LED路灯应用的发展现状与技术分析

LED路灯应用的发展现状与技术分析摘要：LED作为路灯的光源，它和传统路灯光源比较有许多优点。其一，LED是一种半导体二极管，它的寿命非常长。LED作为路灯的光源，它和传统路灯光源比较有许多优点。其一，LED是一种半导体二极管，它的寿命非常长。当光通量衰减到80%时，其寿命达到了25000小时。而金属卤化物灯的寿命在6000~12000小时，高压钠灯的寿命是12000小时。其二，LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，放置在一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。其三、白光LED的光色比高压钠灯好。在中间视觉水平下，人眼在高色温环境里比低色温环境更容易辨别事物。白光LED的显色性也比高压钠灯好很多，高压钠灯的显色指数只有20右左，而白光LED可以达到65~80。其四、LED能实现较完美的调光功能。由于LED的工作范围较大，其光输出和工作电流成正比，因此可以减小电流的方法来调光。另外，由于LED进行频繁开关对其没有太大的损伤，LED的调光还可以采用脉冲宽度调节的方法来得到，通过调节电压的占空比和工作频率，能够有效调节LED的发光强度。其五、在灯具的光学系统内，LED光源的光通量损失最小。与传统光源不同，LED是半空间发光的光源。高压钠灯或金属卤化物灯是全空间发光的光源，需要将一个半空间的出射光线改变180°方向投向另一半空间内。当我们依赖反射器来完成时，反射器对光线的吸收和光源自身的挡光是不可避免的。而使用LED作为光源，不会存在这方面的损失，光线的利用率比传统光源高。最后，LED光源不含有害金属汞，不象高压钠灯或金属卤化物灯在报废时对环境造成危害。夜晚来临时，你驾车行驶在马路上，路灯忠实地陪伴你，使你安全地回家。路灯带给你的视觉舒适感受首先来源于路面的亮度比较均匀，然后马路两边的人或物也能看见，使你能了解可能会突发的情况。路灯的照明达到了上述的要求时，它的配光一定是合理的。因此，如果你使用LED路灯时，虽然它拥用较好光色、寿命长、调光功能等优点，它的配光水平仍然是致关重要的。目前，LED路灯刚刚起步，需要不断地完善，无论是路灯的光学结构设计，还是散热技术，都还在不断改进中。LED路灯和使用传统光源路灯的光学设计方式是不同的。传统光源路灯是通过使用反射器将一个光源的光通量平均分配到受照路面上。而LED路灯的光源由非常多个LED组成，通过设计每个LED的投射方向，使受照路面获得均匀的照度。目前，LED路灯在次干路和支路上的应用前景非常好。次干路是城市中与主干路结合组成路网，起集散交通作用的道路。次干路的照度要求达到15lx，照度均匀度0.4，平均亮度要求达到1.0cd/m2，亮度总均匀度0.4，亮度纵向均匀度0.5，阈值增量≤10。达到节能水平的LED路灯，在照明质量达到以上要求的同时照明功率密度应小于国家标准的规定，当车道数≥4条时，照明功率密度≤0.70，车道数4条时，照明功率密度≤0.85。为满足上述要求，LED路灯的配光形状应有严格的要求。在马路的纵向，光束应投射到较远的地方，使得灯具的间距增大。在路灯的下方，光强应是最小的，随着仰角γ增大，光强I′增大。当I′和γ满足一定的函数关系时，路面能得到均匀的照度。此函数关系如下：当然，由于光学设计的复杂性，配光形状难以完全符合此函数关系，可以减小γ角的投射范围，减少灯间距来得到均匀的照度。在马路纵向，最大光强度的投射方向与马路纵线应成一定的角度c，角度c的大小决定于马路的宽度，见图2。在垂直于马路的方向上，路灯的配光曲线形状也可以按这个函数关系设计，γ角的范围决定于马路的宽度(c=90º)和人行道的位置(c=270º)，见图3。目前，在许多工厂设计的LED路灯中也不乏有配光姣好的例子。比如图4是一款120WLED路灯的配光曲线。它的最大光强通过c角15°，γ角57.5°。c=0°、180、15°的配光曲线的形状接近于公式1的函数关系式。此灯具用在四车道的次干路上，双侧对称布置，当灯杆高度为8米，灯具间距30米时，照明质量符合国家关于道路照明标准的要求，结果如表1。其照明功率密度(LPD)是0.70，也达到了对高压钠灯路灯的照明功率密度要求。