LED路灯应用的可行性分析

郭 磊

（中国石化工程建设有限公司，北京 100101）

目前，资源匮乏、能源紧张已成为全球经济发展的瓶颈。在供电日趋紧张的情况下，世界各国均不约而同地开始了新型照明光源的探索。LED作为光源，具有节能、环保、寿命长三大优势，理论上可实现只消耗白炽灯10%的能耗，比荧光灯节能50%；它采用固体封装，寿命是荧光灯的10倍、白炽灯的100倍；同时，LED光源无紫外光、红外光等辐射，且能避免荧光灯管破裂溢出汞的二次污染。一位美国专家曾指出，LED半导体已在电子学方面完成了一场革命，其第二场革命将在照明领域进行；于是，一股LED照明热潮席卷全球，掀起了照明行业“第二次革命”，美国、日本、欧洲包括我国均纷纷制订了自己的“半导体照明计划”，并由政府部门进行强制照明节能推动。

道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的 LED 路灯逐渐走入人们的视野。目前，LED 照明技术日趋成熟，大功率 LED 光源功效已经达到 90lm/W ，城市路灯照明节能改造成为可能。由于LED接近于点光源的特点决定了其特别适合做定向照明，即通过合理的光学设计达到很高的灯具效率与光线利用效率。道路照明属于定向照明的范畴，即期望光线照射在道路及周边一定范围内。当前广泛应用的高压钠灯，光源本身光效较高，但光源发光体较大，空间360°发光，灯具的有效光利用率仅为50%左右。因此，尽管LED目前的光效仅90lm/W左右，比高压钠灯的120lm/W低，但做道路照明等定向照明时，通过合理的灯具光学设计，使用LED光源的灯具比高压钠灯相比拥有更高的光利用率，这就是选用LED光源作为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 基本情况

在某工厂项目的道路照明设计中，经过详细的方案研究和考察论证，该项目的全厂道路照明光源全部使用了LED光源。项目的基本情况如下：

1） 项目所在地：华北地区。

2） 全厂道路总长度：约9km。

3） 道路宽度：9m。

4） 路灯灯杆高度：8m。

5） 路灯挑臂长度：单臂1m。

6） 路灯最大间距：30m。

7） 路灯布置方式：单排布置。

作为新型的光源，在工业照明工程的初步应用过程中，必须对其可替代性做出研究，因此本项目的道路照明设计分别对采用 LED光源和高压钠灯光源做出设计，希望通过两次设计的对比，实事求是的得到可行性研究的结果。表1为设计数据，根据表1的数据可以分别从照度分析和经济性分析得出合理的结论。

表1 LED光源、高压钠灯光源设计数据对比

1.2 照度分析

采用飞利浦Philips Calculux Road软件对以上路灯设计进行建模，得到以下照度报告。

图1 120W LED光源路灯照明照度图形报告（山平面）

图2 120W LED光源路灯照明照度图形报告（颜色填充图）

图3 250W高压钠灯光源路灯照明照度图形报告（山平面）

图4 250W高压钠灯光源路灯照明照度图形报告（颜色填充图）

根据软件分析报告的结果，可以得到照度值为：120W LED光源路灯，光源高度8m，在30m间距下，对9m宽的马路，地面最大照度为51.8lux，最小照度为 12.8lux，平均照度为 25lux；250W 高压钠灯光源路灯，光源高度8m，在30m间距下，对9m宽的马路，地面最大照度为 60.3lux，最小照度为12.1lux，平均照度为29.7lux。根据有关行业和国家标准的规定，厂内主干道路的地面高度照度不允许低于 10lux，因此无论是 120W LED光源路灯还是250W 高压钠灯光源路灯在照度值上都满足标准的要求。

1.3 经济性分析

根据表1“LED光源、高压钠灯光源设计数据对比”，可以得到如表2所示的经济性分析结果。

由表2可以看出由于 LED光源的路灯价格较高，其首次采购成本要高出高压钠灯光源的路灯40%多，能源消耗费用LED光源不到高压钠灯光源路灯的一半，按运行5年考虑，LED光源仍比高压钠灯光源总费用要高出近10%。这说明短期内LED路灯在性价比上仍旧处于较低水平。然而在关注经济性的同时，我们也不能忽略节能减排的硬性需求。从国际环境看，气候变化、能源安全等全球性问题凸显，低碳经济发展成为战略制高点。从国内形势看，我国政府承诺到2020年，单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～50%，这也需要付出艰苦努力。同时本行业确立的减排目标也明确指出，“十二五”期间实现节能总量500万吨标煤，工业企业万元产值综合能耗下降幅度达到5.8%。从表2可以看出选用LED路灯在5年可以减少二氧化碳排放600余吨，折合节约标准煤240余吨，虽然这240余吨与500万吨的目标相差甚远，然而不积跬步无以至千里，500万吨的目标是由一点一滴的减排积累起来的，选用LED路灯正是其中不能忽视的环节。

表2 LED光源、高压钠灯光源路灯的经济性对比

2 LED路灯存在的问题

2.1 配光设计问题

LED路灯的配光设计，是 LED路灯的难点之一。前面提到过LED光输出方向性好，在提供更高配光效率可能的同时也对灯具配光部件的设计及制造提出了更高要求，光学设计难度比较大。从图2和图4两幅颜色填充图可以看出，LED路灯的路面照度均匀度差一些，斑马效应明显一些，同时在实际应用中 LED路灯有较大的眩光。为解决以上问题，实现马路灯的泛光照明效果，灯具配套了高透光率的玻璃透镜护罩，并要求发光角度可调。

2.2 散热问题

LED的工作状态和散热设计不仅直接关系到LED实际发光效率，也关系到实际使用寿命。尤其在大功率LED中，散热是个不容忽视的问题，当上升程度超过最大允许温度时，LED芯片会因过热而损坏。目前最常见的散热方式是对灯具结构散热片的设计，以期达到增加热传导散热面积。本项目 LED路灯即采用立筋散热片设计，并提出了光源耐受结温不低于150℃的要求。这样即使散热片上即使有灰尘或落叶的积聚也能保证LED光源的50000h寿命。

3 结论

本文以某项目的道路照明为背景，对LED光源道路照明应用进行了阐述，并与高压钠灯光源路灯在各项指标下做出对比，对其技术可行性和经济可行性进行了分析。指出了其在寿命、调光、光输出定向性、显色性等方面的优势，也指出其在配光、散热、性价比方面存在的问题，并给出一定解决的办法。LED光源是绿色照明的一颗新星，LED光源技术方兴未艾，发展迅猛。从趋势来看，LED光源的价格具有24个月下降一半的特征，另外，理论推导得出LED潜在光效可达370lm/W，去年美国已经开发出160lm/W的产品，可以预见不远的将来LED的光效必将大幅提高。价格不断的下降和效率不断的提高，使得LED光源无论在一次投资还是节能减排方面优势愈发的明显。笔者希望通过这篇从照明工程可行性分析角度对 LED路灯应用加以研究的论文，使同行了解LED光源的设计特点，促进LED光源在工业以及民用行业的更加广泛应用。

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