LED路燈目前存在的問題及未來的發(fā)展前景

汪飛佳

(寧波路燈管理所，浙江寧波 315000)

1 前言

在當(dāng)前全球能源短缺的背景下，LED路燈作為一種新型的綠色節(jié)能照明產(chǎn)品，在未來將有很好的發(fā)展前景。

LED光源是一種固態(tài)光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、光效高、抗震動、易調(diào)光等特點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，LED的光效在不斷地提高。目前，美國CREE公司實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研發(fā)出光效達(dá)200lm/W以上的LED芯片，真正量產(chǎn)的LED芯片光效有的也達(dá)到了160lm/W以上。將高光效高性能的LED芯片通過合理的配光和散熱設(shè)計(jì)運(yùn)用到道路照明中，與其他普通光源相比較，LED光源節(jié)能效益可觀。

2 LED路燈現(xiàn)狀

近年來，大功率LED路燈的開發(fā)有了一定的進(jìn)步，一些技術(shù)能力強(qiáng)的廠家的LED路燈產(chǎn)品配光設(shè)計(jì)比以前更加合理，散熱設(shè)計(jì)也更加科學(xué)，整燈效能在不斷提高。與傳統(tǒng)光源路燈相比，質(zhì)量過關(guān)的LED路燈在顯色性、節(jié)能、響應(yīng)速度、以及調(diào)光控制等方面都有著突出優(yōu)勢。雖然LED路燈有些方面比傳統(tǒng)路燈有優(yōu)勢，但我們也應(yīng)理性的看待目前市場上的LED路燈質(zhì)量良莠不齊，價(jià)格昂貴，維修麻煩，性價(jià)比不高，而且目前真正解決LED路燈的配光和散熱問題的廠家不多，因此在道路照明中用LED路燈大規(guī)模的替換傳統(tǒng)光源路燈還不現(xiàn)實(shí)。下面我們將從4個(gè)方面對LED路燈進(jìn)行分析，了解LED路燈目前還存在的一些不足和缺陷。

2.1 LED路燈的光效和配光

作為道路照明的產(chǎn)品，LED路燈的光效和配光至關(guān)重要。目前市場上一些國外大廠的LED芯片光效在120－140lm/W之間，而國內(nèi)廠家的LED芯片光效比較低，在80－100lm/W之間。LED芯片光效不等于LED路燈的光效，LED路燈的整燈光效在經(jīng)過燈具光學(xué)系統(tǒng)后存在光損失，所使用的LED控制裝置也存在著系統(tǒng)損耗，一般LED路燈的整燈光效為LED光源光效的70%左右。而目前高壓鈉燈的光效一般為120lm/W左右，高光效高壓鈉燈的光效則可達(dá)到135lm/W。使用高壓鈉燈作為光源的路燈使用曲面反射器來收集光線，使光源發(fā)出的光向所需要的方向照射，一般的傳統(tǒng)光源路燈效率 (燈具發(fā)出的總光通量與燈具內(nèi)的光源所發(fā)出的總光通量之比)為70%－80%左右，配光優(yōu)秀的傳統(tǒng)光源路燈整燈效率在80%以上。兩者相比較而言，現(xiàn)階段LED路燈和使用高壓鈉燈作為光源的傳統(tǒng)路燈的輸出光效差不多，LED路燈沒有特別突出。但目前LED路燈技術(shù)正處在發(fā)展階段，LED芯片光效每年都在提升，相信在不久的將來，LED路燈整燈光效將超過使用高壓鈉燈作為光源的傳統(tǒng)路燈。

一個(gè)路燈要有好的光效離不開好的配光設(shè)計(jì)，使用高壓鈉燈作為光源的傳統(tǒng)路燈如此，LED路燈也是如此。傳統(tǒng)路燈的配光設(shè)計(jì)目前已經(jīng)比較成熟，而LED路燈作為一種新產(chǎn)品，面向市場的時(shí)間比較短，配光設(shè)計(jì)還不夠合理和完善。目前常規(guī)的LED路燈配光設(shè)計(jì)是使用光學(xué)透鏡對LED路燈進(jìn)行二次配光，對LED光源所發(fā)出的光進(jìn)行整形和改變，合理地控制光的分布，避免光的疊加浪費(fèi)，降低光損耗，實(shí)現(xiàn)燈桿之間帶狀光斑的彼此連接，使路燈獲得的配光曲線接近于蝙蝠翼型。但實(shí)際生產(chǎn)的LED路燈光輸出特性還達(dá)不到設(shè)計(jì)所要求的理想狀態(tài)，光學(xué)透鏡的角度設(shè)計(jì)不合理，使得有些LED路燈在道路方向上的光輸出角度有限，造成燈下路面特別亮，兩燈之間由于沒有光的平滑疊加過渡而形成明顯的暗區(qū)——斑馬效應(yīng)，照度均勻度差，無法滿足城市主干道路對路燈光輸出特性的要求。因此，現(xiàn)階段的LED路燈只能在照明級別比較低，對光輸出特性要求不高的次干道、鄉(xiāng)村道路上使用。

2.2 LED路燈的散熱設(shè)計(jì)

一款LED路燈的使用壽命長短取決與它的散熱設(shè)計(jì)的好壞。LED芯片是一種將電能轉(zhuǎn)化成可見光的半導(dǎo)體發(fā)光器件，目前的轉(zhuǎn)換效率還不高，在其工作過程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，LED的光效隨著溫度的升高而下降。如果LED結(jié)溫超過最高允許溫度，LED將會因過熱而損壞，嚴(yán)重影響了LED路燈使用壽命。因此在LED路燈設(shè)計(jì)中，散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

