LED路燈質量的評價

鄧云塘

(飛利浦照明(中國)投資有限公司， 上海 200233)

LED路燈質量的評價

鄧云塘

(飛利浦照明(中國)投資有限公司， 上海 200233)

從照明質量和可靠性兩個方面，探討了LED路燈燈具質量的影響因素，并依據道路照明應用標準和燈具失效機制及失效率統(tǒng)計，提出了綜合的LED路燈質量評價是市場推廣值得重視的方向。

照明質量；失效率；結構；綜合評價；LED；路燈

引言

我國政府把半導體照明列入戰(zhàn)略性新興產業(yè)重要組成部分，自2003年啟動“半導體照明工程”以來，國家發(fā)改委、科技部、工信部、住建部等相繼出臺了《半導體照明節(jié)能產業(yè)發(fā)展意見》《半導體照明節(jié)能產業(yè)規(guī)劃》《半導體照明科技發(fā)展規(guī)劃》等多項產業(yè)政策，大大促進了半導體照明產品的質量提升和應用推廣。隨著城市綠色照明的推進，城市新、改(擴)建道路照明中LED路燈應用率不斷攀升，我們相信“十三五”期間LED路燈的市場容量必將大大增長。市場飛速發(fā)展的同時，工程技術、管理人員對該技術了解不足，以及照明應用管理制度建設相對滯后，影響了LED路燈產品市場推廣的健康發(fā)展。

本文從道路照明的建設和使用者、維護管理者的需求角度，結合LED路燈的特性簡述LED路燈質量的綜合評價因素，與市場流行的質量評價有所區(qū)別，與行業(yè)同仁探討。

1 道路照明質量與路燈配光

道路照明首先是服務夜間道路使用者(駕駛員和行人)的，這是建設者規(guī)劃、設計和實施道路照明工程最基本的出發(fā)點，而要充分滿足使用者的需求，最客觀的評價指標就是《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2015)中關于機動車道、交會區(qū)、人行道及非機動車道照明標準值是否達標。

1.1 LED道路照明質量存在的問題

當前導致用戶對LED照明產品產生疑慮的原因主要包括兩個方面：

1)照明工程質量控制有待加強。在新建道路照明項目中，設計、采購和實施嚴格把關的項目滿足道路照明標準往往不是問題，而在城市路燈的EMC改造和PPP項目中，往往會出現(xiàn)以犧牲道路照明水平來換取節(jié)能收益最大化問題。同時由于竣工驗收僅考慮機動車道照度和均勻度水平，則會以下問題的出現(xiàn)：導致失能眩光、環(huán)境比以及縱向均勻度等項目不達標的情況；人行道垂直照度不達標現(xiàn)象也普遍存在。這就導致路面有斑馬線和看不清別人的臉等現(xiàn)象。

2)相較于傳統(tǒng)照明產品，由于LED照明產品發(fā)光機理與傳統(tǒng)光源不同，造成其表面亮度和光譜差異，同時配光設計有些差別，因此引起用戶對于LED路燈的視覺誘導性差以及不舒適眩光顯著等問題的廣泛關注。如此種種，以前采用高壓鈉燈不存在的問題，現(xiàn)在是很多用戶抵觸LED路燈的理由。

1.2 LED路燈配光問題

1)垂直照度問題：LED的光學特點是尺寸小、點光源，非常容易實現(xiàn)精確的配光分布。這就使得產品生產企業(yè)傾向于通過光學設計把盡量多的光分布在驗收考核重點的機動車道，減少在機動車道外的出光量，從而實現(xiàn)更大的節(jié)能，增強產品在項目中的競爭力。

圖1 LED路燈及高壓鈉燈在道路橫向的光分布Fig.1 Light distribution of LED and SON on road transverse direction

