一、前言

　　在節(jié)能減排的大背景下，各地政府的“十城萬(wàn)盞”LED路燈項(xiàng)目，進(jìn)行得轟轟烈烈。然而，由于很多項(xiàng)目倉(cāng)促上馬，沒(méi)有取得理想的效果，有些路段存在著LED路燈不節(jié)能、光衰明顯、照明效果差、使用壽命短的問(wèn)題。從而不少專家認(rèn)為L(zhǎng)ED作為路燈來(lái)取代高壓鈉燈在技術(shù)上還不成熟，甚至有LED路燈替代傳統(tǒng)高壓鈉燈是災(zāi)難的說(shuō)法。對(duì)此，LED路燈廠家明顯不認(rèn)同，雙方爭(zhēng)辯日趨激烈，但均沒(méi)有做定量的詳細(xì)分析，停留在定性分析層面，主觀判斷較強(qiáng)。從用戶角度來(lái)看，由于信息的不對(duì)稱，用戶寄希望于壓低采購(gòu)價(jià)以求避免更大的損失，從而導(dǎo)致出現(xiàn)了“劣幣驅(qū)逐良幣”的現(xiàn)象，市場(chǎng)上充斥著大量夸大宣傳、質(zhì)量不佳的產(chǎn)品。

　　對(duì)此現(xiàn)象，本文從技術(shù)的角度，不回避LED使用上存在的問(wèn)題，逐一分析，力爭(zhēng)還原LED路燈在大規(guī)模應(yīng)用的障礙，以科學(xué)和理性的態(tài)度提出相應(yīng)的對(duì)策，促進(jìn)行業(yè)的進(jìn)步。

　　二、LED路燈存在的主要問(wèn)題

　　LED路燈在使用中發(fā)現(xiàn)各種問(wèn)題，這些問(wèn)題阻礙著LED路燈的大規(guī)模推廣應(yīng)用，主要的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

　　1.LED的發(fā)光效率無(wú)法和高壓鈉燈相比，節(jié)能效果不明顯；

　　2.LED路燈路面照明效果不好，照射集中，道路照明存在斑馬紋現(xiàn)象；

　　3.LED路燈的光衰嚴(yán)重，壽命不長(zhǎng)；

　　4.LED路燈本身自重過(guò)重，不利于安裝，防風(fēng)；

　　5.LED路燈的顏色偏白，穿透性不強(qiáng)，不利于雨霧天氣的照明；

　　6.LED路燈造價(jià)過(guò)高，初始投資高企。

　　三、對(duì)策分析

　　我們從國(guó)購(gòu)光電科技公司的邁格銳品牌LED路燈實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用測(cè)試出發(fā)，針對(duì)以上問(wèn)題，叢技術(shù)角度探討如下。

　　1.LED路燈節(jié)能效果問(wèn)題

　　鈉燈標(biāo)稱光源效率為120-140lm/W，其光線是向四處發(fā)射的，燈具的效率較低，一般燈具光效率只能達(dá)到70%，以250W高壓鈉燈為例，其標(biāo)稱功率為250W，加上電源功率，其輸入功率達(dá)到280W，其燈具效率為69lm/W。另外高壓鈉燈沒(méi)有針對(duì)路面設(shè)計(jì)配光，有很大一部分光無(wú)法到達(dá)路面，其照明路面利用率為55%左右，以12米路燈桿為例，實(shí)際計(jì)算有效光輸出為10780lm。高壓鈉燈的顯色指數(shù)差，只有20到40，感覺(jué)昏暗，物體顏色難以在燈光下分辨；

　　邁格銳品牌LED路燈，經(jīng)第三方單位上海半導(dǎo)體照明工程中心檢測(cè)，整燈效率達(dá)到120lm/W。以100WLED路燈為例，其光源效率達(dá)到140lm/W，電源效率為92%，光學(xué)效率為95%，色溫4000K。采取蝙蝠翼型配光，其照明路面利用率達(dá)到90%，以12米高桿為例，其路面使用光輸出為10710lm，完全可以替換250W高壓鈉燈。LED路燈的顯色指數(shù)高，可以達(dá)到70-80，所以路面明亮，感覺(jué)舒適，司機(jī)和行人更容易識(shí)別公路上物體與背景的差異，在同樣的路面亮度下提供方更好的通行條件。

