摘要：LED路燈與以高壓鈉燈為代表的傳統路燈比較，具有光效高、能耗低、瞬時(shí)啟動(dòng)、壽命長(cháng)、顯色性好、結構牢固和便于調光等優(yōu)勢，但價(jià)位偏高，目前在技術(shù)上尚未成熟，在光學(xué)設計、散熱和驅動(dòng)電路等方面存在一些技術(shù)難點(diǎn)有待解決。

　　關(guān)鍵詞：LED路燈；高效節能；散熱、光學(xué)設計與驅動(dòng)電路；技術(shù)關(guān)鍵

　　道路照明屬于公共照明，由政府所掌控。由于LED具有高效、環(huán)保、節能和壽命長(cháng)等特點(diǎn)，LED光源可以率先在道路和隧道照明中應用。

　　用于道路照明的燈具，被稱(chēng)作路燈。以L(fǎng)ED作為光源的道路照明燈具，則稱(chēng)作LED路燈。LED路燈的核心是LED光源。LED路燈光源，是由許多大功率白光LED通過(guò)混聯(lián)方式連接而成的。LED路燈燈具除了LED模組之外，還包括驅動(dòng)電源、光學(xué)元件及散熱裝置等。

　　一、道路照明的發(fā)展現狀

　　當人們有了夜晚出行的需求時(shí)，便出現了道路照明。近代道路照明始于白熾燈的出現。道路照明是隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步和人們生活水平的不斷提高而發(fā)展的。從人們僅要求照明路面察覺(jué)道路的情況，到幫助人們識別道路是行人還是障礙物，再到幫助機動(dòng)車(chē)和非機動(dòng)車(chē)駕駛者辨別行人的特征等。

　　道路照明的根本目的是在于為駕駛員和行人提供良好的視覺(jué)條件，指引他們行進(jìn)，以便提高交通效率，降低夜間的交通事故和犯罪，同時(shí)幫助行人看清周?chē)�環(huán)境，辨別方向。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們在夜間到戶(hù)外休閑、購物、觀(guān)光等活動(dòng)越來(lái)越多，良好的道路照明也起到豐富生活、繁榮經(jīng)濟和提升城市形象的作用。

　　按照照明的觀(guān)點(diǎn)，道路可分為四大類(lèi)：汽車(chē)專(zhuān)用道路、一般街道、商業(yè)街及人行道。通常所講的道路照明，乃指汽車(chē)專(zhuān)用道路照明。在道路照明的諸多目的中，為機動(dòng)車(chē)駕駛員提供安全舒適的視覺(jué)條件是第一位的。

　　道路照明光源最早是路燈，后來(lái)相繼出現了高壓汞燈、高壓鈉（HPS）燈和金屬鹵化物燈、高效節能燈、無(wú)極燈及LED燈等。在目前比較成熟的路燈光源中，HPS燈的光效最高，一般達100~120lm/W，在目前的中國整個(gè)道路照明市場(chǎng)（擁有量約1500萬(wàn)盞）上，高壓鈉燈占據60%以上的份額。而在一些社區和鄉村道路上的照明光源主要是電子節能燈（CFL），約占道路照明市場(chǎng)20%的份額。傳統白熾燈和高壓汞燈，正在逐步被淘汰。

　　LED照明是一種節能環(huán)保照明。LED道路照明示范正在全球展開(kāi)，中國大陸成為先行者，臺灣地區居次。在2009年4月28日，國家科技部正式發(fā)文[國科發(fā)高（2009）189號]，在天津、石家莊、大連、上海、杭州、廈門(mén)、南昌、成都、西安、重慶、深圳、東莞和山東濰坊等21個(gè)城市開(kāi)展“十城萬(wàn)盞”計劃試點(diǎn)工作，LED路燈以其突出的示范效應成為各類(lèi)半導體照明技術(shù)中的一大亮點(diǎn)。