圖1(a)(b)和圖2(a)(b)分別是LED路燈和傳統(tǒng)高壓鈉燈路燈在道路橫向和道路縱向常見的光分布。由圖定性可見，傳統(tǒng)高壓鈉燈由于光源尺寸大，放電管長，經反射器后從燈具出射的光分布范圍廣，不僅容易滿足環(huán)境比的要求，也常能滿足人行道上1.5 m高度垂直照度和半柱面照度的標準，從而比較容易實現(xiàn)人臉識別。而LED路燈光分布范圍小，在一定的高度及燈桿后一定的范圍外光分布少，從而造成人行道臉部垂直照度低形成黑臉，而在機動車道上，則常見空間照度低，跟隨在大車后的駕駛員就會發(fā)現(xiàn)行進過程中每經過一個路燈的區(qū)間，大車車廂尾部會明顯的一明一暗的照度變化，見圖2(a)，長時間就會引起視覺疲勞。

圖2 LED路燈及高壓鈉燈在道路縱向的光分布Fig.2 Light distribution of LED and SON on road longitudinal direction

表1定量比較了常見的150W LED路燈與3種250W高壓鈉燈路燈在同一個假定項目中的計算結果，可以發(fā)現(xiàn)無論是在機動車道還是左右兩側3.5 m寬的人行道上，LED路燈的垂直照度都比高壓鈉燈低，甚至遠未達到人流量較低道路人行道最小垂直照度的要求，但人行道水平照度已超過流量較高道路的標準。無論人行道還是機動車道的最小垂直照度位置都在燈桿位置，這是因為該位置上方的燈具直射往下的光線對垂直照度沒有貢獻，如果相鄰燈桿燈具的光照補充不充分，該位置的垂直照度就無法達標，從這個角度而言，路燈在大的垂直角度上的光強是不可缺少的。從照明設計實踐來說，如果找不到合適的產品，可以考慮在單側布燈的項目中采用高低桿設計，增設人行道側的小功率側發(fā)光庭院燈具。

表1 LED與高壓鈉燈的應用計算結果比較

注：表中對應的道路狀況為10 m寬瀝青路面機動車道，左側布燈，桿高10 m，間距30 m，仰角5度，挑臂1 m，維護系數0.7

2)誘導性問題：在道路縱向兩種類型燈具的光分布不同還會在視覺誘導性上有很大的差別，特別是在霧霾天的夜晚，用戶常會感覺鈉燈照明的道路可以提供更好的誘導性。其主要原因是高壓鈉燈更好的誘導性首先來自于它在大的垂直角上的適量光強分布可以比LED路燈讓人在更遠的距離就發(fā)現(xiàn)它的存在，從而可以據此識別道路的線型特征，LED路燈在大垂直角上光截止過于銳利，又多數是平面發(fā)光，離開四五個燈桿距離就看不到發(fā)光面，因此，即使路面亮度并不低，但視覺誘導性差。如果適當保留燈具路側C0～C10平面和C170～C180平面上大垂直角的適當的光強，比如I80，I85，可以提高LED路燈的視覺誘導性(圖3)。

圖3 路燈配光與垂直照度及誘導性Fig.3 Light distribution of road lamp related with vertical illuminance and guidance

3)不舒適眩光問題：LED路燈引起的不舒適眩光取決于觀察角度、距離和燈具表面亮度。對路燈而言，前兩者是固定的，變量是發(fā)光面的表面亮度。在2014年之前，大量使用的大功率LED芯片的表面亮度已是107cd/m2量級，LED路燈燈具在不同視角透鏡表面亮度105～106cd/m2量級，是高壓鈉燈路燈透光罩表面亮度的數倍，現(xiàn)在又比三年前提高了20%。飛利浦亞洲研究院、飛利浦荷蘭研究院和埃因霍溫技術學院的聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，在較短的觀察距離上，高的發(fā)光面亮度引起更大的不舒適眩光[1]，LED的眩光主要影響的是行人和非機動車駕駛員，但機動車駕駛員觀察距離較遠，眩光沒有大的差別。

