LED在道路照明中的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢(shì)

葉 峰

(蘇州市城市照明管理處/蘇州市城市照明工程公司，江蘇蘇州 215000)

1 前言

半導(dǎo)體照明是目前被各國(guó)公認(rèn)為的、最有發(fā)展前景的高效照明產(chǎn)業(yè)，被稱作繼白熾燈、熒光燈之后照明光源的又一次革命，代表了世界照明工業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向。半導(dǎo)體照明也稱固態(tài)照明，是指用固態(tài)發(fā)光器件作為光源的照明，包括發(fā)光二極管(LED)和有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED)，具有技術(shù)發(fā)展迅速、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)性強(qiáng)、節(jié)能潛力大的特點(diǎn)。國(guó)家電網(wǎng)能源研究院副院長(zhǎng)胡兆光指出，半導(dǎo)體照明有三大優(yōu)點(diǎn):一是節(jié)能，在同等照明亮度的狀況下，LED燈比白熾燈、熒光燈平均節(jié)電40%至50%以上，且后期維修維護(hù)費(fèi)用極低，安裝使用后3至5年內(nèi)幾乎不產(chǎn)生任何維護(hù)費(fèi)用;二是環(huán)保，該燈不含當(dāng)前市場(chǎng)上普遍銷(xiāo)售的普通節(jié)能燈所含的汞、鉛等有害物質(zhì)及有害氣體;三是使用壽命長(zhǎng)，平均使用壽命可達(dá)5萬(wàn)至10萬(wàn)小時(shí)，是普通燈的3至5倍。正是由于這些特點(diǎn)，半導(dǎo)體照明才被各國(guó)視為最有發(fā)展前景的高效照明產(chǎn)業(yè)。

LED照明產(chǎn)業(yè)作為近年來(lái)新興的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，頗具中國(guó)特色，雖然中國(guó)已成為世界最大的LED市場(chǎng)，也擁有最多的LED企業(yè)和產(chǎn)量，但是核心技術(shù)仍然掌握在外國(guó)人手中，目前我國(guó)綠色照明產(chǎn)業(yè)在政府大力支持和廣闊的市場(chǎng)空間下，LED在應(yīng)用領(lǐng)域尤其在城市照明中，將迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

2 LED照明產(chǎn)品技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 LED照明產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀

目前，半導(dǎo)體照明技術(shù)正處于快速發(fā)展時(shí)期，國(guó)際上大功率白光LED產(chǎn)業(yè)化的光效水平已經(jīng)達(dá)到130lm/W(流明/瓦)，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正向更高光效、更低成本、更多種類(lèi)和更大應(yīng)用范圍方向發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)集中在大功率高亮度LED芯片、藍(lán)/紫光LED和白光LED，技術(shù)創(chuàng)新的速度超過(guò)預(yù)期。2010年，美國(guó)Cree公司大功率白光LED實(shí)驗(yàn)室光效已達(dá)208lm/W，日本Nichia公司的小功率白光LED實(shí)驗(yàn)室光效已達(dá)249lm/W，韓國(guó)首爾半導(dǎo)體光效為100 lm/W的AC LED產(chǎn)品開(kāi)始量產(chǎn) (詳見(jiàn)表1)。

表1 世界主要半導(dǎo)體企業(yè)技術(shù)水平

國(guó)際LED領(lǐng)域的核心專利主要掌握在Nichia、Lumileds、Osram和Cree等幾家國(guó)際大公司手中。我國(guó)在LED產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)方面落后于美國(guó)、日本等國(guó)家，在上游核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面更是有較明顯的差距。

2.2 中國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2010年是我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一年，也是產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大和產(chǎn)業(yè)環(huán)境明顯改善的一年。2010年，我國(guó)半導(dǎo)體照明完全擺脫了金融危機(jī)的影響，在國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)政策和國(guó)際市場(chǎng)需求的雙重拉動(dòng)下，我國(guó)成為全球半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的區(qū)域，其中外延芯片和照明應(yīng)用新產(chǎn)品的發(fā)展最為突出 (詳見(jiàn)表2)。

