片工藝等基礎(chǔ)層次進(jìn)一步提升。在二次光學(xué)設(shè)計(jì)方面，LED的輻射形式有朗伯型、側(cè)射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領(lǐng)域，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)朗伯型和蝙蝠翼型比較適用，通過二次光學(xué)設(shè)計(jì)，使得LED的光照范圍、光度曲線符合道路照明的需求。散熱是LED路燈需要重點(diǎn)解決的問題之一，由于LED路燈亮度要求高、發(fā)熱量大，并且戶外這種使用環(huán)境比較苛刻，如果散熱不好會直接導(dǎo)致LED快速老化，穩(wěn)定性降低，除了需要功率型LED本身的散熱好外，由于路燈具有戶外夜間使用的特點(diǎn)，散熱面位于側(cè)上面有利于空氣自然對流散熱。LED路燈的電源系統(tǒng)也與傳統(tǒng)光源不同，LED的低能耗、低工作電壓和太陽能電池組件的低輸出功率、低輸出電壓之間的配合非常合適，如何使緊密壓縮在一起的一組LED安全、可靠地工作也是考察LED路燈的一個(gè)指標(biāo)。

綜合以上對LED路燈在市場前景及技術(shù)問題方面的分析可以看出，影響其應(yīng)用的因素為：

第一，LED路燈造價(jià)較高，不利于推廣普及。雖然目前初步解決了LED路燈的散熱問題，但是過高的價(jià)格和過重的燈頭仍然會阻礙LED路燈的普及。

第二，LED路燈模塊化的可靠性仍需加強(qiáng)，由于驅(qū)動(dòng)電路等原因也會造成LED路燈的失效。

第三，無論是單點(diǎn)還是多點(diǎn)光源的LED路燈都存在著散熱難的問題。一盞采用250W高壓鈉燈的路燈，由于技術(shù)較成熟，散熱控制得很好，即使工作5000小時(shí)，光衰仍然較小，發(fā)光效率還可以達(dá)到70%以上。以目前的技術(shù)，相同條件下大功率LED路燈，由于散熱問題不易解決，光衰較大，發(fā)光效率會下降到30%。如果想用加大電壓電流的方法提高光效，很容易造成LED芯片損毀的現(xiàn)象。

第四，LED路燈射程短，因此LED路燈還需要進(jìn)一步加強(qiáng)如何在較高高度下工作的研究。此外，制定國家LED道路照明標(biāo)準(zhǔn)也是普及推廣LED路燈非常有力的手段。

散熱和可靠性是影響應(yīng)用主要因素

LED光源有兩種做法，一種是使用傳統(tǒng)小功率LED作組合，一般多達(dá)上百顆甚至數(shù)百顆，電源設(shè)計(jì)復(fù)雜。另一種是使用大功率管作光源，價(jià)格比較貴。兩種方法都不可避免地要將散熱設(shè)計(jì)和工作可靠性作為主要設(shè)計(jì)考慮因素，國內(nèi)多應(yīng)用于政府示范性工程，真正市場化運(yùn)作的工程很少，國外這方面的應(yīng)用實(shí)例較多，但其最大的缺點(diǎn)依然是可靠性、出光流明數(shù)和價(jià)格，很多工程由于LED品質(zhì)低劣，沒有很好地表現(xiàn)出壽命長的優(yōu)點(diǎn)。還有，從成本、市場的角度考慮，LED作為照明光源，其是否與太陽能結(jié)合使用，在設(shè)計(jì)上需要走不同的路線，并不是單獨(dú)作為一種光源來開發(fā)就能完成的。

LED器件產(chǎn)品應(yīng)用到路燈上，技術(shù)上的特殊要求主要是要結(jié)合LED光強(qiáng)和發(fā)光角度來設(shè)計(jì)，另外由于多顆LED組合，出光設(shè)計(jì)方面要兼顧照射面域，燈具方面需要重點(diǎn)考慮散熱的有效性。

LED路燈與普通路燈的對比優(yōu)勢：節(jié)能、環(huán)保，易于和低壓適配，也可和太陽能系統(tǒng)直接配套，無需額外的逆變、轉(zhuǎn)換過程，能達(dá)到最大的能源利用率。

