南京市路燈管理處：劉磊實，冀曉健

　　摘要: 通過LED光源在城市道路功能照明中應用試驗的數據利用，結合LED光源的性質與城市道路照明的特點，與高壓鈉燈進行分析對比，闡述LED光源在城市道路功能照明中應用的存在問題，提出一些建議。

　　關鍵詞: LED　高壓鈉燈　光源　城市道路　功能照明

　　中圖分類號： TM923.34 文獻標識碼： B

　　The Test and Analysis of LED Light Source for Urban Road Function-illumination

　　Liu Leishi　 Ji XiaoJian

　　Abstract: The problems of the LED light source to be used in urban road function-illumination were developed through a test after contrasting with the high -pressure sodium lamp. Also the characteristics of LED light source and the natures of urban road were described. Some proposals are discussed, as well.

　　Key words: LED;high -pressure sodium lamp; light source; urban road;function-illumination;

　　1　前言

　　LED(Light Emitting　Diode)，又稱發光二極管，它基于Ⅲ-Ⅳ族化合物制成的半導體P-N結兩端加上正向電壓時，半導體中的載流子發生激發-遷移-復合，并在復合的過程中發射光子的原理產生可見光。LED問世于20世紀60年代初，首先出現紅色發光二極管，之后黃色、藍色、綠色LED也先后研制成功，1996年白色LED成功開發。現LED產品的發光效率比研制初期提高了千倍，色度方面已實現了可見光波段的所有顏色。近年來，超高亮度大功率白光LED的出現，使LED應用領域從信號、顯示和背光源等小功率使用領域跨越至大功率道路功能照明領域成為可能。

　　2　現階段LED光源及其在道路功能照明中的發展狀況

　　我國已將高效節能、長壽命的半導體照明產品列入中長期技術發展規劃第一重點領域，先后建立了上海、深圳、廈門、南昌、大連、天津、石家莊、揚州等多個國家級LED產業化基地，計劃在十一五期間解決功率型白光LED產品100lm/W的產業化生產技術，預期成本每年遞減20%，期末生產成本低于45元/千流明。

　　目前，全國能生產大功率LED道路照明燈具的企業有上百家，單燈功率已超過200w。國內許多城市都在對LED路燈的使用進行嘗試，少部分城市開始推廣。據相關報道，上海計劃使用2萬盞，常州計劃使用1.5-2萬盞，東莞要在三年內用LED路燈更換道路照明用高壓鈉燈，山東濰坊裝燈2萬盞......，但業內對其取代高壓鈉燈的實際節能效果一直有所爭議。

　　今年年初，科技部、信息產業部、發改委、建設部四部委對LED路燈應用于城市道路照明課題進行了調研和座談，會上針對較大的意見分歧,給出了全面展開試點，取得準確數據的指導意見。南京作為與會城市，積極貫徹落實會議精神，組織了相關試驗。

　　3　試驗情況

　　為取得LED在道路照明中運用的第一手資料，我處自2006年起就對LED功能照明燈具進行了試驗，當時效果不佳，一個月的光衰達初期的30%。這兩年，隨著LED光源性能的不斷提升，其用于道路照明的可能性大大提高。今年，我們又對LED功能照明燈具在道路上的運用進行了試驗，試驗情況如下：

　　參加試驗的有深圳、南京、西安等地的六家LED道路照明燈具生產廠家，提供試驗的燈具為功率在150W左右的LED路燈(圖1)，選擇在南京市泰山路(路寬36米、中心對稱布燈方式、桿高10米、間距34米、原安裝250W高壓鈉燈，斷面見圖2)進行實地道路照明試驗，每個廠家提供四套產品，安裝在連續兩桿的雙側燈頭上。泰山路位于南京河西新城，道路兩邊干擾光線較少，測量數據均測自安裝同型號LED路燈的兩桿間，這樣取得參數能夠反映LED路燈的實際照明情況(現場情況如圖3)。現場安裝初期及使用40天后的測試數據統計結果見表1和表2。

　　4　試驗情況分析與思考

　　分析以上試驗數據并結合城市道路照明的特點，我們對LED光源與目前道路功能照明普遍采用的高壓鈉燈在節能、經濟性、維護等方面進行了對比，對現階段LED光源在城市道路功能照明中應用的存在問題進行以下幾方面的分析與思考：

　　4.1　現階段道路照明中LED光源和高壓鈉燈的節能性

　　目前，我們接觸的很多節能方案推薦采用100WLED路燈代替250W高壓鈉燈，150WLED路燈代替400W高壓鈉燈，甚至有采用50WLED路燈代替250W高壓鈉燈的方案，下面從理論光效、燈具實際光效和配件耗能三方面對其進行分析：

