LED光源在城市道路功能照明中的試驗與分析

1、LED光源在城市道路功能照明中的試驗與分析南京市路燈管理處：劉磊實，冀曉健摘要: 通過LED光源在城市道路功能照明中應(yīng)用試驗的數(shù)據(jù)利用，結(jié)合LED光源的性質(zhì)與城市道路照明的特點，與高壓鈉燈進(jìn)行分析對比，闡述LED光源在城市道路功能照明中應(yīng)用的存在問題，提出一些建議。關(guān)鍵詞: LED高壓鈉燈光源城市道路功能照明1前言LED(Light EmittingDiode)，又稱發(fā)光二極管，它基于-族化合物制成的半導(dǎo)體P-N結(jié)兩端加上正向電壓時，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生激發(fā)-遷移-復(fù)合，并在復(fù)合的過程中發(fā)射光子的原理產(chǎn)生可見光。LED問世于20世紀(jì)60年代初，首先出現(xiàn)紅色發(fā)光二極管，之后黃色、藍(lán)色、綠色LED

2、也先后研制成功，1996年白色LED成功開發(fā)。現(xiàn)LED產(chǎn)品的發(fā)光效率比研制初期提高了千倍，色度方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色。近年來，超高亮度大功率白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域從信號、顯示和背光源等小功率使用領(lǐng)域跨越至大功率道路功能照明領(lǐng)域成為可能。2現(xiàn)階段LED光源及其在道路功能照明中的發(fā)展?fàn)顩r我國已將“高效節(jié)能、長壽命的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品”列入中長期技術(shù)發(fā)展規(guī)劃第一重點領(lǐng)域，先后建立了上海、深圳、廈門、南昌、大連、天津、石家莊、揚州等多個國家級LED產(chǎn)業(yè)化基地，計劃在“十一五”期間解決功率型白光LED產(chǎn)品100lm/W的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，預(yù)期成本每年遞減20%，期末生產(chǎn)成本低于45元/千

3、流明。目前，全國能生產(chǎn)大功率LED道路照明燈具的企業(yè)有上百家，單燈功率已超過200w。國內(nèi)許多城市都在對LED路燈的使用進(jìn)行嘗試，少部分城市開始推廣。據(jù)相關(guān)報道，上海計劃使用2萬盞，常州計劃使用1.5-2萬盞，東莞要在三年內(nèi)用LED路燈更換道路照明用高壓鈉燈，山東濰坊裝燈2萬盞.，但業(yè)內(nèi)對其取代高壓鈉燈的實際節(jié)能效果一直有所爭議。今年年初，科技部、信息產(chǎn)業(yè)部、發(fā)改委、建設(shè)部四部委對“LED路燈應(yīng)用于城市道路照明”課題進(jìn)行了調(diào)研和座談，會上針對較大的意見分歧,給出了全面展開試點，取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的指導(dǎo)意見。南京作為與會城市，積極貫徹落實會議精神，組織了相關(guān)試驗。3試驗情況為取得LED在道路照明中運用

4、的第一手資料，我處自2006年起就對LED功能照明燈具進(jìn)行了試驗，當(dāng)時效果不佳，一個月的光衰達(dá)初期的30%。這兩年，隨著LED光源性能的不斷提升，其用于道路照明的可能性大大提高。今年，我們又對LED功能照明燈具在道路上的運用進(jìn)行了試驗，試驗情況如下：參加試驗的有深圳、南京、西安等地的六家LED道路照明燈具生產(chǎn)廠家，提供試驗的燈具為功率在150W左右的LED路燈(圖1)，選擇在南京市泰山路(路寬36米、中心對稱布燈方式、桿高10米、間距34米、原安裝250W高壓鈉燈，斷面見圖2)進(jìn)行實地道路照明試驗，每個廠家提供四套產(chǎn)品，安裝在連續(xù)兩桿的雙側(cè)燈頭上。泰山路位于南京河西新城，道路兩邊干擾光線較少，

