LED路灯发展现状分析.doc

LED路灯发展现状分析

LED做为路灯的光源，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做为光源，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较大的危害。
夜晚来临，你行驶在马路上，路灯陪伴着你，送你回家。路灯的光线应带给你安全感，首先路面的亮度应比较均匀，然后马路两边应有些亮度，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，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≥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Iʹ增大。当Iʹ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：
I0 = Iʹ · cos3 γ （字母的含义见图1） —— （1）

图1
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。

图2

图3
一个LED路灯的设计需关注的三个重要方面是：一、单个LED封装体的配光形式；二、属于灯具部分的单颗LED光学部件的配光形式；三、灯具内LED安装基板的造型变化造成的光束投射角度的变化。这三个方面相互协调、完全配合才能达到路灯配光的要求。
来看一下以下几情况来了解这三个方面的不同配合形式产生的配光效果。

旋转对称型单个LED，安装在金属平板上。

旋转对称型单个LED光学部件，按装在U型的金属板上。

旋转对称型单个LED光学部件，排列安装在调整成一定角度的灯具构架上。

两面对称型单个LED光学部件，排列安装在金属平板上。

两面对称型单个LED光学部件，排列安装在金属平板上。

两面对称型单个LED光学部件，排列安装在调整成一定角度的灯具构架上。

两个不对称型单个LED光学部件，组合成一个完整的路灯配光

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，结果如下表。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。

路面平均亮度
1.07 cd/m2
亮度总均匀度
0.47
路面的纵向亮度均匀度
0.54
路面平均照度
15.4 lx
路面照度均匀度
0.49
阈值增量
8.9%
前面提到过LED光源的半空间发光的特点，使得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。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，见图5（a）。高强度气体放电的发光空间占据了整个空间，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。从次干路小功率高压钠灯路灯光度性能状况来看，灯具效率一般处于65~75%的水平，也就是说即使光源的光通量达到8000lm（100W高压钠灯），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100%将光线全部投射到路面。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，即100WLED路灯的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，路灯的配光会不断优化，最后达到完美。

(a) 气体放电灯

(b) LED光源
图5
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，马路的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。从照明质量结果看，为达到较好的亮度均匀度和较低的阈值增量，提高了灯具的安装高度。目前，光通量小是LED路灯不能应用在主干路上的主要原因。不同光通量层次的灯具使用在不同层次的道路条件，否则，达不到节能的效果。
表2
车道数：四车道
安装高度：16米，灯间距：36米
车道数：六车道
安装高度：15米，灯间距：30米
路面平均亮度
2.54 cd/m2
路面平均亮度
2.33 cd/m2
亮度总均匀度
0.67
亮度总均匀度
0.69
路面的纵向亮度均匀度
0.86
路面的纵向亮度均匀度
0.87
路面平均照度
34.0 lx
路面平均照度
31.5 lx
路面照度均匀度
0.71
路面照度均匀度
0.84
阈值增量
9.9%
阈值增量
9.7
照明功率密度
1.11W/m2
照明功率密度
0.89W/m2
LED路灯与传统路灯比较，目前尚未能做到的，以及未来LED路灯的展望。
1、在照明器具中嵌入使用LED时，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。如果不采取散热对策的话，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最重要的一大性能指标就是“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。
LED发热量的再利用。
2、与传统光源相比，白光二极管不比单色光二极管在节能上有突出的贡献。