隨著LED芯片技術的發(fā)展，越來越高光效的芯片進入商業(yè)化應用，特別是道路照明市場。這對節(jié)能和降低道路照明成本帶來了巨大機遇，同時它所引發(fā)的的不舒適眩光問題則日益突出。在同樣的道路同樣的安裝條件下，路燈的光通量是基本確定的，降低燈具表面亮度的方法簡單來說就是通過增大發(fā)光面積來實現(xiàn)。比如出光面增加玻璃將陣列式點發(fā)光改變?yōu)槊姘l(fā)光，同樣是陣列式LED路燈，芯片單顆功率小、顆數多的燈具表面亮度更低。

上面分析了各種照明質量問題的原因來自于LED路燈的配光，但這并不是LED的天生缺陷。LED可以精確配光的光學特性提供了許多可能，其中一個可能就是可以完全滿足所有道路照明指標，目前出現(xiàn)的問題不過是制造商的商業(yè)驅動和用戶的節(jié)能驅動造成的一種現(xiàn)象。LED路燈可以實現(xiàn)道路照明的節(jié)能，但片面強調節(jié)能就會帶來上述后果。

總之，道路照明質量標準是非常綜合的評價體系，片面追求照明節(jié)能必然會犧牲照明質量，如果政策和建設方仍舊片面強調節(jié)能，是不可能解決目前面臨的照明質量問題的；而許多LED路燈的制造商對產品和應用的理解不足，出于商業(yè)目的一味迎合甚至誤導建設方的觀念也是很大的障礙。

2 LED路燈失效機制與結構設計

路燈的維護管理單位從建設方接收項目后，最核心的任務是保證亮燈率和照明水平不低于標準要求，對應的是路燈的失效率和光衰兩個指標，因光衰過大導致照明水平低于應用標準也可以理解為失效的一個類型，但常規(guī)講失效是特指燈具不亮，需要更換和維修。這里主要討論LED路燈的常規(guī)失效機制。

路燈維護管理部門對燈具的期望是高可靠性低失效率從而減少維護頻率，必須進行維護時希望需要更換的部件易拆易裝從而減少高空作業(yè)時間?？傊Ｍ档途S護成本。這就是產品設計努力的方向——提高可靠性，降低維護難度。

2.1 LED路燈失效機制

LED路燈失效而滅燈無非是兩種原因：發(fā)光部件LED芯片損壞，或給LED芯片供電的部件和燈具內電氣回路損壞(不考慮供電線路的問題)。從LED路燈的構成(圖4)來看，多種部件的失效會造成電氣回路不通而滅燈。

圖4 LED路燈構成Fig.4 Structure of LED road lamp

圖5 LED燈具失效原因統(tǒng)計分析Fig.5 Distribution of failures

直接原因比如浪涌保護器(SPD)、驅動電源和印刷線路板本身的損壞，間接原因比如由于密封問題使水汽進入導致的印刷線路損壞、因震動或安裝問題導致的電氣連接松動、因燈體機械強度不夠導致的燈具斷裂等等。

在采用傳統(tǒng)光源的燈具中，易損部件是光源，所以光源的電氣參數和安裝接口的標準化是最基本的要求。但LED燈具的失效機制完全不同，光源(LED芯片)是固態(tài)發(fā)光，特點就是壽命長，可靠性高，往往燈具其他元器件壞了而光源還完好。根據美國Appalachian Lighting Systems, Inc的LED燈具失效統(tǒng)計分析(圖5)，在其7年合計2.12億h的產品使用周期中，累計失效率為5%，其中，由于驅動電源(含浪涌保護器SPD在內的供電部分)損壞導致的占比73%，而LED導致的僅占比7%，甚至比燈具密封問題12%的占比還小[2]。飛利浦照明中國的售后服務部的統(tǒng)計，LED路燈的總體失效率兩年約1%，其中SPD(浪涌保護器)損壞在所有失效燈具中占比約90%，另外10%為驅動電源及其他，LED芯片失效率可以忽略。但某省高速隧道管理部門反饋的統(tǒng)計數據，他們使用的光引擎模塊化(圖4中的方框內的部件組合)LED隧道燈在非完全使用狀態(tài)下四年(四年里陸續(xù)改造使用的20萬套燈具)總的失效率高達30%。