二、LED路燈的優(yōu)勢

　　與以高壓鈉燈為代表的傳統路燈比較，LED路燈具有很多顯在和潛在的優(yōu)勢。

　　（1）光效高，能耗低

　　目前大功率白光LED的光效已超過(guò)100lm/W，科銳（Cree）、歐司朗（Osram）光電半導體等公司的大功率白光LED的實(shí)驗室水平早在2009年年初就達160lm/W。根據美國能源部（DOE）預測，到2020年前后，大功率LED商業(yè)產(chǎn)品的光效可以達到165lm/W，實(shí)驗室樣品光效可以達到230lm/W。到2020年之后，LED光效基本不再會(huì )有大的提高，將進(jìn)入一個(gè)遲緩期。

　　在道路照明方面，高壓鈉燈因為其光效可達到120lm/W而占主導地位。但是，隨著(zhù)LED光效的不斷提高，高壓鈉燈路燈的壟斷地位岌岌可危。目前在次干道上使用的150W以下的LED路燈，已體現出明顯的節能優(yōu)勢。

　　傳統路燈光源一般向整個(gè)空間發(fā)光，但需要路燈照亮的只是行車(chē)和行人的路面，因此在路燈燈具設計時(shí)，為了盡可能地使燈光均勻并集中地投射到路面上，需要使用曲面反射器來(lái)收集光線(xiàn)，使其向所需要的方向照射。在光線(xiàn)傳播過(guò)程中，由于光源的阻擋和反射面的吸收而損失，致使路燈的出光效率僅為65%~70%。反觀(guān)LED路燈，因其具有良好的方向性，在采用二次光學(xué)透鏡時(shí)，燈具效率可達80%左右。如果再進(jìn)行三次光學(xué)設計，燈具的出光效率可達85%~90%。

　　表1列示了某一400W的高壓鈉燈與一盞250W的LED路燈燈具效率及路面利用率等參數比較。

表1   400W高壓鈉燈與250W的LED路燈參數比較

　　事實(shí)證明，用配光科學(xué)合理的100W的LED路燈替代次干道上使用的250W的高壓鈉燈路燈，不僅能達到道路照明標準要求的平均照度，而且均勻度也得到大幅提高。而高壓鈉燈路燈的平均照度局部區域可能較高，但均勻度卻很差。由此可見(jiàn)，LED路燈具有相當大的節能空間。

　　高強度放電（HID）燈路燈，一般只能在小范圍內進(jìn)行調光，而LED路燈可以實(shí)現從0%~100%范圍內的調光控制，可以根據環(huán)境光照和交通狀況靈活調節光輸出，在保證照明需求的情況下降低不必要的能耗。由此可見(jiàn)，對于占總照明用電量約為15%~20%的道路照明來(lái)說(shuō)，大規模地推行LED路燈，對于節能降碳具有重要意義。

　　（2）使用壽命長(cháng)

　　路燈的壽命直接影響整個(gè)道路照明的維護成本。目前高壓鈉燈的壽命一般為2萬(wàn)小時(shí)左右，道路照明用高壓鈉燈的使用壽命僅約5000小時(shí)，而大功率LED的壽命一般達5~7萬(wàn)小時(shí)。

　　高壓鈉燈和LED的平均壽命定義是不同的。高壓鈉燈的平均壽命定義為“將一批受試光源樣品點(diǎn)燃至50%數量損壞時(shí)的時(shí)間”，而LED的平均壽命則是指“將一批受試樣品點(diǎn)燃至50%數量的光衰至70%的時(shí)間”。

　　若按高壓鈉燈的壽命定義來(lái)衡量LED，壽命為5萬(wàn)小時(shí)的LED則可達10萬(wàn)小時(shí)；若按LED的壽命定義來(lái)衡量高壓鈉燈，壽命為2萬(wàn)小時(shí)的高壓鈉燈僅約1萬(wàn)小時(shí)。

