LED道路照明光衰预补偿技术研究

余剑青

(深圳市市政设计研究院有限公司，深圳 518000）

0 引言

LED路灯(Light Emitting Diode，发光二级管）即半导体照明灯。它是一种基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源，在一定的正向偏置电压和注入电流下，注入P区的空穴和注入N区的电子在扩散至有源区后经辐射复合而发出光子，将电能直接转化为光能。它是一种固态冷光源，具有环保无污染、耗电少、光效高、寿命长等特点。发光性能会随时间和温度衰退已为人们所认识，这是大功率LED照明当前面临的一个重要问题。由于大功率LED的价格还比较高，要想通过LED获得相对其他光源更好的投资回报，就必须靠长寿命，同时尽可能节省电费来弥补灯具的高价格。目前国内大功率LED照明为解决光衰问题，通常的做法是在灯具达到预期寿命前，灯具提供超过需要的光通量，在灯具的使用过程中光通量逐步降低，当灯具到达预期寿命时灯具的光通量接近实际需要值。这种做法虽然简单，但无疑浪费了电能，过度照明也影响了灯具的寿命，因此找到更好的光衰解决办法是很有意义的。

1 研究的必要性

1.1 节能减排

大力响应国家节能减排政策，实现国务院提出的单位生产总值能耗降低20%左右，污染物排放总量减少10%的约束性指标。

1.2 实施意见

根据广东省政府近日印发的《广东省推广使用LED照明产品实施方案》意见，一是设定了推广应用的范围。公共照明领域一律采用LED路灯、隧道灯、庭院灯和景观灯等照明产品，原有的非LED照明产品，要在3年内到2014年前实施分期分批改造完成。涉及财政及国有资本投资建设的LED照明示范工程一律使用LED照明产品。广州的南沙、深圳的前海和珠海的横琴等新规划建设的新区一律使用LED照明产品。发改部门负责把使用LED照明产品作为财经投资建设项目审批立项的前置条件。

1.3 城市形象

使用科技含量较高节能环保的绿色照明，有助于城市整体形象的提升。

1.4 照明质量

与传统路灯相比，LED路灯显色指数高，真实反映路况和环境状况，大大提高道路照明的质量。

2 规范分析及与传统照明比较

《城市道路照明设计标准CJJ45－2006》规定了机动车交通道路照明标准见表1。

表1 机动车交通道路照明标准

该标准基于高强气体放电灯的应用，参照了CIE的亮度评价系统，并根据我国的经济发展水平和城市道路照明状况，提出了高档值与低档值的区分。目前随着LED在道路照明的广泛应用，因LED灯具高显色性、高色温、定向发光等特点，对道路照明标准提出了新的课题。

传统照明:按选定的照度，道路照明设计需考虑维护系数的影响，维护系数为光源光衰系数与灯具因污染、老化后的光衰系数之乘积。《城市道路照明设计标准CJJ45－2006》规定，不准通行货车的路段的维护系数取0.7，准许通行货车的路段的维护系数取0.65。可通行货车，按规范规定维护系数取0.65，意味着在路灯初始安装至光衰稳定的较长时间内，道路都处于过度照明的状态中，最大可达35%。而CIE的研究表明，路面平均亮度超过2 cd/m2后，照明增加对能见度的改善微乎其微。这造成了极大的能源浪费。

传统的HID道路照明灯具受调光技术的限制，无法有效解决这个问题。而LED灯具可以通过调整芯片驱动电流，在现有技术下即可轻松实现无级调光，完全解决上述问题。同时，在额定驱动电流以下，大部分LED芯片单位光效会高于额定光效，而且更有利于控制结温的上升，从而减小光衰，延长寿命。

我国现阶段适用于道路照明的光源有高压钠灯、陶瓷金卤灯等气体放电灯，以及近几年新开发的光源LED灯。这三种代表性的光源性能参数比较见表2。

表2 光源性能参数比较

续表

3 具体应用情况

(1）根据研究结果，在照明系统设计时，运用确定的标准进行照度计算和设计。

(2）静态补偿——即研究LED芯片光衰曲线，将预补偿曲线固化在LED灯具驱动模块中，沿路的灯具独立运行，按时间进度自动进行补偿，以实现控制的智能化，同时实现节日/平时/后半夜灯多种照明模式运行。

(3）具体工程实例:深圳市高快速路照明及监控设施工程，本项目的工程范围包括:机荷高速公路、盐坝高速公路(A段）、南光高速公路、龙大高速公路及清平高速公路一期工程。全程长120 km，该项目路灯全部采用LED静态补偿技术。传统LED照明设计，在灯具寿命前灯具始终处于过度照明的状态，对于新灯来说过照明甚至达到30%以上，而通过智能光衰补偿方式，有效地延长了光源和驱动器的寿命，提高了照明质量，充分体现了绿色照明理念，实现了节能减排。

4 小结

从LED的正常使用看，影响LED寿命的最主要的因素就是热。热量的来源，主要是LED产生的热，大功率LED将20% ～30%的电能转换成光，70%左右的转换成了热量，热量的积累使得温度升高，温度升高使得芯片的性能衰退、材料老化、变性。当前，另外应用不当(供电不当、散热不良等）也是引起光衰的原因，因此合理采用光衰预补偿技术能够有效解决灯具光衰问题，同时在LED灯的大范围推广方面也能够起到至关重要的作用。