LED路灯用于城市道路照明的探讨

LED路灯用于城市道路照明的探讨目前，在城市道路照明中已经不乏LED路灯的身影，但LED路灯的推广还存在着很大的难点，同时又蕴含着巨大的商机，针对这些情况，厦门市光电子行业协会叶荣南教授特别在中国半导体照明网发表文章，进行了深入的分析探讨。一、LED路灯行业现状1、大企业观望、试水，不时推出概念性灯具，但不愿涉水太深；2、大部分小企业由于资金和技术水平的限制，采用“拿来主义”，或抄袭别人的产品；3、业主套用气体放电灯的概念，以为只要一定功率的LED放在灯座里就能满足某种路面照明要求；4、也有少数小企业把LED路灯作为自己的主业，加强科技投入，形成了自有知识产权，并获得了专利，为LED路灯的发展作出了贡献。二、推广LED路灯的难点1、没有涵盖LED特性的路灯技术规范；2、专业部门的思维定势一时难以扭转；3、政策未能及时配合；4、LED路灯成本太高，一次性投入太大；5、人们对LED的认识有个过程，需要一些时间；6、部分专家不看好LED路灯用于主干道，认为为时尚早，在各种论坛、刊物上发表文章，影响很大。三、专家的忧虑1、实用的LED的发光效率比高压钠灯低许多；2、LED路灯的路面照明均匀性差。斑马线现象严重；3、LED散热难解决，发热太厉害，光衰严重，寿命不可靠。4、LED色温太高，刺眼；而高压钠灯色温低，舒适，穿雾能力强。因此有些专家建议：LED路灯只适用于灯杆在8米以下的次干道。主干路宜采用低色温的高压钠灯。四、商机其实，在这一片反对声中也蕴含着巨大的商机：1、性价比：LED的发光效率提高很快，以CREE为例，现在已可供100lm/W的LED灯了，与此同时该灯价格已从去年37元/80lm降至24/100lm元（含税），这种趋势未变。2、绿色大潮流：世界上节能、环保、绿色的大潮流在中国、在照明界也照样涌动，LED路灯将广泛用于城市道路照明，这已是共识。3、时机与功夫：前述质疑并非不能克服，只要加强二次配光和散热的研究，就目前的LED的光效水平就可设计出完全符合现行路面照明标准的LED路灯，而且可以做得更好。关键是要下功夫去做，不要投机取巧。4、机会：在各地观望的状况下，反而给我们提供机遇，有志者可以抢占LED路灯高端产品的高地。5、资金支持：一些行业在不景气的前提下，部分行业业者“转业”；反而给光电产业，给LED行业提供了较充裕的资金支持。五、LED路灯和高压钠灯路灯光效的比较1、两种光源的光效（两者都以平均值计算）（1）LED以Cree为例:标称值1W的产品其光通量已达130lm，我们取色温5000K-6500K的Q4来做比对，其最低光通量为100lm，最高光通量107lm，取其平均值为：103.5lm.。（见表1）。表1CreeLED的色温和光效在工作环境下，其结温可控制在Tj≤75℃。Tj=75℃时：其白光光效下降了15％，即光通量为103.5×85％＝88lm；实际光效为88lm／3.3V×350mA＝76.17lm／W（见图1）。图1LED结温对光效的影响（2）高压钠灯分为普通型，中显色型及高显色型三种；另外功率不同其光效也不同。见表2、表3、表4。表2普通型高压钠灯技术参数功率（W）电特性光通量(lm)平均寿命（h）2000h光通维持率（%）灯端电压（V）熄弧电压(V)电流(A)额定值平均值150100±151161.8140001270018000120009015013500123001800012000250100±151203.025000225002400016000250100±151203.02430021800240001600085－90400+17100-261254.644000400002400016000400100±151254.45427003880024000160001000100±1512810.61200001000018000851000100±1512810.311600010500018000注:1.150-400W的灯：启动试验电压：198V，最大启动时间5s。