不足：照明角度偏小、不均勻，顏色顯色指數(shù)偏低，光學(xué)、散熱設(shè)計(jì)復(fù)雜。

技術(shù)上的不足：當(dāng)前技術(shù)下的光通量還不夠，光效太低，品質(zhì)難以保證。

解決措施：LED產(chǎn)品應(yīng)用于路燈需要專門的設(shè)計(jì)，也需要專門的標(biāo)準(zhǔn)(用傳統(tǒng)光源的測試數(shù)據(jù)來評價(jià)LED光源往往并不客觀)。

LED應(yīng)用于路燈有先天的優(yōu)勢也有劣勢。優(yōu)勢在于：第一，LED作為點(diǎn)光源，如果設(shè)計(jì)合理，很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須依靠光發(fā)射來解決的二次取光及光損耗問題；第二，對光照射面的均勻度可控，理論上可以做到在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)完全均勻，這也能避免傳統(tǒng)光源“燈下亮”現(xiàn)象中的光浪費(fèi)；第三，色溫可選，這樣在不同場合的應(yīng)用中，也是提高效率、降低成本的一個(gè)重要途徑；第四，技術(shù)進(jìn)步空間依然很大。

劣勢(影響路燈推廣應(yīng)用的因素)：當(dāng)前價(jià)格還太高，光通量低，當(dāng)前同等照度設(shè)計(jì)的LED光源價(jià)格大約相當(dāng)于傳統(tǒng)光源的4倍(不過在路燈產(chǎn)品中，光源部分占總成本并不高，所以在工程安裝中的成本提高比例也不會太高，應(yīng)用的空間還是比較大的)，在民用中難以承受。當(dāng)前設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)比較混亂，損壞比例高，影響了LED的壽命優(yōu)勢。

建議：統(tǒng)一LED標(biāo)準(zhǔn)，提升品質(zhì)穩(wěn)定性，成立市場競爭協(xié)調(diào)組織，避免惡性競爭，大力宣傳LED的品質(zhì)觀念，避免受不良實(shí)例的影響，要讓人們從思想上接受LED其實(shí)是可以實(shí)現(xiàn)其壽命長的優(yōu)點(diǎn)的，提高選擇和使用LED的水平。

對白光大功率LED需求將達(dá)到3億顆

LED器件應(yīng)用到路燈上，技術(shù)上的特殊要求主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先，良好的發(fā)光效率穩(wěn)定性，不能衰減太快。其次，光色的一致性和可維持性要好，不能因?yàn)檩^長時(shí)間使用白光顏色發(fā)生變化。這兩點(diǎn)都要求燈具的整體散熱要好，光學(xué)設(shè)計(jì)要到位。

LED路燈與目前普通的高壓鈉燈路燈相比優(yōu)勢如下：

第一，節(jié)能：目前白光LED的發(fā)光效率約為80lm/W，較傳統(tǒng)高壓鈉燈可以節(jié)電50%～60%，隨著LED效率的快速提升，半導(dǎo)體路燈在節(jié)能方面顯示出了巨大的潛力。

第二，低維護(hù)成本：以目前的技術(shù)水平和測試結(jié)果推算，大功率LED光源可以正常使用10年不用更換，而傳統(tǒng)高壓鈉燈平均1年半就要更換一次，使用半導(dǎo)體光源可以大大降低維護(hù)成本。

第三，顯色性佳：LED的顯色指數(shù)高(75～80)，人們的反應(yīng)速度快，路面看起來更明亮，感覺更舒適，駕駛?cè)藛T也感覺更安全。而高壓鈉燈光譜窄，顯色性差(20～40)，感覺昏暗。

存在的不足主要如下：

第一，發(fā)光效率還不夠高：目前雖然試驗(yàn)室水平大功率白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過了100lm/W，但量產(chǎn)的、性價(jià)比高的大功率白光LED發(fā)光效率還在60lm/W左右，節(jié)能優(yōu)勢還沒有充分發(fā)揮出來。

第二，地面對LED光的反射率低：由于目前白光LED 光譜特征，路面及周邊物體對其反射率低，所以路面的亮度較低，與鈉燈的黃光相比，這是它的一個(gè)弱點(diǎn)。

大功率白光LED光源目前的發(fā)光效率還在約70lm/W～80lm/W的階段，理論其發(fā)光效率可以達(dá)到300lm/W左右，因此在技術(shù)上還有非常大的發(fā)展空間。同時(shí)半導(dǎo)體光源路燈目前正處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的開始階段，在提高散熱效率、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化、配光設(shè)計(jì)方面還有非常大的提升空間，還有大量的研發(fā)工作需要深入開展。