這些的實踐經驗提示我們，延續(xù)傳統(tǒng)燈具的失效機制來設計可替換的光引擎模塊化LED路燈并沒有達到理想中的降低維護成本的目標。

2.2 LED路燈的結構與失效率分析

由于各制造商都不公布自己產品的失效統(tǒng)計和分析，我們并沒有足夠規(guī)模的的統(tǒng)計數據比較模塊化的LED路燈和整體式LED路燈的失效率高低，但我們可以從兩者的結構來分析失效的概率。

整體式LED燈具結構總體分電氣腔和光源腔兩個相對獨立的腔體，分別用硅橡膠密封圈通過機械壓力實現(xiàn)IP65以上的防護等級，以保護腔體內的電器部件和LED及印刷線路板，兩個腔體間的電氣連接也在整體燈具內走線，只有外殼是外露的，因此，發(fā)光部件和供電部件都得到最好的保護，燈具失效完全取決于所采用的部件質量。

光引擎模塊化結構燈具，光學部件與電器部件完全獨立，兩者之間的電氣連接復雜且多數電纜外露，而且多個模塊意味著密封失效的概率增高，故而燈具整體的失效不僅取決于所采用部件的質量，往往還受外界環(huán)境的影響，總體故障率因此會提高，從而增加了維護成本。

將燈具設計成光引擎模塊化的結構，一個原因是考慮光維持率到70%的L70壽命比燈具其他結構件壽命低，在燈體壽命期內可能因為光衰過大需要更換光學模塊。但根據美國能源部文件的預測，設計優(yōu)良的LED燈具現(xiàn)在已遠超5萬h L70使用壽命，2020年產品即可實現(xiàn)近10萬h的L70壽命(表2)[3]。對路燈應用來說，10萬h意味著20年以上的達標使用(每年4 300 h左右使用時間)，這個時間甚至比燈具的燈體壽命還長。事實上，在2014年前的項目中，就有制造商對自己的LED路燈產品提供5萬h的質量延保服務?？梢?，LED的燈具設計完全可以不考慮光引擎模塊的更換和升級需求。

表2 LED燈具使用壽命預測

3 結束語

路燈工程影響深遠，一旦安裝就意味著在以后的長時間用戶都得承受安裝產品的照明質量，不論好與壞；維護管理單位承擔安裝產品失效后的維護，不論多與少。在LED路燈市場大爆發(fā)的應用推廣時期，行業(yè)人員應該對LED路燈可能存在的問題、解決方向和路線有清醒的認識，引導和鼓勵優(yōu)質產品及解決方案的使用。設計和生產過程中，需進行合理的燈具結構設計、嚴格控制照明產品質量；項目設計和采購時，合理根據道路照明安裝條件選擇燈具，在保證機動車道照明質量的同時，還應綜合考慮人行道垂直照度等指標，考慮產品的可靠性和維護的簡便性，從而實現(xiàn)優(yōu)質的照明水平和更低的運營維護成本。

[1] LAI Daisy. INFLUENCE OF LIGHT SOURCE LUMINANCE ON DISCOMFORT GLARE FROM LED ROAD LUMINAIRES//CIE照明質量與能效大會報告.2014.

[2] LED LUMINAIRE LIFETIME: RECOMMENDATIONS FOR TESTING AND REPORTING.DOE，2015.

[3] Energy Savings Forecast of Solid-State Lighting in General Illumination Applications.DOE，2014.

[4] Wout Van Bommel. Road Lighting: Fundmentals,Technology and Application. Springer, 2014.

[5] 城市道路照明設計標準:CJJ 45—2015.北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2015.