　　(1)理論光效

　　光效是評價光源是否節能的基本理論參數，LED光源光效的發展速度是驚人的，其最大理論光效683lm/w(波長555nm)，國外高品質芯片已經達到190 lm/w 的研發技術和120 lm/w的生產技術，我國近期產業計劃要達到100 lm/w的生產技術，同比高壓鈉燈120 lm/w-130 lm/w的光效，現階段市場上LED光源在節能基本理論參數上是低于鈉燈的。

　　(2)輸出光效(燈具實際光效)

　　相對于理論光效，燈具實際的輸出光效對應用者來說意義更大。由于燈具中光源的工作條件及燈具本身反射器、配光、折射等原因的影響，任何燈具的輸出光效都低于光源的理論光效。對于高壓鈉燈，目前市場上的合格產品均能夠達到《城市道路照明設計規范》CJJ45-2006中規定的燈具效率不小于70%的要求。對于LED燈具，由于六家產品均沒有明確的參數，我們無法得到準確的定量結果，但可以通過計算分析路面平均照度與能耗的關系來得到定性結論。從試驗數據計算值可以看出，有兩家產品實現的路面平均照度與額定能耗的比值高于鈉燈，四家的產品低于鈉燈，進一步分析可以發現，兩家路面平均照度能耗比高的產品的環境比明顯低于鈉燈和其他四家的產品。同時通過現場勘查，筆者發現該路段為顧及慢車道和人行道的照明，燈具仰角設計較大。綜合各項因素，我們認為現階段LED路燈在實際燈具輸出光效上是低于鈉燈的。

　　(3)配套電氣設備性能

　　從參加試驗的六家LED產品看，驅動電路均采用降壓、整流加電阻電路的傳統驅動模式，功耗在15-20%額定輸出功率之間。目前南京實際使用的高壓鈉燈節能型電感鎮流器約為額定輸出功率的8-12%，符合國家對能效因數(BEF)的限定值和節能評價值。相比之下，高壓鈉燈配套設備的節能優勢是明顯的。

　　通過上述三方面的分析，可以看出LED路燈在節能評價上還遜于高壓鈉燈，一些采用小功率LED路燈代替高功率高壓鈉燈從而節能60%，甚至更高的節能方案均需要仔細考慮和推敲，城市道路照明是一項社會公共服務，其目的是為各種車輛的駕駛人員和行人創造良好的視覺環境，保障交通安全，不能為了節能而不合理的降低視覺環境指標，減少公共服務的提供，對城市交通安全產生影響。

　　4.2　道路照明中LED光源和高壓鈉燈的光性能比較

　　(1)配光分析

　　LED光源為提高出光率，光發散角度做的較小。這正是其在信號、顯示等領域大量應用的重要優點，但在道路功能照明中就成為缺點。LED燈具在功能照明上需進行合理的二次配光，將這些集中的光分散開來，LED燈具光線發散不開，均勻度和環境比會低，發散開，眩光會變大，均會影響交通安全。從試驗數據及照片可以看出，六種產品注重點不同，配光實現方法不一樣，差別較大，個別產品眩光控制不好，LED路燈的配光是需要進一步研發的技術重點。高壓鈉燈燈具經過幾十年的實踐應用，其產品生產工藝成熟，產品性能穩定，各種產品配光形式多樣，能適合不同場合的需要。

　　(2)視覺效應分析

　　現場隨機詢問，大多數人認為高壓鈉燈比LED發出的光感覺舒服。這是由于LED的發光特性決定其光譜分布很窄，不能直接得到白光，目前白光LED實現方法中以藍光LED芯片激發黃色熒光粉，由LED藍光和熒光粉發出的黃綠光合成白光較為普遍， 發出的白光帶有較多藍色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺感覺不很自然。

　　通過上面的比較，加上鈉燈的黃色光線對霧靄的穿透力強于LED的白光，我們認為高壓鈉燈比較適用于道路照明。

　　4.3　現階段道路照明中LED光源和高壓鈉燈的經濟比較

　　根據一些LED路燈替代高壓鈉燈的投資方案計算，電能和維護費用的節約可以保證在1-2年內收回投資。下面根據試驗情況做幾方面的比較：

　　1.燈具成本

　　目前，我國的LED生產產值80%以上為封裝產業產值，外延芯片生產近年雖有很大發展和進步，但仍停留在中低檔水平，高光效大功率白光LED應用產品幾乎全部依賴于進口的高檔外延芯片，其主要廠商分布在美國、日本、歐盟等地，他們依靠擁有的核心技術和專利壟斷了高端產品市場。目前，LED路燈價格是國際品牌的普通光源路燈的4倍左右，是一般品牌的普通光源路燈的8倍左右。

　　2.配件與線路

　　一些投資方案在比較LED路燈和高壓鈉燈時，將LED方案的變壓器容量和電纜線徑進行縮減，從前面的節能分析可以看出實際上變壓器的容量不能減少。另外由于道路照明線路供電的特點，電纜線徑選擇基本以電氣保護的靈敏度整定來確定，也不能隨意減小。