目前一盞LED路燈平均需要100顆左右的1W白光LED，以全國每年路燈需求300萬盞來計(jì)算，每年對白光大功率LED的需求將達(dá)到3億顆。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范欠缺無法全面推廣

由于LED路燈有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能(據(jù)報(bào)道可節(jié)電能50%以上)、長壽命(可減少維修和延長更換時(shí)間)，所以目前國內(nèi)有關(guān)LED路燈的開發(fā)、應(yīng)用發(fā)展很快。很多大、中城市均有一些道路在試用LED路燈，但均未大批量采用。

LED路燈目前主要問題是無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，無法全面推廣，其中LED用于路燈的幾個(gè)主要參數(shù)如：色溫、顯色性(顯色指數(shù))和眩光等尚未確定。

另外，LED路燈的價(jià)格過高，目前根據(jù)不同功率和安裝高度，其價(jià)位在3000元～5000元/只，大面積推廣應(yīng)用有困難。

路燈的城市管理體制是多頭負(fù)責(zé)，這給LED路燈推廣應(yīng)用帶來很大困難。

建議相關(guān)部門盡早組織制定LED路燈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和建立相關(guān)的檢測機(jī)構(gòu)。

建設(shè)部新制定的路燈設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)“城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”(CJJ45-2006)于2007年7月1日開始執(zhí)行，其中未提到使用LED路燈的問題。在此，相關(guān)部門要組織有關(guān)人員認(rèn)真討論，采用LED路燈是否可符合上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或需要提出哪些補(bǔ)充修改意見作為正式的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

另外，盡快制定采用LED路燈的道路路面測試方法標(biāo)準(zhǔn)，制定LED路燈的燈具(含LED燈)標(biāo)準(zhǔn)，提出LED路燈的主要參數(shù)包含色溫、顯色指數(shù)、眩光、發(fā)光強(qiáng)度(或照度)、角度以及熱阻和可靠性等指標(biāo)要求，制定LED路燈的燈具測試方法標(biāo)準(zhǔn)，建立公正的權(quán)威的LED路燈相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)。

要不斷提高LED技術(shù)水平，降低LED路燈成本。隨著LED技術(shù)的不斷突破，特別是LED發(fā)光效率的不斷提高以及LED封裝和燈具設(shè)計(jì)水平的提高，將可減少使用LED的個(gè)數(shù)和其他元器件數(shù)，即可大大降低LED路燈的成本。

希望城市道路的路燈管理能由一個(gè)部門統(tǒng)一管理，這樣在推廣LED路燈應(yīng)用時(shí)會順利些。

　　初始安裝成本高制約推廣應(yīng)用

LED路燈的初始安裝成本仍舊是傳統(tǒng)高壓鈉燈、金鹵燈的2-3倍，這是因?yàn)槟壳癓ED的光源成本較高，并且需要較復(fù)雜的光學(xué)、熱學(xué)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

但近一兩年來，國內(nèi)外均已出現(xiàn)大量LED路燈的應(yīng)用案例，其主要優(yōu)勢在于：壽命長、燈具整體光效高，因而可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)下的總體節(jié)電效果。

LED光源本身光效提升空間大，半導(dǎo)體技術(shù)的特點(diǎn)使其發(fā)光光效(相應(yīng)的外量子效率)有望在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻番，目前行業(yè)內(nèi)高功率LED光效的頂級水平在100lm/W，研發(fā)水平已可大于130lm/W，將來有望實(shí)現(xiàn)大于200lm/W的水平。LED光源具有綠色環(huán)保特性，不含汞等重金屬，更方便回收。LED光源系統(tǒng)易維護(hù)，總體運(yùn)行成本低，產(chǎn)品品質(zhì)高。以上諸多優(yōu)點(diǎn)，使得LED路燈的市場前景被廣泛看好。

LED在照明應(yīng)用中，本質(zhì)上也屬于點(diǎn)光源，因此其光學(xué)設(shè)計(jì)，包括初級透鏡或反光裝置的設(shè)計(jì)和二次光學(xué)的設(shè)計(jì)等是一大應(yīng)用難點(diǎn)。

此外，LED路燈照明系統(tǒng)的散熱方案，如基于金屬殼體的整體化設(shè)計(jì)、風(fēng)扇及熱管等輔助散熱裝置、有效防塵(塵土將極大妨礙散熱)等，這些都是較之傳統(tǒng)路燈所需特別注意的地方。

