LED路灯用于城市道路照明的探讨.docx

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LED路灯用于城市道路照明的探讨

目前，在城市道路照明中已经不乏LED路灯的身影，但LED路灯的推广还存在着很大的难点，同时又蕴含着巨大的商机，针对这些情况，厦门市光电子行业协会叶荣南教授特别在中国半导体照明网发表文章，进行了深入的分析探讨。

一、LED路灯行业现状

1、大企业观望、试水，不时推出概念性灯具，但不愿涉水太深；

2、大部分小企业由于资金和技术水平的限制，采用“拿来主义”，或抄袭别人的产品；

3、业主套用气体放电灯的概念，以为只要一定功率的LED放在灯座里就能满足某种路面照明要求；

4、也有少数小企业把LED路灯作为自己的主业，加强科技投入，形成了自有知识产权，并获得了专利，为LED路灯的发展作出了贡献。

二、推广LED路灯的难点

1、没有涵盖LED特性的路灯技术规范；

2、专业部门的思维定势一时难以扭转；

3、政策未能及时配合；

4、LED路灯成本太高，一次性投入太大；

5、人们对LED的认识有个过程，需要一些时间；

6、部分专家不看好LED路灯用于主干道，认为为时尚早，在各种论坛、刊物上发表文章，影响很大。

三、专家的忧虑

1、实用的LED的发光效率比高压钠灯低许多；

2、LED路灯的路面照明均匀性差。

斑马线现象严重；

3、LED散热难解决，发热太厉害，光衰严重，寿命不可靠。

4、LED色温太高，刺眼；而高压钠灯色温低，舒适，穿雾能力强。

　　因此有些专家建议：

LED路灯只适用于灯杆在8米以下的次干道。

主干路宜采用低色温的高压钠灯。

四、商机

　　其实，在这一片反对声中也蕴含着巨大的商机：

1、性价比：

LED的发光效率提高很快，以CREE为例，现在已可供>100lm/W的LED灯了，与此同时该灯价格已从去年37元/80lm降至24/100lm元（含税），这种趋势未变。

2、绿色大潮流：

世界上节能、环保、绿色的大潮流在中国、在照明界也照样涌动，LED路灯将广泛用于城市道路照明，这已是共识。

3、时机与功夫：

前述质疑并非不能克服，只要加强二次配光和散热的研究，就目前的LED的光效水平就可设计出完全符合现行路面照明标准的LED路灯，而且可以做得更好。

关键是要下功夫去做，不要投机取巧。

4、机会：

在各地观望的状况下，反而给我们提供机遇，有志者可以抢占LED路灯高端产品的高地。

5、资金支持：

一些行业在不景气的前提下，部分行业业者“转业”；反而给光电产业，给LED行业提供了较充裕的资金支持。

五、LED路灯和高压钠灯路灯光效的比较

1、两种光源的光效（两者都以平均值计算）

（1）LED

　　以Cree为例:

标称值1W的产品其光通量已达130lm，我们取色温5000K-6500K的Q4来做比对，其最低光通量为100lm，最高光通量107lm，取其平均值为：

103.5lm.。

（见表1）。

表1CreeLED的色温和光效

　　在工作环境下，其结温可控制在Tj≤75℃。

Tj=75℃时：

其白光光效下降了15％，即光通量为103.5×85％＝88lm；实际光效为88lm／3.3V×350mA＝76.17lm／W（见图1）。

图1LED结温对光效的影响

（2）高压钠灯

　　分为普通型，中显色型及高显色型三种；另外功率不同其光效也不同。

见表2、表3、表4。

表2普通型高压钠灯技术参数

功率（W）

电特性

光通量（lm）

平均寿命（h）

2000h

光通维持率（%）

灯端电压（V）

熄弧电压（V）

电流（A）

额定值

平均值

150

100±15

116

1.8

14000

12700

18000　　12000

150

13500

12300

18000　　12000

250

100±15

120

3.0

25000

22500

24000　　16000

250

100±15

120

3.0

24300

21800

24000　　16000

85－90

400

　　+17

100

　　-26

125

4.6

44000

40000

24000　　16000

400

100±15

125

4.45

42700

38800

24000　　16000

1000

100±15

128

10.6

10000

18000

1000

100±15

128

10.3

18000

注:

1.150-400W的灯：

启动试验电压：

198V，最大启动时间5s。

2.50W、70W内启动型灯：

启动试验电压：

198V，最大启动时间60s。

3.50W、70W及1000W外启动型灯：

启动试验电压：

198V，最大启动时间10s。

4.相关色温：

1950K，一般显色指数：

表3中显色性高压钠灯技术参数

功率（W）

电特性

光通量（lm）

平均寿命（h）

2000h

光通维持率（%）

灯端电压（V）

熄弧电压（V）

电流（A）

额定值

平均值

150

100±15

116

1.8

10500

9500

9000

150

10100

9200

250

100±15

120

2.95

20000

18000

12000

250

19400

17400

400

100±15

125

4.5

30000

27000

12000

400

100±15

125

4.4

29200

26200

12000

注：

1.相关色温：

2170K，一般显色指数：

≥60。

2.启动试验电压：

198V，最大启动时间5s。

表4高显色性高压钠灯技术参数

功率（W）

电特性

光通量（lm）

平均寿命（h）

2000h

光通维持率（%）

灯端电压（V）

熄弧电压（V）

电流（A）

额定值

平均值

150

　　+10

100

　　-15

130

1.9

6600

6000

8000

250

3.1

13000

12000

8000

400

4.9

22000

20000

8000

注：

1.相关色温2500K，一般显色指数85。

2.启动试验电压：

198V，最大启动时间60s。

（表2、3、4摘自《电光源实用手册》，北京电光源研究所、北京照明学会编著2005年。

）

　　由表中可知：

显色性低、色温低、最大光效高达120lm/W；显色性优者，色温稍高，但光效低至40-50lm/W。

另外，同一类型的高压钠灯，功率越大，光效越高。

我们常说的高压钠灯光效达120lm/W,是指普通型的1000W，外启动式，其额定光通量lm，额定光效为120lm/W；为了比对,我们都取平均值，则其平均光通量也只有lm，即平均光效为110lm/W。

实际上路灯常用的高压钠灯多为400W和250W。

就以光效较高的400W为例，其光通量平均值为40000lm，即光效为100lm/W；若以250W为例，其光通量平均22500lm，即光效为90lm/W。

2、电路效率影响

（1）LED路灯的电源效率可达95%；高压钠灯电源效率仅为85%。

（2）LED无需镇流器；而高压钠灯需要镇流器，功耗很大，对于400W钠灯须配34W镇流器。

（3）LED无高次谐波；而高压钠灯电路存在着大量的高次谐波，不仅给电网带来威胁，而且对人体健康也有影响。

3、路灯灯具效率

　　LED小巧，可以每个LED单独进行二次配光，具有很高灯具光效，达88%左右。

　　高压钠灯灯具效率只有60-70%，取65%。

　　纵上所述，单从灯具光源的照明效率看：

　　Q4级LED：

ηL=（103.5lm/1.155W）×85%×95%×88%=63.7lm/W

　　250W高压钠灯：

ηN1=90lm/W×85%×65%=49.7lm/W

　　400W高压钠灯：

ηN2=100lm/W×85%×65%=55.3lm/W

　　此时Q4LED路灯照射到路面的有用照明光效比400W高压钠灯高15%；这里还不含光衰差别的影响。

4、寿命的定义与光通维持曲线

　　作为道路照明我们关心的是路面亮度（或照度）维持率，更重视整个照明过程的照明质量，所以对光源之光通维持率，我们应该十分重视。

LED是将光衰至70%定义为其寿命，达5万小时（见图4）；而高压钠灯是将一批光源点亮至50％的数量损坏定义为其寿命，平均可到2万小时，若按高压钠灯的寿命定义来衡量，则LED的寿命远大于10万小时。

或者若按LED的寿命或10%数量损坏定义来衡量，则高压钠灯的寿命是很短的，约1万小时。

它的2000小时光通维持率仅为85-90%，取中间值为87.5%。

此时400W高压钠灯光效为48.4%，250W高压钠灯光效为43.5%。

图2LED寿命曲线

　　当高压钠灯工作到其寿命周期中段（1万小时）时，LED的光通维持率达99%（Tj维持在小于75℃状态），而高压钠灯的光通维持率仅达73.4%，此时对于Q4LED的光效为：