5、測量數(shù)據(jù)均測自安裝同型號LED路燈的兩桿間，這樣取得參數(shù)能夠反映LED路燈的實際照明情況(現(xiàn)場情況如圖3)?，F(xiàn)場安裝初期及使用40天后的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表1和表2。4試驗情況分析與思考分析以上試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合城市道路照明的特點，我們對LED光源與目前道路功能照明普遍采用的高壓鈉燈在節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)等方面進(jìn)行了對比，對現(xiàn)階段LED光源在城市道路功能照明中應(yīng)用的存在問題進(jìn)行以下幾方面的分析與思考：4.1現(xiàn)階段道路照明中LED光源和高壓鈉燈的節(jié)能性目前，我們接觸的很多節(jié)能方案推薦采用100WLED路燈代替250W高壓鈉燈，150WLED路燈代替400W高壓鈉燈，甚至有采用50WLED路燈代替250

6、W高壓鈉燈的方案，下面從理論光效、燈具實際光效和配件耗能三方面對其進(jìn)行分析：(1)理論光效光效是評價光源是否節(jié)能的基本理論參數(shù)，LED光源光效的發(fā)展速度是驚人的，其最大理論光效683lm/w(波長555nm)，國外高品質(zhì)芯片已經(jīng)達(dá)到190 lm/w 的研發(fā)技術(shù)和120 lm/w的生產(chǎn)技術(shù)，我國近期產(chǎn)業(yè)計劃要達(dá)到100 lm/w的生產(chǎn)技術(shù)，同比高壓鈉燈120 lm/w-130 lm/w的光效，現(xiàn)階段市場上LED光源在節(jié)能基本理論參數(shù)上是低于鈉燈的。(2)輸出光效(燈具實際光效)相對于理論光效，燈具實際的輸出光效對應(yīng)用者來說意義更大。由于燈具中光源的工作條件及燈具本身反射器、配光、折射等原因的影響

7、，任何燈具的輸出光效都低于光源的理論光效。對于高壓鈉燈，目前市場上的合格產(chǎn)品均能夠達(dá)到城市道路照明設(shè)計規(guī)范CJJ45-2006中規(guī)定的燈具效率不小于70%的要求。對于LED燈具，由于六家產(chǎn)品均沒有明確的參數(shù)，我們無法得到準(zhǔn)確的定量結(jié)果，但可以通過計算分析路面平均照度與能耗的關(guān)系來得到定性結(jié)論。從試驗數(shù)據(jù)計算值可以看出，有兩家產(chǎn)品實現(xiàn)的路面平均照度與額定能耗的比值高于鈉燈，四家的產(chǎn)品低于鈉燈，進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，兩家路面平均照度能耗比高的產(chǎn)品的環(huán)境比明顯低于鈉燈和其他四家的產(chǎn)品。同時通過現(xiàn)場勘查，筆者發(fā)現(xiàn)該路段為顧及慢車道和人行道的照明，燈具仰角設(shè)計較大。綜合各項因素，我們認(rèn)為現(xiàn)階段LED路燈在

8、實際燈具輸出光效上是低于鈉燈的。(3)配套電氣設(shè)備性能從參加試驗的六家LED產(chǎn)品看，驅(qū)動電路均采用降壓、整流加電阻電路的傳統(tǒng)驅(qū)動模式，功耗在15-20%額定輸出功率之間。目前南京實際使用的高壓鈉燈節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器約為額定輸出功率的8-12%，符合國家對能效因數(shù)(BEF)的限定值和節(jié)能評價值。相比之下，高壓鈉燈配套設(shè)備的節(jié)能優(yōu)勢是明顯的。通過上述三方面的分析，可以看出LED路燈在節(jié)能評價上還遜于高壓鈉燈，一些采用小功率LED路燈代替高功率高壓鈉燈從而節(jié)能60%，甚至更高的節(jié)能方案均需要仔細(xì)考慮和推敲，城市道路照明是一項社會公共服務(wù)，其目的是為各種車輛的駕駛?cè)藛T和行人創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，保障交通安