由表2可知:2010年，我國(guó)半導(dǎo)體照明應(yīng)用的增長(zhǎng)非常突出，應(yīng)用領(lǐng)域的整體規(guī)模達(dá)到900億元，整體增長(zhǎng)率達(dá)到50%;其中，背光應(yīng)用和通用照明應(yīng)用的增長(zhǎng)量最為突出。隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)進(jìn)行以及節(jié)能減排的迫切需求，包含道路照明在內(nèi)的LED通用照明產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大，2010年增長(zhǎng)率達(dá)153%;LED通用照明產(chǎn)品逐步替代白熾燈等低效照明產(chǎn)品已成為大勢(shì)所趨，通用照明將是未來(lái)最具潛力的應(yīng)用領(lǐng)域。

表2 我國(guó)2010年半導(dǎo)體照明產(chǎn)值及增長(zhǎng)率

3 LED路燈應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)LED路燈的應(yīng)用主要分三種類(lèi)型:一種是以“十城萬(wàn)盞”為代表的，包括2010年三部委試點(diǎn)示范工程，由中央部委組織，以推動(dòng)行業(yè)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展為目的的應(yīng)用;另一種是地方政府大力推動(dòng)，以拉動(dòng)地方產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)為目的的應(yīng)用，如廈門(mén)、揚(yáng)州等地大規(guī)模LED照明產(chǎn)品的應(yīng)用。還有一種是各地照明管理部門(mén)嘗試性的應(yīng)用。

對(duì)于第一種類(lèi)型在整個(gè)行業(yè)中影響力可謂聲勢(shì)浩大，但是其推動(dòng)作用則不足，主要原因是應(yīng)用規(guī)模的大小完全取決于地方財(cái)力。LED路燈算不上奢侈品，但也絕對(duì)算不上是大眾化的產(chǎn)品。對(duì)于常規(guī)路燈而言，如飛利浦、GE等國(guó)際名牌的本地化產(chǎn)品，一般150～400W的燈具價(jià)格在1500～2500元范圍，而LED超過(guò)100W的產(chǎn)品一般價(jià)格在3000～5000元，功率越大價(jià)格越高，200W以上的，甚至要7000～8000元。以一個(gè)燈盞數(shù)在10萬(wàn)盞的中型城市而言，且不論照明質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量如何，僅燈具主材一項(xiàng)，就要5億元左右，這么大的投入不是一般城市能夠承受的。因此，對(duì)于這種類(lèi)型的應(yīng)用，往往是響應(yīng)積極，落實(shí)寥寥。由于這種類(lèi)型的應(yīng)用是面向全國(guó)開(kāi)放的，因此參與的企業(yè)面廣量多，經(jīng)過(guò)激烈競(jìng)爭(zhēng)，其入圍或中標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量水平相對(duì)而言較高。

第二種類(lèi)型主要以國(guó)家科技部在廈門(mén)、南昌、深圳、揚(yáng)州、石家莊等半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化基地為代表，地方政府出于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的目的，招商引入半導(dǎo)體照明企業(yè)，作為扶持政策或附加條件，積極在當(dāng)?shù)赝茝VLED路燈的應(yīng)用。地方政府的大力推動(dòng)，對(duì)產(chǎn)品應(yīng)用推廣的力度是不言而喻的，這類(lèi)城市的應(yīng)用數(shù)量是最大的，應(yīng)用份額甚至能超過(guò)傳統(tǒng)路燈。但由于對(duì)當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的保護(hù)，產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)是不充分的，局限于幾家落戶當(dāng)?shù)氐腖ED照明企業(yè)，產(chǎn)品的價(jià)格與質(zhì)量水平相對(duì)而言難以得到保證。