表1 高壓鈉燈與LED路燈參數(shù)對(duì)比表

　　表1列出了在路面照度相同的情況下，不降低路面照度，進(jìn)行LED路燈替換傳統(tǒng)鈉燈?？捎眠~格銳LED60W路燈替換150W高壓鈉燈(實(shí)際功率170W)的高壓鈉燈，節(jié)能效果65%；可用100WLED路燈替換250W高壓鈉燈(實(shí)際功率280W)，節(jié)能效果64%；可用175WLED路燈替換400W高壓鈉燈(實(shí)際功率450W)，節(jié)能效果61%。在合肥市玉蘭大道路段的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，以100WLED路燈替換250W高壓鈉燈，更換前后，路面照度不變，節(jié)能比例為65%。

　　2.LED路燈路面照明效果問(wèn)題：

　　傳統(tǒng)的高壓鈉燈，其光學(xué)分布為圓形，燈具正下方亮度最亮，路面照明利用率不高。對(duì)于LED路燈，如果不進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，LED的光分布呈圓形，一般為120度，照射集中，不適合路面照明，并且容易引起直射到駕駛者眼中的眩光，影響駕車安全。第一代的LED路燈，為了便于散熱，普遍采取了分離式多燈珠方案，對(duì)每個(gè)燈珠加裝二次光學(xué)鏡頭，進(jìn)行配光，由于是多點(diǎn)式光源，容易造成燈下的物體多重影像，影響駕車安全；并且由于在技術(shù)上很難對(duì)多點(diǎn)同時(shí)配光，導(dǎo)致路面照射效果不佳，存在著斑馬紋現(xiàn)象。

　　邁格銳LED路燈，采取COB方式集成光源，及一次成型光學(xué)玻璃透鏡，其透光率在93%以上，取代了目前矩陣式多顆小型透鏡再加強(qiáng)化玻璃方式。多透鏡方式需用2次光學(xué)透鏡，透光率在80%以下。集中式配光提高了燈具的光學(xué)效率以及更容易達(dá)到理想的蝴蝶型配光。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，路面照明均勻度(照明均勻度=平均照度/最大照度)可以達(dá)到0.82，道路照明照度均勻，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)照明均勻度0.4。

　　3.LED路燈的壽命和光衰問(wèn)題：

　　散熱、材料、防護(hù)等級(jí)決定了LED燈具的壽命和光衰。首先，LED壽命是指在結(jié)溫85度時(shí)，可以達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)。溫度每增加10度，壽命減半。相反，溫度每降低10度，壽命會(huì)延長(zhǎng)一倍。目前來(lái)說(shuō)，在LED的發(fā)光效率還沒(méi)有提高到極高的程度，還只能盡量改善其散熱來(lái)延長(zhǎng)LED的壽命。LED每個(gè)小晶體雖然耗能微小，但就算只有1W，也因其晶體導(dǎo)熱面積過(guò)小，導(dǎo)致熱流無(wú)法迅速導(dǎo)出，傳統(tǒng)利用銅或其他K值高的材料試圖將熱導(dǎo)出，仍然無(wú)法解決，其原因?yàn)榇蠖鄶?shù)熱傳導(dǎo)專家忽略擴(kuò)散熱阻的原因。若將許多LED小晶體COB集成封裝，其熱的互相影響更加嚴(yán)峻。LED的熱流密度達(dá)80W/cm2，然而金屬材料在導(dǎo)熱效率上的熱流密度十分有限，例如鋁為4W/cm2，銅為10W/cm2，銀為12W/cm2，邁格銳路燈采用多點(diǎn)式熱超導(dǎo)均溫板熱流密度已達(dá)到170W/cm2，非常適合LED的散熱基材上。第一代LED路燈，完全采取被動(dòng)散熱的技術(shù)，依靠自然的傳導(dǎo)和對(duì)流來(lái)進(jìn)行散熱，在散熱處理不到位的情況下，有的LED路燈的結(jié)溫可能達(dá)到了115度，其理論壽命只有6000小時(shí)。邁格銳LED路燈，采取了主動(dòng)散熱技術(shù)，依靠均溫板快速把集中的熱源打散為平面，利用熱管和大面積的翅片散熱，經(jīng)紅外測(cè)溫?cái)z像儀實(shí)測(cè)，在環(huán)境溫度30度下，其結(jié)溫為75度，這就大大提高了LED燈具的使用壽命。預(yù)計(jì)在工作十年以后，其光衰只有10%。采取的COB方式的集成光源，經(jīng)2500次實(shí)驗(yàn)室-40度到50度溫度循環(huán)試驗(yàn)，其光衰在1%之內(nèi)。

