淺析ＬＥＤ光源及其在路燈設計中的應用

王林濤

摘要:LED即為發(fā)光二極管,LED景觀照明已普遍應用,但大功率LED用于道路與隧道照明是目前LED產業(yè)研究的熱點。由于國內LED生產廠家多,良莠不齊,目前尚未有檢測辦法,影響了該產業(yè)的發(fā)展。為此,本文針對LED在道路照明中存在的一些問題進行了簡要的分析,并結合現(xiàn)在很多城市的實際應用情況,對于LED在市政道路上應用存在的優(yōu)勢進行了探討。

關鍵詞:LED路燈照明 問題優(yōu)勢

0 引言

當前,隨著LED照明技術的不斷發(fā)展,主要是以其功率的增加,效率的提高,成本的下降,越來越多的被各類照明工程所采用。LED不但在裝飾性照明領域,在功能性照明領域也已占有一席之地。如信號燈、汽車尾燈、防水防爆型電筒,包括一部分室內照明及道路照明。LED作為一種固體照明光源,以其長壽命、高光效、多光色及一次配光定向照射功能,可在安全低電壓下工作,也可連續(xù)開關閃斷,能輕松實現(xiàn)0~100%調光功能等諸多優(yōu)勢,成為新一代光源的發(fā)展趨勢。

1 LED光源的基本特征

1.1 發(fā)光效率高 LED經(jīng)過幾十年的技術改良,其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明/瓦,熒光燈50～70流明/瓦,鈉燈90～140流明/瓦,大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經(jīng)改良后將達到達50～200流明/瓦,而且其光的單色性好、光譜窄,無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。目前,世界各國均加緊提高LED光效方面的研究,在不遠的將來其發(fā)光效率將有更大的提高。

1.2 耗電量少 LED單管功率0.03～0.06瓦,采用直流驅動,單管驅動電壓1.5～3.5伏,電流15～18毫安,反應速度快,可在高頻操作。同樣照明效果的情況下,耗電量是白熾燈泡的八分之一,熒光燈管的二分之一、日本估計,如采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED替代日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節(jié)約相當于60億升原油。就橋梁護欄燈例,同樣效果的一支日光燈40多瓦,而采用LED每支的功率只有8瓦,而且可以七彩變化。

1.3 使用壽命長 采用電子光場輻射發(fā)光,燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用LED燈體積小、重量輕,環(huán)氧樹脂封裝,可承受高強度機械沖擊和震動,不易破碎。平均壽命達10萬小時。LED燈具使用壽命可達5～10年,可以大大降低燈具的維護費用,避免經(jīng)常換燈之苦。

1.4 安全可靠性強 發(fā)熱量低,無熱輻射,冷光源,可以安全抵摸:能精確控制光型及發(fā)光角度,光色柔和,無眩光;不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質。內置微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強度,調整發(fā)光方式,實現(xiàn)光與藝術結合。

1.5 有利于環(huán)保 LED為全固體發(fā)光體,耐震、耐沖擊不易破碎,廢棄物可回收,沒有污染。光源體積小,可以隨意組合,易開發(fā)成輕便薄短小型照明產品,也便于安裝和維護。

當然,節(jié)能是我們考慮使用LED光源的最主要原因,也許LED光源要比傳統(tǒng)光源昂貴,但是用一年時間的節(jié)能收回光源的投資,從而獲得4～9年中每年幾倍的節(jié)能凈收益期。

2 LED在市政道路照明應用存在的問題

2.1 新興行業(yè)、無專業(yè)規(guī)范、無設備檢測:LED光源在景觀燈上已經(jīng)有了廣泛的應用,而在市政道路應用是一個新興事物,LED代替以往的高壓鈉燈,無規(guī)范可依,現(xiàn)在LED道路照明設計標準參照國家規(guī)定的城市道路照明設計標準CJJ45-2006執(zhí)行。另外LED的檢測還沒有公認的認證機構,檢測設備在重慶大學光電工程學院剛剛研制成功,但尚未進一步推廣,該設備僅能檢測LED好與壞,至于好的程度尚未能檢測,目前LED的好壞只能依靠品牌與信譽來判斷。

2.2 散熱問題:LED的能量一部分轉為光能,還有很大一部分轉為熱能。LED封裝后,散熱能力很差,大功率的LED有很強的散熱要求,因無行業(yè)標準,目前一般認為燈具溫度控制在60度以下即為合格。對于散熱方式,專家建議采用熱導管及結構性自然熱對流技術來降低LED溫度,不主張采用風扇散熱。