第三種類(lèi)型是目前在全國(guó)范圍內(nèi)最普遍的，出于對(duì)城市照明系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，以及受現(xiàn)在LED路燈如火如荼的形勢(shì)影響，各地照明管理部門(mén)，或多或少會(huì)對(duì)LED路燈作些樣燈測(cè)試和嘗試性的應(yīng)用，少則幾十盞，多則幾千盞。由于各地照明管理部門(mén)技術(shù)水平和企業(yè)市場(chǎng)渠道的不同，這一類(lèi)應(yīng)用最是千差萬(wàn)別良莠不齊?？偟膩?lái)說(shuō)，地方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的、技術(shù)力量較強(qiáng)的城市，其LED產(chǎn)品的性價(jià)比會(huì)好一些。

4 LED大功率路燈推廣應(yīng)用存在的問(wèn)題

為了進(jìn)一步了解大功率LED路燈的特性，正確了解LED產(chǎn)品的性能和質(zhì)量水平以及在推廣運(yùn)用中還存在的問(wèn)題，我們對(duì)不同廠家的產(chǎn)品做了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和比較，測(cè)試是在車(chē)流量少、環(huán)境照度低，光干擾少的相同路段進(jìn)行，每月跟蹤測(cè)試。通過(guò)近三年來(lái)的測(cè)試、應(yīng)用和總結(jié)分析，表明大功率LED光源技術(shù)已可以適當(dāng)?shù)貞?yīng)用在城市道路的功能照明中，但還存在四方面的問(wèn)題有待于解決。

4.1 照明質(zhì)量方面

與同功率的高壓鈉燈比，測(cè)試的LED路燈的平均照度還是相對(duì)較低，因?yàn)槟壳癓ED的光效 (70～90lm/W)還無(wú)法超過(guò)高壓鈉燈 (100～140lm/W)，光通量低則必然照度值低。但部分產(chǎn)品的照度已達(dá)到國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)次干道的要求，可應(yīng)用在實(shí)際道路中。

LED路燈是由多顆LED光源組成，LED光源又有很強(qiáng)的定向性能，但光源的投射距離有限，造成燈下亮、兩燈之間暗，照度均勻度差的現(xiàn)象。有些廠家的燈具應(yīng)用了特殊的光學(xué)透鏡進(jìn)行二次配光，均勻度有了大幅提高，已達(dá)到道路照明配光需求，但也有一定的缺陷，光束均投射到車(chē)行道，未考慮燈后的人行道，造成燈后區(qū)域基本沒(méi)有照度，道路照明的環(huán)境比很差。

有的產(chǎn)品因未做二次配光，因LED光源的定向照射特性，其燈下照度較高，但隨著距離的延伸照度下降很快，水平照度均勻度很差，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)在兩燈之間會(huì)造成明顯暗區(qū)，形成明暗相間的斑馬紋，而且燈具產(chǎn)生的眩光嚴(yán)重。

4.2 產(chǎn)品質(zhì)量方面

產(chǎn)品質(zhì)量一是壽命、二是效率。

對(duì)于壽命，LED光源的壽命可達(dá)5～10萬(wàn)小時(shí)，但LED路燈是一個(gè)系統(tǒng)的集成，影響其壽命的因素很多，如封裝工藝、LED顆粒的組合方式、散熱方式、驅(qū)動(dòng)電源等。若封裝不好，燈腳接觸不良，造成結(jié)溫升高，將大大影響光源壽命。

大多測(cè)試燈具采用的散熱方式是通過(guò)燈具結(jié)構(gòu)散熱片的設(shè)計(jì)，以期達(dá)到增加熱傳導(dǎo)散熱面積。但由于道路照明的應(yīng)用環(huán)境一般都比較惡劣，塵埃較大，且金屬表面腐蝕氧化造成散熱片高低不平，長(zhǎng)期使用，散熱片之間難免積聚灰塵，必然在一定程度上影響燈具散熱，導(dǎo)致燈具內(nèi)部溫度很高，從而導(dǎo)致LED路燈使用實(shí)際壽命的明顯縮短。