2.50W、70W内启动型灯：启动试验电压：198V，最大启动时间60s。3.50W、70W及1000W外启动型灯：启动试验电压：198V，最大启动时间10s。4.相关色温：1950K，一般显色指数：23表3中显色性高压钠灯技术参数功率（W）电特性光通量(lm)平均寿命（h）2000h光通维持率（%）灯端电压（V）熄弧电压(V)电流(A)额定值平均值150100±151161.8105009500900080150101009200250100±151202.952000018000120002501940017400400100±151254.5300002700012000400100±151254.4292002620012000注：1.相关色温：2170K，一般显色指数：≥60。2.启动试验电压：198V，最大启动时间5s。表4高显色性高压钠灯技术参数功率（W）电特性光通量(lm)平均寿命（h）2000h光通维持率（%）灯端电压（V）熄弧电压(V)电流(A)额定值平均值150+10100-151301.9660060008000702503.1130001200080004004.922000200008000注：1.相关色温2500K，一般显色指数85。2.启动试验电压：198V，最大启动时间60s。（表2、3、4摘自《电光源实用手册》，北京电光源研究所、北京照明学会编著2005年。）由表中可知：显色性低、色温低、最大光效高达120lm/W；显色性优者，色温稍高，但光效低至40-50lm/W。另外，同一类型的高压钠灯，功率越大，光效越高。我们常说的高压钠灯光效达120lm/W,是指普通型的1000W，外启动式，其额定光通量120000lm，额定光效为120lm/W；为了比对,我们都取平均值，则其平均光通量也只有110000lm，即平均光效为110lm/W。实际上路灯常用的高压钠灯多为400W和250W。就以光效较高的400W为例，其光通量平均值为40000lm，即光效为100lm/W；若以250W为例，其光通量平均22500lm，即光效为90lm/W。2、电路效率影响（1）LED路灯的电源效率可达95%；高压钠灯电源效率仅为85%。（2）LED无需镇流器；而高压钠灯需要镇流器，功耗很大，对于400W钠灯须配34W镇流器。（3）LED无高次谐波；而高压钠灯电路存在着大量的高次谐波，不仅给电网带来威胁，而且对人体健康也有影响。3、路灯灯具效率LED小巧，可以每个LED单独进行二次配光，具有很高灯具光效，达88%左右。高压钠灯灯具效率只有60-70%，取65%。纵上所述，单从灯具光源的照明效率看：Q4级LED：ηL=（103.5lm/1.155W）×85%×95%×88%=63.7lm/W250W高压钠灯：ηN1=90lm/W×85%×65%=49.7lm/W400W高压钠灯：ηN2=100lm/W×85%×65%=55.3lm/W此时Q4LED路灯照射到路面的有用照明光效比400W高压钠灯高15%；这里还不含光衰差别的影响。4、寿命的定义与光通维持曲线作为道路照明我们关心的是路面亮度（或照度）维持率，更重视整个照明过程的照明质量，所以对光源之光通维持率，我们应该十分重视。LED是将光衰至70%定义为其寿命，达5万小时(见图4)；而高压钠灯是将一批光源点亮至50％的数量损坏定义为其寿命，平均可到2万小时，若按高压钠灯的寿命定义来衡量，则LED的寿命远大于10万小时。或者若按LED的寿命或10%数量损坏定义来衡量，则高压钠灯的寿命是很短的，约1万小时。它的2000小时光通维持率仅为85-90%，取中间值为87.5%。此时400W高压钠灯光效为48.4%，250W高压钠灯光效为43.5%。