　　由于路燈在室外復(fù)雜的氣候環(huán)境下使用，材料的選用至關(guān)重要。第一代LED路燈，普遍選用有機(jī)材料如PVC做成二次配光的透鏡，如圖1所示，普通的PC材料，在室內(nèi)使用3萬(wàn)小時(shí)后，其透光率只有初始值的85%?？紤]到室外的環(huán)境，一般有機(jī)材料在使用兩三年后，就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、劣化、泛黃的現(xiàn)象，特別在室外溫度為零下40度的場(chǎng)合，有機(jī)材料容易發(fā)生開(kāi)裂，這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有引起普遍的重視。而邁格銳LED路燈，采用光學(xué)玻璃鏡頭，其特性和透光率不隨時(shí)間和溫度變化而改變，消除了因材料引起的壽命隱患。

 

圖1材料的透光率與時(shí)間的關(guān)系

　　防護(hù)等級(jí)也決定了LED燈具的壽命，LED燈珠屬于低壓半導(dǎo)體部件，依靠涂布在LED管芯的熒光粉而發(fā)出白光。潮氣的進(jìn)入，會(huì)影響硅膠的特性，改變熒光粉的分子結(jié)構(gòu)，降低電子部件的絕緣。輕則引起光衰，降低壽命，重則引起觸電等安全事故。第一代LED路燈，由于采用矩陣式多點(diǎn)光源，需要防護(hù)遮蔽的面積大，很難做到防水防塵，有些路燈甚至有蚊蟲(chóng)進(jìn)入。邁格銳LED路燈采取了集成式光源，防護(hù)等級(jí)可以做到IP67，可以在水下安全點(diǎn)亮，使燈具適用范圍寬廣，可以在極寒地帶使用，安全可靠免保養(yǎng)。與多鏡頭方式LED路燈比較，IP防護(hù)等級(jí)更高，杜絕了蚊蟲(chóng)、粉塵以及潮氣對(duì)燈具的壽命影響。

　　4.LED燈具的自重問(wèn)題

　　目前大部分廠商所生產(chǎn)的LED燈具，其自重極重，通常都超過(guò)10公斤。這樣大的自重往往會(huì)使燈桿不勝負(fù)荷，降低了其抗風(fēng)能力，安裝辛苦、危險(xiǎn)，這主要是由于采用了巨大的鑄鋁散熱器而造成的。邁格銳LED路燈，采用主動(dòng)散熱技術(shù)，利用均溫板、熱管和航空鋁翅片進(jìn)行三重散熱，大大減輕了燈具重量。100W的LED燈具，其自重只有5公斤，能夠完全取代250瓦的高壓鈉燈。對(duì)比如圖2所示。

圖2被動(dòng)散熱與主動(dòng)散熱對(duì)比

　　5.LED燈的光色問(wèn)題

　　前期的LED路燈，單純追求發(fā)光效率，而選用了光效相對(duì)高而色溫在6000K以上的冷白甚至偏藍(lán)色光源，造成了不僅雨霧天氣穿透性不強(qiáng)，而且被照明的路面顯得冷清、孤獨(dú)、顏色失真。其實(shí)LED發(fā)光是由藍(lán)光激發(fā)不同成分的熒光粉而發(fā)光，只需要改變熒光粉的配方，就可以制作出從暖白3000K到冷白6000K的不同色溫。如圖3所示，Kruitof曲線解釋了色溫與照度之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，在中間兩條曲線圍成的區(qū)域內(nèi)，是人們感覺(jué)舒適的區(qū)域。在高照度的場(chǎng)合，如辦公室與商場(chǎng)，白色的色溫感覺(jué)舒適，而對(duì)于路面照度20-50lux的照明場(chǎng)合，偏黃色的色溫使人們感覺(jué)舒適。對(duì)主干道的照明，為了兼顧穿透性和照明效果，建議選用4000K左右的色溫，邁格銳的LED路燈色溫普遍為4000K，整燈效率可以達(dá)到120lm/W。

圖3 Kruithof曲線

6.LED燈具的造價(jià)問(wèn)題

　　目前由于LED燈珠本身的單價(jià)比較高，所以整個(gè)LED路燈的成本比較高。但是，由于LED在技術(shù)上的進(jìn)步很快。其成本降低也很快。目前整個(gè)100W燈具的單價(jià)在2500元左右。對(duì)于路燈這類長(zhǎng)期項(xiàng)目，不應(yīng)該只考慮其單個(gè)燈具的單價(jià)，而應(yīng)該考慮其整條線路的工程投資，不應(yīng)該只考慮其初始投資，而應(yīng)該考慮其長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)投資。

表2LED路燈與高壓鈉燈初始投資及運(yùn)營(yíng)成本分析

　　以10公里四車道路段為例計(jì)算，燈柱間隔30米，雙側(cè)對(duì)稱分布，共計(jì)燈具數(shù)量為667個(gè)。單個(gè)100W的LED路燈的價(jià)格約為2500元，高壓鈉燈價(jià)格約為500元，但就燈具價(jià)格計(jì)算，LED路燈成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高壓鈉燈成本。