　　當然，LED的壽命并不是LED路燈的壽命。LED路燈的壽命是由LED光源壽命和驅動(dòng)電路的壽命共同決定的，而LED及其驅動(dòng)電路的壽命取決于燈具的散熱能力、電路拓撲結構及其電子元器件的選擇等多種因素。從目前的技術(shù)水平看，LED路燈的壽命可以超過(guò)高壓鈉燈路燈。

　　（3）顯色性好

　　雖然在傳統光源中高壓鈉燈的光效最高，但其顯色性最差，顯色指數Ra僅約20。如此差的顯色性只能幫助人們察覺(jué)道路狀況，并不能幫助行人清晰辨別。而LED的顯色指數可達80左右，基本上接近自然光，對顏色的呈現更為真實(shí)，更能夠反映出物體本身的顏色。LED的高顯色性無(wú)疑有助于司機和行人識別目標，在同樣的路面亮度下提供更好的通行條件。

　　（4）快速啟動(dòng)

　　白熾燈一點(diǎn)即亮，但實(shí)際上的啟動(dòng)時(shí)間約0.1~0.2秒。高壓鈉燈和金鹵燈等氣體放電燈從啟動(dòng)到穩定光輸出需要幾十秒乃至十分的時(shí)間，在關(guān)閉后需等待3~6分鐘冷卻后方可啟動(dòng)。而LED的啟動(dòng)時(shí)間僅為幾十鈉秒（ns），也不存在重新啟動(dòng)的等待時(shí)間，LED燈具可以正常工作在連續開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。

　　（5）便于光學(xué)設計

　　LED體積小，可以在半平面上定向發(fā)光，在燈具設計時(shí)可以將其近似視為是點(diǎn)光源，非常適合于采用透鏡或反射器來(lái)進(jìn)行光學(xué)設計，獲得比較理想的配光，實(shí)現較高的燈具效率。

　　（6）造型可塑性強，結構牢固

　　LED路燈燈具的造型可塑性強，可以通過(guò)造型設計來(lái)體現裝飾性和地方人文特色，增添美感和城市意象的附加價(jià)值。

　　LED是一種固態(tài)光源，不含玻璃和燈絲等易損壞部件。LED燈具通過(guò)合理設計，在結構上可以做得非常牢固。

　　（7）低碳環(huán)保，尤其適合采用太陽(yáng)能光伏技術(shù)

　　高壓鈉燈等氣體放電燈含有汞等有害物質(zhì)，光源廢棄后會(huì )對環(huán)境和水源造成長(cháng)期嚴重污染。LED芯片及其封裝可以滿(mǎn)足歐盟RoHS指令要求，不含汞和鉛等有害物質(zhì)。LED廢棄后可以回收利用，不會(huì )對環(huán)境造成污染。

　　LED直流驅動(dòng)之特點(diǎn)，尤其適合采用太陽(yáng)能光伏技術(shù)和風(fēng)光互補技術(shù)應用于道路照明，從而實(shí)現真正意義上的節能環(huán)保照明。

　　（8）具有潛在總成本優(yōu)勢

　　目前LED路燈燈具單價(jià)比高壓鈉燈路燈高4倍以上。一盞250W的LED路燈功效相當于400W的高壓鈉燈路燈，但前者價(jià)格為6000~8000元，后者僅為1500元。但是，LED路燈的高光效和長(cháng)壽命特點(diǎn)只要能夠充分發(fā)揮，可以依靠節約的電費和維護費用收回初始成本的差價(jià)。隨著(zhù)LED路燈技術(shù)的逐漸成熟和初始成本的不斷降低，其在總成本上的潛在優(yōu)勢用不了多長(cháng)的時(shí)間就會(huì )顯現出來(lái)。

