LED路燈應(yīng)用的可行性分析

郭 磊

（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

目前，資源匱乏、能源緊張已成為全球經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。在供電日趨緊張的情況下，世界各國均不約而同地開始了新型照明光源的探索。LED作為光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長三大優(yōu)勢，理論上可實現(xiàn)只消耗白熾燈10%的能耗，比熒光燈節(jié)能50%；它采用固體封裝，壽命是熒光燈的10倍、白熾燈的100倍；同時，LED光源無紫外光、紅外光等輻射，且能避免熒光燈管破裂溢出汞的二次污染。一位美國專家曾指出，LED半導(dǎo)體已在電子學(xué)方面完成了一場革命，其第二場革命將在照明領(lǐng)域進行；于是，一股LED照明熱潮席卷全球，掀起了照明行業(yè)“第二次革命”，美國、日本、歐洲包括我國均紛紛制訂了自己的“半導(dǎo)體照明計劃”，并由政府部門進行強制照明節(jié)能推動。

道路照明與人們生產(chǎn)生活密切相關(guān)，隨著我國城市化進程的加快，綠色、高效、長壽命的 LED 路燈逐漸走入人們的視野。目前，LED 照明技術(shù)日趨成熟，大功率 LED 光源功效已經(jīng)達到 90lm/W ，城市路燈照明節(jié)能改造成為可能。由于LED接近于點光源的特點決定了其特別適合做定向照明，即通過合理的光學(xué)設(shè)計達到很高的燈具效率與光線利用效率。道路照明屬于定向照明的范疇，即期望光線照射在道路及周邊一定范圍內(nèi)。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的高壓鈉燈，光源本身光效較高，但光源發(fā)光體較大，空間360°發(fā)光，燈具的有效光利用率僅為50%左右。因此，盡管LED目前的光效僅90lm/W左右，比高壓鈉燈的120lm/W低，但做道路照明等定向照明時，通過合理的燈具光學(xué)設(shè)計，使用LED光源的燈具比高壓鈉燈相比擁有更高的光利用率，這就是選用LED光源作為道路照明光源的重要原因。

1 LED道路照明的可行性分析

1.1 基本情況

在某工廠項目的道路照明設(shè)計中，經(jīng)過詳細的方案研究和考察論證，該項目的全廠道路照明光源全部使用了LED光源。項目的基本情況如下：

1） 項目所在地：華北地區(qū)。

2） 全廠道路總長度：約9km。

3） 道路寬度：9m。

4） 路燈燈桿高度：8m。

5） 路燈挑臂長度：單臂1m。

6） 路燈最大間距：30m。

7） 路燈布置方式：單排布置。

作為新型的光源，在工業(yè)照明工程的初步應(yīng)用過程中，必須對其可替代性做出研究，因此本項目的道路照明設(shè)計分別對采用 LED光源和高壓鈉燈光源做出設(shè)計，希望通過兩次設(shè)計的對比，實事求是的得到可行性研究的結(jié)果。表1為設(shè)計數(shù)據(jù)，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可以分別從照度分析和經(jīng)濟性分析得出合理的結(jié)論。

表1 LED光源、高壓鈉燈光源設(shè)計數(shù)據(jù)對比

1.2 照度分析

采用飛利浦Philips Calculux Road軟件對以上路燈設(shè)計進行建模，得到以下照度報告。

圖1 120W LED光源路燈照明照度圖形報告（山平面）

圖2 120W LED光源路燈照明照度圖形報告（顏色填充圖）

圖3 250W高壓鈉燈光源路燈照明照度圖形報告（山平面）

圖4 250W高壓鈉燈光源路燈照明照度圖形報告（顏色填充圖）

根據(jù)軟件分析報告的結(jié)果，可以得到照度值為：120W LED光源路燈，光源高度8m，在30m間距下，對9m寬的馬路，地面最大照度為51.8lux，最小照度為 12.8lux，平均照度為 25lux；250W 高壓鈉燈光源路燈，光源高度8m，在30m間距下，對9m寬的馬路，地面最大照度為 60.3lux，最小照度為12.1lux，平均照度為29.7lux。根據(jù)有關(guān)行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，廠內(nèi)主干道路的地面高度照度不允許低于 10lux，因此無論是 120W LED光源路燈還是250W 高壓鈉燈光源路燈在照度值上都滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.3 經(jīng)濟性分析