　　3.節電

　　電費的節省是一些LED路燈節能項目方案的主要效益來源，從筆者接觸到的情況，就針對南京市做的一些LED路燈節能經濟方案，少的能節省三千多萬，多的做到節約2.2億，而實際上南京市07年全年的道路照明總電費也就不足四千萬，這些方案沒有切合實際。從前面分析可知，實際上在實現相同道路照度下，同比高壓鈉燈，LED道路照明方案還不能實現電費節約，也就不能收回多出的投資。

　　4.4 壽命與維護

　　長壽命和免維護是LED道路照明方案的主推優點，我們也分析一下：

　　1.壽命

　　不可否認本次試驗，LED路燈40天衰減很小，部分還有上升，說明LED技術水平、光效、壽命正飛速發展，但5-10萬小時的壽命是指LED光源芯片實驗室數據的理論測算，不是實際檢驗結果，也不是LED路燈整體的使用壽命。LED光源和其驅動均為電子元器件，在條件惡劣的室外，光線、溫度、雨雪、振動、灰塵、雷電及線路故障等不利因素的作用下，其實際壽命肯定縮短，具體情況需要進一步跟蹤。

　　2.維護

　　維護分為巡查和維修兩塊，由于巡查主要針對燈具、線路、設備等整個路燈系統的完好率、安全性、運行狀況及防偷盜情況進行檢查，無論LED還是高壓鈉燈其人員及物質投入基本一樣，兩者的差距主要在維修。高壓鈉燈的結構簡單，各組成配件性能穩定，維修工作以配件壽命到期更換和被盜恢復為主，經過幾十年的發展，產品完全標準化，不同品牌之間可以相互替代，一般電工均能對其故障進行判斷和快速現場維修。LED為電子產品，結構精細，一盞燈有幾十顆LED和幾十個電子元件，燈具或驅動中的電子元器件受干擾損壞的概率大，且某個元器件的損壞或內部線路的故障就有可能造成全套燈具的損壞，由于其結構復雜，無法在現場進行判斷維修，加上設備之間缺乏兼容性，一般只有更換燈具，維護成本很高。

　　5 急需解決的問題

　　5.1 相關理論的確立

　　目前，在LED新光源的應用中，中間視覺理論、司辰視覺理論、非視覺理論、等效視覺理論等新理論被逐步提出，并被一些LED應用方案采用，根據這些新理論，為達到同等視覺效果，LED僅需要高壓鈉燈的30-50%的亮度，這些理論對快速運動的司駕人員視覺、復雜的道路條件或天氣條件是否適用，對道路交通安全可靠性的影響等許多問題需要進一步研究和探索，如果能在道路照明領域確立，對傳統理論將是革命性的突破。

　　5.2 標準規范的制定

　　規范標準的制定主要包括產品標準和應用標準兩方面的含義。產品標準是指目前LED路燈的生產還處于各自為政的狀態，各家采用的材料、元件、驅動、線路、實現工藝均不相同，產品質量、形式、尺寸相差很大，產品的生產、交付、驗收、施工、配件、維護等各個環節均沒有統一的產品標準進行規范，產品之間、光源之間、配件之間缺乏兼容性，急需加以規范。

　　另一方面，目前城市道路照明的主要規定和技術指標均依據第二代光源特性及傳統理論確定，主要的標準《城市道路照明設計標準》CJJ45-2006、《城市道路照明工程施工及驗收規程》CJJ89-2001等均沒有與LED新光源相匹配的技術指標，無法滿足大面積推廣使用的需要。

　　6　建議

　　目前國外LED光源在功能照明中的運用也處于試驗階段，并沒有大面積的推廣，他們注重相關應用技術的研發，通過取得知識產權保護來獲取高額利潤。我國也應該在芯片生產方面、燈具配光、傳導散熱、電力電子驅動技術、無極調光節能技術等各方面進行技術研究，待取得突破后再推廣運用。同時目前的數據以理論和實驗室數據為多，需進一步通過試驗取得實際使用數據。

　　綜上所述，我們認為LED光源是一種節能、環保、長壽的新型光源，它將可能緩解人們正遇到的能源短缺、環境破壞等問題，將會成為照明發展方向。現階段應加強相關的研究，并在一定范圍內試用，進一步吃透LED新光源的相關技術、摸清使用和維護的下一步問題，掌握全部情況，破解相關難題。同時，我們認為LED光源在功能照明領域還屬于導入期，投資較傳統光源還較高，很多相關技術還要摸索，不宜立刻大面積推廣。

　　參考文獻：

　　1. 上海半導體照明工程技術研究中心,2007年度上海半導體照明產業發展報告[R].2007年7月

　　2. 中華人民共和國建設部,城市道路照明設計標準CJJ45-2006[S].2007-7-1實施.