三、LED路燈目前存在的問(wèn)題

　　雖然LED路燈與傳統路燈比較具有一些優(yōu)勢，但由于LED路燈的發(fā)展時(shí)間很短，目前仍處于試驗和探索階段，有一些LED路燈在示范應用中出現了諸多問(wèn)題，并沒(méi)有達到人們預期的效果。

　　目前LED路燈存在的不同程度的問(wèn)題表現為：

　�。�1）實(shí)際發(fā)光效率低于高壓鈉燈路燈，在照明效果上路面亮度偏低，均勻性差，“斑馬效應”比較明顯，只能滿(mǎn)足照明級別比較低的道路，例如燈桿在8米以下的次干道。

　�。�2）色溫過(guò)高，刺眼，無(wú)舒適感

　�。�3）散熱性能差，溫升過(guò)高，致使光衰比較嚴重，可靠性變差。

　�。�4）驅動(dòng)電源性能差，故障層出不窮，從LED路燈早期失效的情況下，有95%以上的故障都是由驅動(dòng)電路損壞所致。

　�。�5）成本太高，一次性投入太大，成為推廣應用的一大瓶頸。

　�。�6）由于尚無(wú)統一的LED路燈技術(shù)標準，不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品通用性極差，維護十分困難。

　　出現上述這些問(wèn)題的原因很多，既有技術(shù)層面上的因素，也有思維定勢等方面的影響。

　　事實(shí)上，LED路燈是一個(gè)系統工程。由于LED光源與高壓鈉燈本質(zhì)不同，在設計方法上LED路燈與傳統路燈是截然不同的。設計人員除了燈具的設計經(jīng)驗外，還需要對LED的性能有一個(gè)全面而深入的了解。有些路燈生產(chǎn)廠(chǎng)家在還不甚了解LED道路照明制作要求和特點(diǎn)的情況下，沿用傳統路燈設計思路來(lái)設計LED路燈，在造型上仍采用常規“蛇頭”外形，套用氣體放電燈的概念，認為只要將一定功率的LED排放在燈座中就可以滿(mǎn)足路面照明要求。按照這樣的思路設計和生產(chǎn)的LED路燈，不可能做到實(shí)用化。

四、LED路燈需要破解的技術(shù)難點(diǎn)

　　LED路燈要想大規模地應用，成為道路照明的主流光源，還面臨一些需要解決的難點(diǎn)。歸納起來(lái)，主要難點(diǎn)有三個(gè)，即光學(xué)設計、散熱問(wèn)題及驅動(dòng)電源設計。

　　1．光學(xué)設計

　　便于光學(xué)設計本來(lái)是LED路燈的一大優(yōu)勢，但同時(shí)又是一大難點(diǎn)。

　　從LED路燈配光角度來(lái)說(shuō)，其光輸出特性只有滿(mǎn)足表2所示的CJJ45-2006道路照明標準規定要求才具有實(shí)用價(jià)值。

表2   CJJ45-2006規定的道路照明要求

　　LED路燈配光包括一次配光（采用封裝透鏡）、二次配光和三次配光。當通過(guò)二次配光可以滿(mǎn)足路面亮度、照度及其均勻度要求時(shí)，則無(wú)需再進(jìn)行三次光學(xué)設計。要滿(mǎn)足道路照明的要求，LED路燈的配光必須經(jīng)過(guò)多次反復設計才能實(shí)現。

　　目前人們研究出很多LED路燈配光方案，例如LED一次配光（即透鏡封裝）加燈具的二次配光、LED的二次配光（利用二次透鏡）加燈具的三次配光及反射器配光等，但是，無(wú)論哪一種配光方案，還不能做到科學(xué)合理，不同程度地存在整體光學(xué)效率低、存在較大眩光和路面亮度、照度均勻性差等問(wèn)題。如何選擇配光方式，如何選擇透鏡，如何改進(jìn)路燈的結構達到配光和散熱要求，目前都還需要更為成熟的解決方案。