9、全，不能為了節(jié)能而不合理的降低視覺環(huán)境指標(biāo)，減少公共服務(wù)的提供，對城市交通安全產(chǎn)生影響。4.2道路照明中LED光源和高壓鈉燈的光性能比較(1)配光分析LED光源為提高出光率，光發(fā)散角度做的較小。這正是其在信號、顯示等領(lǐng)域大量應(yīng)用的重要優(yōu)點，但在道路功能照明中就成為缺點。LED燈具在功能照明上需進(jìn)行合理的二次配光，將這些集中的光分散開來，LED燈具光線發(fā)散不開，均勻度和環(huán)境比會低，發(fā)散開，眩光會變大，均會影響交通安全。從試驗數(shù)據(jù)及照片可以看出，六種產(chǎn)品注重點不同，配光實現(xiàn)方法不一樣，差別較大，個別產(chǎn)品眩光控制不好，LED路燈的配光是需要進(jìn)一步研發(fā)的技術(shù)重點。高壓鈉燈燈具經(jīng)過幾十年的實踐應(yīng)用，其產(chǎn)

10、品生產(chǎn)工藝成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，各種產(chǎn)品配光形式多樣，能適合不同場合的需要。(2)視覺效應(yīng)分析現(xiàn)場隨機詢問，大多數(shù)人認(rèn)為高壓鈉燈比LED發(fā)出的光感覺舒服。這是由于LED的發(fā)光特性決定其光譜分布很窄，不能直接得到白光，目前白光LED實現(xiàn)方法中以藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉，由LED藍(lán)光和熒光粉發(fā)出的黃綠光合成白光較為普遍， 發(fā)出的白光帶有較多藍(lán)色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺感覺不很自然。通過上面的比較，加上鈉燈的黃色光線對霧靄的穿透力強于LED的白光，我們認(rèn)為高壓鈉燈比較適用于道路照明。4.3現(xiàn)階段道路照明中LED光源和高壓鈉燈的經(jīng)濟(jì)比較根據(jù)一些LED路燈替代高壓鈉燈的投資方案計算，電能

11、和維護(hù)費用的節(jié)約可以保證在1-2年內(nèi)收回投資。下面根據(jù)試驗情況做幾方面的比較：1.燈具成本目前，我國的LED生產(chǎn)產(chǎn)值80%以上為封裝產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，外延芯片生產(chǎn)近年雖有很大發(fā)展和進(jìn)步，但仍停留在中低檔水平，高光效大功率白光LED應(yīng)用產(chǎn)品幾乎全部依賴于進(jìn)口的高檔外延芯片，其主要廠商分布在美國、日本、歐盟等地，他們依靠擁有的核心技術(shù)和專利壟斷了高端產(chǎn)品市場。目前，LED路燈價格是國際品牌的普通光源路燈的4倍左右，是一般品牌的普通光源路燈的8倍左右。2.配件與線路一些投資方案在比較LED路燈和高壓鈉燈時，將LED方案的變壓器容量和電纜線徑進(jìn)行縮減，從前面的節(jié)能分析可以看出實際上變壓器的容量不能減少。另外由

12、于道路照明線路供電的特點，電纜線徑選擇基本以電氣保護(hù)的靈敏度整定來確定，也不能隨意減小。3.節(jié)電電費的節(jié)省是一些LED路燈節(jié)能項目方案的主要效益來源，從筆者接觸到的情況，就針對南京市做的一些LED路燈節(jié)能經(jīng)濟(jì)方案，少的能節(jié)省三千多萬，多的做到節(jié)約2.2億，而實際上南京市07年全年的道路照明總電費也就不足四千萬，這些方案沒有切合實際。從前面分析可知，實際上在實現(xiàn)相同道路照度下，同比高壓鈉燈，LED道路照明方案還不能實現(xiàn)電費節(jié)約，也就不能收回多出的投資。4.4 壽命與維護(hù)長壽命和免維護(hù)是LED道路照明方案的主推優(yōu)點，我們也分析一下：1.壽命不可否認(rèn)本次試驗，LED路燈40天衰減很小，部分還有上升，