图2LED寿命曲线当高压钠灯工作到其寿命周期中段（1万小时）时，LED的光通维持率达99%（Tj维持在小于75℃状态），而高压钠灯的光通维持率仅达73.4%，此时对于Q4LED的光效为：ηL=63.7lm/WX99%=63.1lm/W而250W高压钠灯为ηN1=49.7lm/WX73.4%=36.5lm/W；400W高压钠灯为ηN2=55.3lm/WX73.4%=40.6lm/W。也就是说在同时启用的状况下，400W高压钠灯的寿命中期（2000小时），其光效已比Q4LED低许多。（约低55%）六、路面照度均匀度比较对于路灯照明，由于路面面积不同，灯杆高度不同，要求有不同的光分布，因此光学配光很重要。LED由于小，且光线为单面射出，比较容易作二次配光设计，来满足路面照明的各项技术要求，尤其是均匀度要求，图3为一款LED路灯的光强分布曲线。高压钠灯由于光源太大，光线四面八方发射，配光一直没有取得关键性突破。图3、LED路灯光强分布图中可看出：该路灯光强分布合理，具有较均匀的路面照明。而高压钠灯是很难做到这个水平的。七、两种光源颜色的比较色温不等同于颜色，同色温的光源并一定光色相同，反之亦是；但是二者有一定的关联，一般来说，对于同一类型光源，其色温越高则光色由暖色调往冷色调变化。1、白光LED的色温从3000多K到2万多K，范围较宽；选用光色和中午日光（TC=4850K）相似的Cree生产的Q4LED（选择色温≦5500K）。作为比较的高压钠灯则采用效率较高的400W、TC=1950K的低显色高压钠灯。光色偏黄，透雾性较好。光源颜色对驾驶员观察舒适度是有影响的，舒适度是一种心理感受。它对驾驶员的影响可用不舒适眩光来表示，用眩光控制等级G来衡量。G=13.84-3.31㏒Ｉ80+1.3（㏒Ｉ80/Ｉ88）1/2—0.88㏒Ｉ80/Ｉ88+1.29㏒F+0.97㏒Lav+4.4㏒h’-1.46㏒P+C对不舒适眩光的影响因素很多，光源的颜色系数C是其中之一；高压钠灯C=0.1,而LEDC=0；二者差别很小。不舒适眩光控制控制等级G按1、3、5、7、9共分为五级，数字越小眩光越厉害；G≥5是可以接受的眩光；两种光源光色对G贡献的差别仅为0.1，“0.1”相对于“5”的影响也只有2％。由上可见：高压钠灯与LED颜色虽然有差别，但对舒适度的贡献差异不大。如果将灯杆高度从8米→9米。则贡献相差是前者的3倍。光源80°方向的绝对光强Ｉ80从30cd/klm降到20cd/klm（这在LED是可以做到的）则对眩光的影响从4.89降到4.31，相差0.58，是这两种光源颜色差别影响的近6倍！2、光源的生物效应复旦大学姚其等人在其“不同光源的人体视觉及非视觉生物效应的探讨”一文中指出：人眼除了锥状细胞（决定明视觉Vλ）和杆状细胞（决定暗视觉Vλ＇）外。还有第三种感光细胞，它对人眼褪黑素起抑制作用，对人体的生物周期起调节作用。据此作者借用了基于相关实验结果定义的C（λ）曲线，定义VX'与VX的光通量比值为S/P值；C（λ）与V(λ)的光通量比值为生理周期影响因子acv值分别列于表5、表6。表5各光源s/p计算值及相应的明暗视觉光效光源3000k卤钨灯3200k荧光灯5400k荧光灯6500k荧光灯2200k高压钠灯3000k金卤灯2800kLED5300kLED11000kLED20000kLEDs/p明视觉光效暗视觉光效1.7115261.2850641.9150962.07501040.65120781.23901111.1750591.8650932.81501412.6750134表6各光源acv计算值光源3000k卤钨灯3200k荧光灯5400k荧光灯6500k荧光灯2200k高压钠灯3000k金卤灯2800kLED5300kLED11000kLED20000kLEDacv0.460.340.710.740.140.350.320.651.131.26从表中可见：色温5300K的LED其s／p值是中显色指数高压钠灯的3倍；（如果是低显色指数高压钠灯则低更多倍）。acv值是4倍。即使按s／p值算，此时的LED比400W高压钠灯又亮了3倍