　　2．散熱問(wèn)題

　　LED路燈的散熱能力直接影響LED的實(shí)際發(fā)光效率及其壽命。

　　LED為電致發(fā)光器件，在其工作過(guò)程中只有15%~25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高，導致光效急劇下降。如果LED結溫超過(guò)最高允許溫度（一般為125℃），LED將會(huì )因過(guò)熱而損壞。因此在LED燈具設計中，最重要的一項工作便是散熱設計。

　　LED燈具的散熱系統包括LED模組的散熱和燈具結構（如外殼）上的散熱片散熱，其中后者是目前常見(jiàn)的散熱方式，由于LED路燈的工作環(huán)境比較惡劣，易積聚塵沙和飛蟲(chóng)，散熱器表面易被腐蝕氧化，這就會(huì )影響燈具內LED及電器的散熱，導致LED路燈使用壽命的縮短。

　　為了解決LED路燈的散熱問(wèn)題，可以在燈具上配置微型風(fēng)扇進(jìn)行主動(dòng)式強制性散熱，但散熱風(fēng)扇在戶(hù)外惡劣環(huán)境中的使用壽命難以滿(mǎn)足要求。

　　LED路燈的重量主要由散熱裝置的重量所決定。隨著(zhù)LED路燈功率的增大，散熱器尺寸和重量也需要相應增加。欲減輕大功率LED路燈散熱裝置的重量，就需要對散熱方式、散熱結構和材料等多方面進(jìn)行優(yōu)化設計。

　　LED路燈燈具要求具有良好的防塵防水（IP）防護等級（如IP45及其以上），但良好的IP防護又往往會(huì )妨礙LED的散熱。如何解決這一矛盾是LED路燈設計時(shí)不可忽視的一個(gè)重要方向。

　　3．驅動(dòng)電源設計

　　目前的LED路燈幾乎全部采用工頻市電電源供電。LED路燈驅動(dòng)電路拓撲結構一般均為離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)電源（SMPS）。從近幾年LED路燈示范應用的情況看，故障幾乎全部集中發(fā)生在驅動(dòng)電源上。
由于LED路燈的工作環(huán)境十分惡劣，因此在驅動(dòng)電源設計上，對電路拓撲結構的選擇、電子元器件的選擇以及電路的保護、散熱與防水性能等各個(gè)環(huán)節，都十分苛求。

　　根據現有的技術(shù)水平，目前常規離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)電源的平均壽命通常在3萬(wàn)小時(shí)以下，LED驅動(dòng)電路的壽命決定LED路燈燈具的壽命。對LED驅動(dòng)電源壽命具有決定性影響的是電解電容器，其次才是功率半導體器件。因此，對電解電容的選擇是極為重要的。

　　在LED路燈驅動(dòng)電源設計方面，不僅要格外重視其可靠性，同時(shí)還必須滿(mǎn)足輸入AC電流諧波含量、線(xiàn)路功率因數、電磁干擾（EMI）、防雷擊和防水及能效等方面的性能要求與安全要求。探求低成本、高可靠與高性能解決方案，是LED路燈驅動(dòng)電源設計的一個(gè)難點(diǎn)。

　　五、結束語(yǔ)

　　LED是新一代綠色光源，LED應用于道路照明與傳統路燈比較具有很多優(yōu)勢。道路照明是一種公共照明，由政府買(mǎi)單和掌控，因此LED在普通照明領(lǐng)域可以率先在道路照明中應用。但是，由于傳統路燈的設計方案并不適用LED路燈，在光學(xué)設計、散熱問(wèn)題和驅動(dòng)電源設計等方面還存在很多問(wèn)題尚未真正解決，因此距大規模地推廣應用還有較長(cháng)的路要走。LED路燈技術(shù)尚處于探索階段，不可一哄而起、一哄而上和遍地開(kāi)花，而必須堅持先試點(diǎn)、再示范到最后推廣的實(shí)施路線(xiàn)。