13、說明LED技術(shù)水平、光效、壽命正飛速發(fā)展，但5-10萬小時的壽命是指LED光源芯片實驗室數(shù)據(jù)的理論測算，不是實際檢驗結(jié)果，也不是LED路燈整體的使用壽命。LED光源和其驅(qū)動均為電子元器件，在條件惡劣的室外，光線、溫度、雨雪、振動、灰塵、雷電及線路故障等不利因素的作用下，其實際壽命肯定縮短，具體情況需要進(jìn)一步跟蹤。2.維護(hù)維護(hù)分為巡查和維修兩塊，由于巡查主要針對燈具、線路、設(shè)備等整個路燈系統(tǒng)的完好率、安全性、運行狀況及防偷盜情況進(jìn)行檢查，無論LED還是高壓鈉燈其人員及物質(zhì)投入基本一樣，兩者的差距主要在維修。高壓鈉燈的結(jié)構(gòu)簡單，各組成配件性能穩(wěn)定，維修工作以配件壽命到期更換和被盜恢復(fù)為主，經(jīng)過幾十

14、年的發(fā)展，產(chǎn)品完全標(biāo)準(zhǔn)化，不同品牌之間可以相互替代，一般電工均能對其故障進(jìn)行判斷和快速現(xiàn)場維修。LED為電子產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)精細(xì)，一盞燈有幾十顆LED和幾十個電子元件，燈具或驅(qū)動中的電子元器件受干擾損壞的概率大，且某個元器件的損壞或內(nèi)部線路的故障就有可能造成全套燈具的損壞，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法在現(xiàn)場進(jìn)行判斷維修，加上設(shè)備之間缺乏兼容性，一般只有更換燈具，維護(hù)成本很高。5 急需解決的問題5.1 相關(guān)理論的確立目前，在LED新光源的應(yīng)用中，中間視覺理論、司辰視覺理論、非視覺理論、等效視覺理論等新理論被逐步提出，并被一些LED應(yīng)用方案采用，根據(jù)這些新理論，為達(dá)到同等視覺效果，LED僅需要高壓鈉燈的30-5

15、0%的亮度，這些理論對快速運動的司駕人員視覺、復(fù)雜的道路條件或天氣條件是否適用，對道路交通安全可靠性的影響等許多問題需要進(jìn)一步研究和探索，如果能在道路照明領(lǐng)域確立，對傳統(tǒng)理論將是革命性的突破。5.2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定主要包括產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)兩方面的含義。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是指目前LED路燈的生產(chǎn)還處于各自為政的狀態(tài)，各家采用的材料、元件、驅(qū)動、線路、實現(xiàn)工藝均不相同，產(chǎn)品質(zhì)量、形式、尺寸相差很大，產(chǎn)品的生產(chǎn)、交付、驗收、施工、配件、維護(hù)等各個環(huán)節(jié)均沒有統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，產(chǎn)品之間、光源之間、配件之間缺乏兼容性，急需加以規(guī)范。另一方面，目前城市道路照明的主要規(guī)定和技術(shù)指標(biāo)均依據(jù)第二代光源

16、特性及傳統(tǒng)理論確定，主要的標(biāo)準(zhǔn)城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)CJJ45-2006、城市道路照明工程施工及驗收規(guī)程CJJ89-2001等均沒有與LED新光源相匹配的技術(shù)指標(biāo)，無法滿足大面積推廣使用的需要。6建議目前國外LED光源在功能照明中的運用也處于試驗階段，并沒有大面積的推廣，他們注重相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，通過取得知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)來獲取高額利潤。我國也應(yīng)該在芯片生產(chǎn)方面、燈具配光、傳導(dǎo)散熱、電力電子驅(qū)動技術(shù)、無極調(diào)光節(jié)能技術(shù)等各方面進(jìn)行技術(shù)研究，待取得突破后再推廣運用。同時目前的數(shù)據(jù)以理論和實驗室數(shù)據(jù)為多，需進(jìn)一步通過試驗取得實際使用數(shù)據(jù)。綜上所述，我們認(rèn)為LED光源是一種節(jié)能、環(huán)保、長壽的新型光源，它將可能緩解人們