第二屆中國舞臺電影電視照明論壇在北京成功舉辦

2017年8月22日，由中國照明學會舞臺電影電視照明專業(yè)委員會、BIRTV組委會共同主辦，廣州市浩洋電子有限公司、北京星光影視設備科技股份有限公司、廣州市歐瑪燈光設備有限公司、浙江大豐實業(yè)股份有限公司、廣州方達舞臺設備有限公司、湖南明和光電設備有限公司協(xié)辦的“第二屆中國舞臺電影電視照明論壇”在北京成功舉辦。有來自全國各省市電視臺、劇院、院團、電影廠、設計院、研究院、大專院校和相關企業(yè)的代表180余位設計師、專家學者等專業(yè)技術和藝術人員參加了會議。

大會在本屆論壇主席、專業(yè)委員會主任王京池主持下拉開序幕，中國照明學會秘書長竇林平，論壇副主席、專委會副主任、廣州市浩洋電子有限公司董事長蔣偉楷，分別代表中國照明學會和論壇協(xié)辦單位先后向大會致辭。中照照明獎演出場所照明工程設計獎的頒獎儀式也在論壇開幕式中進行，竇林平秘書長、專委會副主任秘根杰向獲獎單位代表頒發(fā)了獲獎證書，其中一等獎2項，分別是云南亞廣影視傳媒中心 800新聞綜合演播室和《中國出了個毛澤東》大型實景演出燈光工程;二等獎3項;三等獎5項。云南廣播電視臺燈光科科長秦小剛代表獲獎單位，與大家分享了獲得一等獎的云南電視臺800新聞綜合演播室燈光設計的特點和項目設計的詳細內容。

本次論壇得到了業(yè)界的廣泛關注和企業(yè)家的大力支持，除上述六家企業(yè)成為本次論壇的協(xié)辦單位外，還有五家企業(yè)成為本次論壇的支持單位，他們是飛利浦影視演藝燈光亞洲有限公司、廣東華晨影視舞臺專業(yè)工程有限公司、北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司、廣州市德晟光電科技股份有限公司、上海光傲科技股份有限公司。

論壇共邀請到了國內專家學者的14個演講報告，內容涵蓋了舞臺電影電視燈光技術與藝術的方方面面。在論壇的互動環(huán)節(jié)，與會專家們就自己關心的問題與演講者面對面進行了激烈的思想碰撞。大家探討了如不同LED燈珠顏色的選擇與燈具顯色性的關系、LED光源電腦燈與傳統(tǒng)氣體放電電腦燈的性能對比、各類項目實施中的重難點、燈光藝術人才的培養(yǎng)、燈光控制臺及吊掛設備的技術創(chuàng)新等問題進行了深入的探討。

論壇堅持前瞻性和專業(yè)性的原則，通過搭建溝通橋梁，建立互動平臺，使大家共同分享舞臺影視照明技術的新成果和新理念。通過交流發(fā)展現(xiàn)狀，探討行業(yè)發(fā)展趨勢，提高中國燈光藝術設計水平，推動和引導行業(yè)的正確發(fā)展。

為增加論壇的廣度和交流深度，組委會還組織編寫了論文集一冊。論文集共編入論文30篇。為了增強論壇的實效性，論壇還在會場周邊安排了產品演示，為會議代表直接接觸燈光設備提供了便利，同時也為生產企業(yè)提供了一個很好的展示平臺。

Evaluation of the Quality of LED Road Lamp

DENG Yuntang

(PhilipsLightingCo.Ltd.,Shanghai200233,China)

The article discussed the affecting factors of LED road lighting luminaire quality from aspects of lighting quality and product reliability. According to the road lighting application standards and luminaire failure mechanism plus failure rate statistics, it proposes that comprehensive quality judgement for the LED road lighting should be highly regarded when promoting LED road lighting market by both manufacture and purchaser.

lighting quality；failure rate；structure；comprehensive judgement；LED；road lamp

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.013