驅(qū)動(dòng)電源是由各種電子元件組成，而電子元件自身的壽命、穩(wěn)定性直接影響到驅(qū)動(dòng)電源整體的壽命，有些電子元件的壽命就達(dá)不到5萬(wàn)小時(shí)，國(guó)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電源的壽命也只有2萬(wàn)小時(shí)。本次測(cè)試就有一測(cè)試燈具運(yùn)行未到二個(gè)月，就因驅(qū)動(dòng)電源的損壞而熄燈。因此選擇可靠的驅(qū)動(dòng)電源也是關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期各種類(lèi)型的測(cè)試，各企業(yè)的產(chǎn)品可謂千差萬(wàn)別。有的能很好地控制光衰，有的則表現(xiàn)很差。實(shí)際應(yīng)用中我們測(cè)試燈具的光照度年衰減達(dá)到5%～20%的都有。一般而言，其光衰情況比廠家所宣稱的要差很多。由于LED產(chǎn)品更新快，理論壽命長(zhǎng)，大部分光衰只能通過(guò)短時(shí)間測(cè)試后推算出來(lái)，無(wú)法真正實(shí)測(cè)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性也不得而知。

對(duì)于效率，其一是LED的光效，日前在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的LED單顆粒光效，國(guó)產(chǎn)顆?；臼?0—70lm/w、國(guó)外的可以做到70～90 lm/w，而高壓鈉燈光效在120～140lm/w左右。因此LED光源要真正做到替換高壓鈉燈，成為比高壓鈉燈更節(jié)能綠色的產(chǎn)品，還有待于其本身光效的提高，彌補(bǔ)光源總光通量不足的缺陷。

其二是LED燈具的效率，有的燈具采用光學(xué)透鏡二次配光，有的則采用傳統(tǒng)的配光器，不同的配光方式將大大影響燈具的出光效率。另外，燈具的IP特性也對(duì)燈具效率有一定的影響。

其三是LED驅(qū)動(dòng)電路的效率，根據(jù)LED光源的特點(diǎn)，LED驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該呈現(xiàn)恒流特性，如果驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，驅(qū)動(dòng)電路本身都會(huì)消耗很大的有功功率，將使轉(zhuǎn)換效率下降。

4.3 價(jià)格成本方面

LED的價(jià)格成本是其軟肋，目前30元左右/W的市場(chǎng)價(jià)，令LED燈具的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)路燈，由于其結(jié)構(gòu)目前大都屬于整體式，其維修的價(jià)格成本也是居高不下。傳統(tǒng)路燈 (包括國(guó)產(chǎn)品牌和國(guó)際品牌的本地化產(chǎn)品)新燈及附件市場(chǎng)參考價(jià)格(RMB元)如表3。

表3 傳統(tǒng)路燈新燈及維修元器件市場(chǎng)參考價(jià)格 (元)

而LED的價(jià)格大約是30元/W，100W左右的整燈在3000～4000元，200W左右的整燈在5000～7000元，目前大多數(shù)燈是整體式的，故障后只能整體更換，維修成本很高，也很不便利?，F(xiàn)在有部分企業(yè)在做模塊化的LED器件，每條30W價(jià)格在300～500元，驅(qū)動(dòng)電源的成本大概在500～1000元左右，其壽命也并不比傳統(tǒng)路燈的元器件長(zhǎng)。

4.4 維護(hù)便利性

因影響LED路燈燈具的壽命有多種因素，要達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)免維護(hù)較難。而高壓鈉燈光源壽命可達(dá)2.4萬(wàn)小時(shí)，鎮(zhèn)流器的壽命更是超過(guò)了5萬(wàn)小時(shí)。目前LED路燈燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均為一體化設(shè)計(jì)，無(wú)論是LED燈具損壞還是驅(qū)動(dòng)電源故障，一旦有問(wèn)題則必須整體拆除更換，維護(hù)工作量大、費(fèi)用高，而高壓鈉燈僅需更換燈泡或觸發(fā)器，維護(hù)工作量較小、費(fèi)用小。由于LED的技術(shù)發(fā)展速度很快，廠家的產(chǎn)品也會(huì)隨著更新?lián)Q代，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也因無(wú)標(biāo)準(zhǔn)約束而不同，可替換性較差，造成備品備件無(wú)法保證，給運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)較大困難。