前面提到过LED光源的半空间发光的特点，LED光源在灯具内使用，光源光通量的损失比高压钠灯或金属卤化物灯少。就目前来讲，LED光源的光效达不到高压钠灯或金属卤化物灯的水平，即相同功率的光源，光通量没有高强度气体放电灯高。但是，由于LED光源的半空间发光的特点，使得LED灯具的光通量输出可以接近于高强度气体放电灯灯具水平。当路灯将光线照射到路面上，光线的投射方向只存在半个空间。高强度气体放电灯的发光空间占据了整个空间，见图5(a)。如果没有灯具，光源的上半空间光线全部浪费。使用灯具，反射器可以将上半空间的光线反射到下半空间内，但反射器对光线的吸收作用，以及光线反射时受到光源自身的遮挡转换成热能，或反射器对光线二次反射的再吸收，光源的一部分光线损失了。灯具效率是反映光源光线损失程度的参数。从小功率高压钠灯路灯(70W~150W)光度性能状况来看，灯具效率一般处于65~75%的水平。以100W高压钠灯为例，也就是说即使光源的光通量达到8000lm，路灯的光通输出有5200lm~6000lm。LED光源在这方面是具有优势的，LED的发光只存在于半个空间，见图5(b)，在不用灯具的情况下，也能将光线100%投射到路面。对灯具需要设计的是在较小的角度范围内改变光线的投射方向，在这个过程中，光的损失是微小的。目前，LED路灯的光效达到了40~50lm/W，以100WLED路灯为例，灯具光通量输出可以达到4000~5000lm。目前，LED路灯才刚刚起步，相信不断地加强设计力量，路灯的配光会更加优化，最后达到完美。目前，LED路灯还不能用于主干路。主干路是连接城市各主要分区的干路，采取机动车与非机动车分隔形式。机动车在主干路上的行驶速度比次干路快，照明水平比次干路高。主干路的照度要求达到30lx，照度均匀度0.4，平均亮度要求达到2.0cd/m2，亮度总均匀度0.4，亮度纵向均匀度0.7，阈值增量≤10。达到节能水平的路灯，应在照明质量应达到以上要求的同时照明功率密度应小于国家标准的规定，当车道数≥6条时，照明功率密度≤1.05，车道数6条时，照明功率密度≤1.25。主干路上大多使用250W或400W高压钠灯路灯，250W或400W高压钠灯的光源光通量达到28000lm(250W)和48000lm(400W)。这种大功率路灯的灯具效率一般在75~85%之间，因此，灯具的光通量输出最低也有21000lm。以一盏250W高压钠灯路灯为例，灯具效率83.5%，配光曲线如图6所示，其最大光强通过c角10°，γ角70.0°。c=0°、180、10°的配光曲线的形状良好。这款路灯可使用在四至六车道的主干路，路面照明质量结果如表2。目前，光通量小是LED路灯不能应用在主干路上的主要原因。不同光通量档次的灯具应使用在不同级别的道路，否则，达不到节能的效果。LED作为新光源，应在照明设备中充分利用它的优点，改善它的缺点。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遇到了困难。各公司目前正在努力解决的课题之一就是“散热”。虽说发光效率越来越高，但LED芯片的发热量仍然很大。如果采取散热措施，LED芯片的温度就会过高、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。LED最重要的性能就是“长寿命”，为了不影响这一指标，就需要设法将芯片上产生的热量散出去。改善LED的发热问题是攻克大功率照明灯具的关键。表2关于LED灯具的节能状况，对于不同的产品应用类型应区分认识。与传统光源相比，白光二极管不如单色光二极管在节能上有突出的贡献。最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，本来是采用低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的交通信号灯中，采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快(纳秒级)，可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。白光二极管灯具的节能主要体现在小功率的、原来使用白炽光源的灯具，比如手电筒、筒灯等。LED路灯一直在不断进步，步子越走越快。希望在不远的将来，LED路灯以优异的表现更广泛出现在城市的脉络中。