根據(jù)表1“LED光源、高壓鈉燈光源設(shè)計數(shù)據(jù)對比”，可以得到如表2所示的經(jīng)濟性分析結(jié)果。

由表2可以看出由于 LED光源的路燈價格較高，其首次采購成本要高出高壓鈉燈光源的路燈40%多，能源消耗費用LED光源不到高壓鈉燈光源路燈的一半，按運行5年考慮，LED光源仍比高壓鈉燈光源總費用要高出近10%。這說明短期內(nèi)LED路燈在性價比上仍舊處于較低水平。然而在關(guān)注經(jīng)濟性的同時，我們也不能忽略節(jié)能減排的硬性需求。從國際環(huán)境看，氣候變化、能源安全等全球性問題凸顯，低碳經(jīng)濟發(fā)展成為戰(zhàn)略制高點。從國內(nèi)形勢看，我國政府承諾到2020年，單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～50%，這也需要付出艱苦努力。同時本行業(yè)確立的減排目標(biāo)也明確指出，“十二五”期間實現(xiàn)節(jié)能總量500萬噸標(biāo)煤，工業(yè)企業(yè)萬元產(chǎn)值綜合能耗下降幅度達到5.8%。從表2可以看出選用LED路燈在5年可以減少二氧化碳排放600余噸，折合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤240余噸，雖然這240余噸與500萬噸的目標(biāo)相差甚遠，然而不積跬步無以至千里，500萬噸的目標(biāo)是由一點一滴的減排積累起來的，選用LED路燈正是其中不能忽視的環(huán)節(jié)。

表2 LED光源、高壓鈉燈光源路燈的經(jīng)濟性對比

2 LED路燈存在的問題

2.1 配光設(shè)計問題

LED路燈的配光設(shè)計，是 LED路燈的難點之一。前面提到過LED光輸出方向性好，在提供更高配光效率可能的同時也對燈具配光部件的設(shè)計及制造提出了更高要求，光學(xué)設(shè)計難度比較大。從圖2和圖4兩幅顏色填充圖可以看出，LED路燈的路面照度均勻度差一些，斑馬效應(yīng)明顯一些，同時在實際應(yīng)用中 LED路燈有較大的眩光。為解決以上問題，實現(xiàn)馬路燈的泛光照明效果，燈具配套了高透光率的玻璃透鏡護罩，并要求發(fā)光角度可調(diào)。

2.2 散熱問題

LED的工作狀態(tài)和散熱設(shè)計不僅直接關(guān)系到LED實際發(fā)光效率，也關(guān)系到實際使用壽命。尤其在大功率LED中，散熱是個不容忽視的問題，當(dāng)上升程度超過最大允許溫度時，LED芯片會因過熱而損壞。目前最常見的散熱方式是對燈具結(jié)構(gòu)散熱片的設(shè)計，以期達到增加熱傳導(dǎo)散熱面積。本項目 LED路燈即采用立筋散熱片設(shè)計，并提出了光源耐受結(jié)溫不低于150℃的要求。這樣即使散熱片上即使有灰塵或落葉的積聚也能保證LED光源的50000h壽命。

3 結(jié)論

本文以某項目的道路照明為背景，對LED光源道路照明應(yīng)用進行了闡述，并與高壓鈉燈光源路燈在各項指標(biāo)下做出對比，對其技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性進行了分析。指出了其在壽命、調(diào)光、光輸出定向性、顯色性等方面的優(yōu)勢，也指出其在配光、散熱、性價比方面存在的問題，并給出一定解決的辦法。LED光源是綠色照明的一顆新星，LED光源技術(shù)方興未艾，發(fā)展迅猛。從趨勢來看，LED光源的價格具有24個月下降一半的特征，另外，理論推導(dǎo)得出LED潛在光效可達370lm/W，去年美國已經(jīng)開發(fā)出160lm/W的產(chǎn)品，可以預(yù)見不遠的將來LED的光效必將大幅提高。價格不斷的下降和效率不斷的提高，使得LED光源無論在一次投資還是節(jié)能減排方面優(yōu)勢愈發(fā)的明顯。筆者希望通過這篇從照明工程可行性分析角度對 LED路燈應(yīng)用加以研究的論文，使同行了解LED光源的設(shè)計特點，促進LED光源在工業(yè)以及民用行業(yè)的更加廣泛應(yīng)用。

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