5 結(jié)論與發(fā)展趨勢(shì)展望

我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境非常有利于LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。多年以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)一直保持較高的增長(zhǎng)率，為L(zhǎng)ED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)民收入的增長(zhǎng)，對(duì)LED照明的承受能力也在不斷增強(qiáng)，為我國(guó)LED的大范圍應(yīng)用奠定了良好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段的大功率LED路燈，作為新興光源，部分產(chǎn)品已可以應(yīng)用到實(shí)際中，體現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，成為新一代光源的發(fā)展趨勢(shì)。但仍需解決其性能不穩(wěn)定，節(jié)能、壽命與理論相差太大，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，互換性差，價(jià)格高，維護(hù)成本高等問(wèn)題。燈具廠家還需要根據(jù)LED光源的特性和道路照明產(chǎn)品的運(yùn)用特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，在滿足照明質(zhì)量的前提下，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命，降低產(chǎn)品成本，形成標(biāo)準(zhǔn)系列，便于產(chǎn)品維護(hù)更新，屆時(shí)在城市照明中的推廣運(yùn)用也將是水到渠成的事了。

所以LED目前更適宜于做試點(diǎn)示范形式的應(yīng)用，隨著產(chǎn)品性能的不斷提高，價(jià)格不斷下降，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格的逐漸規(guī)范統(tǒng)一，逐步擴(kuò)大應(yīng)用分額。以目前LED發(fā)展的技術(shù)成果和進(jìn)度趨勢(shì)而言，LED產(chǎn)品在道路照明中的應(yīng)用份額的增加，是勿庸置疑的。但是其份額增加的速率是和產(chǎn)品的照明質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量、價(jià)格、應(yīng)用的便利性密切相關(guān)的。

從應(yīng)用的角度來(lái)看LED的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面:(1)性能的提高，LED的光效目前還沒(méi)有超過(guò)鈉燈，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到理論上的300lm/W，光通量是硬道理，沒(méi)有亮度和照度，無(wú)論是中間視覺(jué)或是其他的什么理論，都無(wú)濟(jì)于事。(2)壽命的延長(zhǎng)，這個(gè)壽命是有效壽命的概念，也是整燈壽命的概念。既要確保亮燈時(shí)間，更要保證光衰在30%以內(nèi)。雖然和傳統(tǒng)路燈一樣，不是要求所有元器件壽命作為整燈壽命，但只有易更換部件才可以例外。(3)價(jià)格的下降，以現(xiàn)在LED的價(jià)格，其性價(jià)比遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)路燈，如果按照相同照明質(zhì)量來(lái)衡量LED和傳統(tǒng)鈉燈，則沒(méi)有一個(gè)EMC項(xiàng)目能夠贏利，也沒(méi)有多少城市能夠用得起。因此必須要通過(guò)技術(shù)的革新和規(guī)?；纳a(chǎn)來(lái)降低成本。 (4)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，LED光源有具結(jié)構(gòu)方式靈活的優(yōu)點(diǎn)，但在道路照明應(yīng)用中，這就未必是優(yōu)點(diǎn)。一有故障就要整燈更換，各家自定規(guī)格不能通用，都造了維護(hù)工作的不便，讓使用者望而卻步。只有通過(guò)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，一則可以加強(qiáng)專業(yè)分工，二則有利于應(yīng)用推廣。

［1］陳炳欣.中國(guó)“十二五”期間半導(dǎo)體照明發(fā)展部署.半導(dǎo)體照明，2010年11月刊.

［2］萬(wàn)小妹.LED行業(yè)上中下游的思考.高工LED，2010年11月刊.

［3］半導(dǎo)體照明科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃.

［4］國(guó)家半導(dǎo)體照明研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展年鑒 (2008—2009).北京新材料科技促進(jìn)中心編，機(jī)械工業(yè)出版社，2009年4月第一版.

［5］仇衛(wèi)平.國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)新變化對(duì)我國(guó)出口貿(mào)易的影響與應(yīng)對(duì)措施，現(xiàn)代財(cái)經(jīng)，2010年第5期.