　　但是由于LED路燈單燈功率低，約為高壓鈉燈的1/3，并且LED路燈驅(qū)動(dòng)電源的功率因數(shù)普遍大于0.95。而未經(jīng)補(bǔ)償?shù)母邏衡c燈，其驅(qū)動(dòng)電源功率因數(shù)只有0.5，加上電容補(bǔ)償后，其功率因數(shù)可以達(dá)到0.8左右，但是補(bǔ)償電容的故障率高壽命短，因而為了避免因電容損壞而燒壞電纜，電纜選型還是按照補(bǔ)償前的電流進(jìn)行選擇。因而LED路燈的電纜截面可以選為高壓鈉燈電纜的1/5。路燈工程普遍采用TN-S供電，電纜為5芯電纜，按照供電半徑1000米計(jì)算，高壓鈉燈需要采用單芯截面為25平方毫米的電纜，單價(jià)約80元/米，其10公里的成本為80*10000*2=160萬(wàn)元。而LED路燈可以選用單芯截面為6平方毫米的電纜，單價(jià)約15元/米，其10公里的成本為15*10000*2=30萬(wàn)元。

　　按照1000米供電半徑計(jì)算，10公里高壓鈉燈需要選用的變壓器數(shù)量為5臺(tái)，每臺(tái)容量為667*300/0.5*1.5=120KVA，總成本約為20萬(wàn)。而LED路燈需變壓器數(shù)量為5臺(tái)，每臺(tái)容量為667*100*1.5=20KVA，總成本約為10萬(wàn)。

　　如表2所示，僅考慮低壓電纜、變壓器，不考慮高壓電纜的成本，采用LED路燈的電氣部分綜合成本為207萬(wàn)，已經(jīng)低于高壓鈉燈的213萬(wàn)的綜合成本，上述分析有助于走出我們的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，實(shí)際上采用LED路燈在初裝成本上已經(jīng)具有優(yōu)勢(shì)了。

　　設(shè)計(jì)良好的LED路燈壽命可以達(dá)到9年，在運(yùn)行期間，10公里路段，每年可以節(jié)約電力58萬(wàn)度，按照每度電1元計(jì)算，5年內(nèi)可節(jié)約費(fèi)用支出約300萬(wàn)元。在此還忽略了高壓鈉燈每年需要的維護(hù)費(fèi)用。

　　以10萬(wàn)盞路燈規(guī)模為例，在整個(gè)LED壽命期(約9年)內(nèi)，共可節(jié)約電量(250W-100W*70%)*10小時(shí)/天*365天*9年*10萬(wàn)/1000=5.9億千瓦時(shí)。相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5.9億千瓦時(shí)*0.404千克/千瓦時(shí)=24萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放5.9億千瓦時(shí)*0.997千克/千瓦時(shí)=59萬(wàn)噸。每噸二氧化碳的減量成本為345-404美元，減少59萬(wàn)噸二氧化碳就相當(dāng)于節(jié)省了13億人民幣的二氧化碳減量成本，社會(huì)效益巨大。

　　四、實(shí)施方案

　　對(duì)于應(yīng)用LED路燈的城市來(lái)說(shuō)，從隨電費(fèi)征收的公用事業(yè)附加中按比例提取節(jié)能效益，完全可以支付LED改造的投資。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前廣東省城市建設(shè)附加費(fèi)的征收標(biāo)準(zhǔn)為1.4分/千瓦時(shí)，實(shí)際用于路燈電費(fèi)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的開(kāi)支為0.6-0.7分/千瓦時(shí)，因此不會(huì)影響城市建設(shè)附加費(fèi)的收支平衡。

　　對(duì)于新建道路，建議優(yōu)先選用質(zhì)量?jī)?yōu)越的LED路燈，逐步分階段推進(jìn)，在實(shí)踐中完成對(duì)LED路燈的技術(shù)測(cè)試、道路測(cè)試，形成LED路燈測(cè)試、應(yīng)用技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

　　五、結(jié)語(yǔ)

　　LED作為新一代的光源，其本身所具有的優(yōu)越性是放電氣體燈所不具備的。LED路燈作為新一代的主流光源，替代放電氣體燈是趨勢(shì)所在，技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)無(wú)法抵擋！我們要做的，是順應(yīng)趨勢(shì)的發(fā)展，不回避問(wèn)題，面對(duì)現(xiàn)實(shí)，踏踏實(shí)實(shí)做好產(chǎn)品，實(shí)事求是，加強(qiáng)行業(yè)自律，以積極向上的態(tài)度去應(yīng)對(duì)新技術(shù)革命給我們帶來(lái)的發(fā)展機(jī)遇！