LED路燈熱量的主要傳輸通道為:PN結(jié)-Cu柱-MCPCB-散熱器-空氣 (環(huán)境)。散熱器的設(shè)計(jì)制作是LED路燈散熱設(shè)計(jì)最重要部分。目前LED路燈一般使用鋁合金來制作散熱器，常見的結(jié)構(gòu)形式主要有鰭片式、開放式和熱管這么幾類。鰭片式散熱器有的為鋁壓鑄成型，有的則采用鋁型材擠壓成型，采用鋁型材制作的鰭片式散熱器效果更好，采用鋁壓鑄的鰭片式散熱器根據(jù)燈具外形要求，更容易做造型，但散熱效果不如鋁型材。鋁型材鰭片式散熱器主要材料是6063，熱傳導(dǎo)系數(shù)為201，而鋁壓鑄的鰭片式散熱器主要材料為ADC12，熱傳導(dǎo)系數(shù)只有96，所以一般建議使用鋁型材制作散熱器，散熱效果更好。鰭片式散熱器在設(shè)計(jì)中目前存在著一些問題，包括散熱片面積隨意設(shè)定，散熱片布置方式不合理，強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對流散熱環(huán)節(jié)。開放式散熱器有利于空氣流通，但外界的灰塵雜質(zhì)容易進(jìn)入到散熱器內(nèi)部，從而導(dǎo)致散熱器散熱不暢。采用熱管散熱技術(shù)制作散熱器，散熱效果較好，但工藝復(fù)雜，成本很高，性價(jià)比低。后兩種散熱方式采用的廠家很少。目前大多數(shù)的生產(chǎn)廠家LED路燈的散熱設(shè)計(jì)還不專業(yè)，特別是大功率的LED路燈，對散熱要求特別高，散熱設(shè)計(jì)不合理的話，就嚴(yán)重影響了燈具的使用壽命。有的廠家標(biāo)稱使用壽命達(dá)50000小時(shí)，但散熱不合理的話，可能真正的使用壽命都不到5000小時(shí)。

2.3 LED路燈的使用壽命

雖然LED光源壽命可以達(dá)到50000小時(shí)，但LED路燈不同于LED光源，它是一個(gè)整體，涉及到電子電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)、熱學(xué)等多方面。需要考慮LED光源因?yàn)榻Y(jié)溫過高而失效，還有驅(qū)動電源的使用壽命等。目前市場上性能比較好的驅(qū)動電源的使用壽命在兩到三年左右，所以LED路燈的使用壽命并不能以LED光源的壽命來理解。目前質(zhì)量良好的LED路燈正常使用壽命在20000小時(shí)左右，而一些質(zhì)量不過關(guān)的LED路燈有時(shí)在使用一兩個(gè)月后就因?yàn)樯嵝阅懿?，?dǎo)致光衰嚴(yán)重而不能正常工作，另外一些LED路燈使用的驅(qū)動電源性能不可靠，也直接影響了LED路燈的使用壽命。合理科學(xué)地進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)并使用高質(zhì)量的驅(qū)動是保證LED路燈的使用壽命的關(guān)鍵。

2.4 LED路燈的成本

成本高是目前LED路燈難以大規(guī)模推廣的又一問題。一款采用250W高壓鈉燈作為光源的傳統(tǒng)路燈價(jià)格一般在1000元左右，而一款功率在150W左右的LED路燈價(jià)格在3000元左右，兩燈價(jià)格相差三倍，采用LED路燈一次性投入較大，同時(shí)由于目前LED路燈質(zhì)量良莠不齊，使用壽命相比傳統(tǒng)光源路燈優(yōu)勢不明顯，且可維護(hù)性差，一旦損壞，則要整燈更換，維護(hù)費(fèi)用高。而傳統(tǒng)光源路燈只要更換相應(yīng)的光源或電器即可實(shí)現(xiàn)燈具的再次使用。

3 LED路燈的發(fā)展前景

目前的LED路燈比較適宜安裝在照明級別比較低，對照度要求不高的次干道路、小區(qū)道路和鄉(xiāng)村道路上，可用來替換250W以下的常規(guī)光源路燈，還不能大規(guī)模的用來替換高功率高壓鈉燈等傳統(tǒng)光源路燈，特別是對照度、均勻度要求高的城市主干道上的傳統(tǒng)光源路燈。但是隨著LED路燈技術(shù)不斷完善，LED光源特點(diǎn)的充分利用，LED路燈配光問題和散熱問題的妥善解決，成本的降低，產(chǎn)品質(zhì)量的提高，相應(yīng)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完善，相信不久的將來，LED路燈將替換傳統(tǒng)光源路燈，成為道路照明節(jié)能改造的最佳選擇。

［1］中國建筑科學(xué)研究院．CJJ45—2006城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)．中國建筑工業(yè)出版社，2007年1月．

［2］張萬路等．LED道路照明燈具散熱系統(tǒng)分析．中國照明電器，2009，2．

［3］李秋紅．LED光源在道路照明中應(yīng)用的功效分析［J］．中國市政工程，2009(2)．

［4］劉磊實(shí)，冀曉?。甃ED光源在城市道路功能照明中的試驗(yàn)與分析［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2008，19(4)．