2.3 光效低、光衰大:LED理論光效是400LM/W,但目前國內的LED光效只能達到130LM/W左右,LED光效技術上還有待突破,另外質量差的LED光衰很大。

2.4 LED有很強的方向性:由于LED有很強的方向性,大功率LED路燈由很多粒子組成,LED路燈的配光不應是簡單的疊加,應由光源的光學設計和嶄新的燈具設計來達到均勻的光強分布,不同的應用需有不同的光學設計。目前有些路燈生產廠家生產的LED道路燈僅僅是原始燈具與LED光源的簡單疊加,達不到很好的照明效果。

3 LED應用中存在的優(yōu)勢

近一段時期以來,在節(jié)能減排的口號的感召下,各地紛紛上馬LED道路照明項目。但是,在這一功能性要求較高的領域里,LED卻遇很大的阻力,顯然LED路燈在目前的發(fā)展中暴露出它的一些不足。我們不難看到各地LED道路照明項目大多獨立實施,良莠不齊,存在著反復試驗,反復浪費的狀況。如能在行業(yè)內實現(xiàn)信息共享,并出臺一些切實可行的暫行標準,必將對LED路燈的健康、快速發(fā)展起到推動作用。以下,筆者以一個LED路燈的實際項目為例,結合LED本身特點,對LED路燈在發(fā)展過程的利弊作一研判,望能起到拋磚引玉的作用。

作為新興光源,LED正處于飛速發(fā)展的階段,目前大功率白光LED的光效已有100lm/W;而且通過對其發(fā)光機理的研究,可以推算出LED的輻射光效可達350lm/W,還具有很大的發(fā)展空間。LED的特點之一是定向發(fā)光,在實際應用中盡可能使燈具中的LED分別把光線直接射向被照面的各個區(qū)域,配合燈具反射器的輔助配光,得到符合各種需求的精確光分布,因此LED路燈燈具配光設計精準到位是其能否替代傳統(tǒng)路燈的關鍵。

LED無明顯的失效機理,理論壽命可達10萬小時。在泛光照明應用中,通常約定LED輸出光通量衰減到初始值的70%時即為壽命終點,照此現(xiàn)有LED壽命也有5萬小時?？纱蠓鶞p少維護工作,節(jié)約運行成本。

作為半導體光源,LED響應迅速,能在連續(xù)開關閃斷狀態(tài)工作,輕松實現(xiàn)0~100%調光,可與控制系統(tǒng)整合,按需要調整光輸出。

3.1 雖然傳統(tǒng)光源有更高的光效:鈉燈110lm/W,金鹵燈80lm/W。但這類光源應用在道路燈具中時,只有40%的光是直接照射到路面,其它光是通過燈具反射器再投射出燈具。而此類燈具的反射器效率僅為50%~60%,燈具效率一般僅有70%。反射器設計難度大,無法真正滿足配光需求,普遍存在在直接照射方向照度過大,而在兩燈光線交叉處照度過小的問題。

反觀LED路燈,3次配光設計使大部分光是直接投射到路面,燈具整體光效達50lm/W。

3.2 LED光源輸出白光顯色性達65,色溫適中:5000K~6000K,相比鈉燈,光色更為自然。按“中間視覺”理論,白光LED具有較高的中間視覺等效光效,即在中間視覺條件下的亮度提高約40%,而此時“黃光”高壓鈉燈的等效光效要降低約30%。雖然中間視覺理論依據(jù)人眼感官,現(xiàn)在還處于爭議中并無確切的標準,但LED的高顯色性無疑有助于司機及行人識別目標,在同樣的路面亮度下提供更好的通行條件。

3.3 鈉燈與金鹵燈均為高壓氣體放電燈,因故熄滅后熱啟動時間長達5～8分鐘;LED燈具則可工作在連續(xù)開關閃斷的狀態(tài)下。

3.4 LED燈具可實現(xiàn)0~100%連續(xù)調光,可根據(jù)環(huán)境光照及交通狀況靈活調整光輸出,在保證照明質量的同時降低不必要的功耗。采用傳統(tǒng)鈉燈及金鹵燈的路燈,一般只能實現(xiàn)小范圍的調光控制,應用中不可避免的受到其最低工作電壓要求的局限性。

3.5 LED燈具壽命長,在良好的散熱條件下可達50,000小時,光衰小,有效降低維護工作,減少運行成本。

隨著科學技術的迅速發(fā)展,在不久的將來,LED的技術問題會得到解決,在國家綠色照明的政策推動下,相信LED路燈會受到廣泛的關注,并在道路照明中普遍應用。