另外，LED所特需的恒流驅(qū)動(dòng)電源，是保證其正常工作的一大基石，簡單開關(guān)電源的方案常會帶來LED器件的損傷。因此，LED路燈的進(jìn)一步推廣，有賴于光、熱、電等方面整體解決方案的日益成熟。

　　2010年大規(guī)模應(yīng)用市場將啟動(dòng)

目前路燈應(yīng)用市場已經(jīng)啟動(dòng)，原因有五，第一，在中間視覺條件下，目前路燈大量采用的鈉燈，效率比明視覺條件測量效率要低30%，而LED由于是全光譜效率會提高40%，目前取代鈉燈已能節(jié)電30%-40%，符合節(jié)電、減排國家政策。第二，考慮到壽命較長，可免維護(hù)費(fèi)用。由于驅(qū)動(dòng)電流小、電纜、變壓器和工程費(fèi)用也在減少。第三，白光下視感和分辨能力都有提高。第四，由于耗電少和驅(qū)動(dòng)電壓低，可與光伏電池組成太陽能路燈。第五，路燈均為政府部門建設(shè)和管理，較易推廣。

目前許多城市乃至小鎮(zhèn)，都有路燈示范工程，少則幾十盞，多則成千上萬盞，國內(nèi)已有多張2萬盞路燈的訂單，可以說這是通用照明中冒出的一匹黑馬。隨著效率的進(jìn)一步提高和技術(shù)的日趨完善，將有很快的發(fā)展?？紤]到我國約有2億盞路燈這一廣闊市場，理應(yīng)特別重視，加上已有部分企業(yè)產(chǎn)品出口，市場前景更為看好，2010年大規(guī)模應(yīng)用市場將啟動(dòng)。

目前產(chǎn)品屬初始階段，良莠不齊，主要問題是散熱問題解決不好，不僅發(fā)光效率下降，而且光衰問題較嚴(yán)重，甚至失效。有關(guān)部門要抓緊標(biāo)準(zhǔn)制定，出廠前要進(jìn)行光衰試驗(yàn)，減小燈具熱阻，充分散熱，真正做到高效、長壽命，以利市場的培育和健康發(fā)展。

LED替換高壓鈉燈節(jié)能40%

LED的性能現(xiàn)在已超過普遍采用的熒光燈，可以預(yù)見，LED照明技術(shù)將進(jìn)入多種環(huán)境中。除了節(jié)能之外，LED燈的使用壽命比傳統(tǒng)燈泡要長得多，并且不采用普通燈泡中常見的汞、水銀、鉛等有害物質(zhì)，LED燈要更環(huán)保。

LED城市照明行動(dòng)(LED City社區(qū))于2007年2月啟動(dòng)，在北卡羅來納州羅利推行停車庫照明試行項(xiàng)目，得到Cree(科銳)、Lighting Science Group、AmTech Lighting Services和Progress Energy的支持。該社區(qū)的目標(biāo)是促使各個(gè)城市在部署節(jié)能照明時(shí)加強(qiáng)合作和提高效率，以便盡快達(dá)到節(jié)約成本與環(huán)保的目的。該試行項(xiàng)目是用LED燈具替換高壓鈉燈具，據(jù)Progress Energy評估，節(jié)能效果達(dá)到40%。

LED城市照明行動(dòng)旨在滿足當(dāng)?shù)匦枨?。從美國的得克薩斯到加拿大的多倫多，LED照明已經(jīng)成功部署在整個(gè)北美地區(qū)，每個(gè)示范區(qū)都為當(dāng)?shù)貛砭薮蟮哪茉垂?jié)約，并滿足其經(jīng)濟(jì)需求。例如，密歇根大學(xué)所在的密歇根州阿恩阿波爾市有12.5萬人，最近該市安裝1000多個(gè)LED路燈。這在中國看似不起眼的一個(gè)數(shù)目，但對像阿恩阿波爾市這樣規(guī)模的美國城市來說卻具有重大意義。每個(gè)耗電56瓦的LED燈可以連續(xù)使用10年，來代替耗電120瓦且使用壽命只有兩年的燈泡，這使阿恩阿波爾市的公共照明能耗減半，每年的溫室效應(yīng)氣體排放減少2425噸，這相當(dāng)于400輛汽車上路一年排放的尾氣數(shù)量。