　　ηL=63.7lm/WX99%=63.1lm/W

　　而250W高压钠灯为ηN1=49.7lm/WX73.4%=36.5lm/W；

　　400W高压钠灯为ηN2=55.3lm/WX73.4%=40.6lm/W。

　　也就是说在同时启用的状况下，400W高压钠灯的寿命中期（2000小时），其光效已比Q4LED低许多。

（约低55%）

六、路面照度均匀度比较

　　对于路灯照明，由于路面面积不同，灯杆高度不同，要求有不同的光分布，因此光学配光很重要。

　　LED由于小，且光线为单面射出，比较容易作二次配光设计，来满足路面照明的各项技术要求，尤其是均匀度要求，图3为一款LED路灯的光强分布曲线。

高压钠灯由于光源太大，光线四面八方发射，配光一直没有取得关键性突破。

图3、LED路灯光强分布

　　图中可看出：

该路灯光强分布合理，具有较均匀的路面照明。

而高压钠灯是很难做到这个水平的。

七、两种光源颜色的比较

　　色温不等同于颜色，同色温的光源并一定光色相同，反之亦是；但是二者有一定的关联，一般来说，对于同一类型光源，其色温越高则光色由暖色调往冷色调变化。

1、白光LED的色温从3000多K到2万多K，范围较宽；选用光色和中午日光（TC=4850K）相似的Cree生产的Q4LED（选择色温≦5500K）。

　　作为比较的高压钠灯则采用效率较高的400W、TC=1950K的低显色高压钠灯。

光色偏黄，透雾性较好。

　　光源颜色对驾驶员观察舒适度是有影响的，舒适度是一种心理感受。

它对驾驶员的影响可用不舒适眩光来表示，用眩光控制等级G来衡量。

　　G=13.84-3.31㏒Ｉ80+1.3（㏒Ｉ80/Ｉ88）1/2 —0.88㏒Ｉ80/Ｉ88+1.29㏒F+0.97㏒Lav+4.4㏒h’-1.46㏒P+C

　　对不舒适眩光的影响因素很多，光源的颜色系数C是其中之一；高压钠灯C=0.1,而LEDC=0；二者差别很小。

　　不舒适眩光控制控制等级G按1、3、5、7、9共分为五级，数字越小眩光越厉害；G≥5是可以接受的眩光；

　　两种光源光色对G贡献的差别仅为0.1，“0.1”相对于“5”的影响也只有2％。

　　由上可见：

高压钠灯与LED颜色虽然有差别，但对舒适度的贡献差异不大。

　　如果将灯杆高度从8米→9米。

则贡献相差是前者的3倍。

　　光源80°方向的绝对光强Ｉ80从30cd/klm降到20cd/klm（这在LED是可以做到的）则对眩光的影响从4.89降到4.31，相差0.58，是这两种光源颜色差别影响的近6倍！

2、光源的生物效应

　　复旦大学姚其等人在其“不同光源的人体视觉及非视觉生物效应的探讨”一文中指出：

人眼除了锥状细胞（决定明视觉Vλ）和杆状细胞（决定暗视觉Vλ＇）外。

还有第三种感光细胞，它对人眼褪黑素起抑制作用，对人体的生物周期起调节作用。

据此作者借用了基于相关实验结果定义的C（λ）曲线，定义VX'与VX的光通量比值为S/P值；C（λ）与V（λ）的光通量比值为生理周期影响因子acv值分别列于表5、表6。

表5各光源s/p计算值及相应的明暗视觉光效

光源

3000k

卤钨灯

3200k

荧光灯

5400k

荧光灯

6500k

荧光灯

2200k

高压钠灯

3000k

金卤灯

2800k

LED

5300k

LED

11000k

LED

20000k

LED

s/p

明视觉光效

暗视觉光效

1.71

1.28

1.91

2.07

104

0.65

120

1.23

111

1.17

1.86

2.81

141

2.67

134

表6各光源acv计算值

光源

3000k

卤钨灯

3200k

荧光灯

5400k

荧光灯

6500k

荧光灯

2200k

高压钠灯

3000k

金卤灯

2800k

LED

5300k

LED

11000k

LED

20000k

LED

acv

0.46

0.34

0.71

0.74

0.14

0.35

0.32

0.65

1.13

1.26

　　从表中可见：

色温5300K的LED其s／p值是中显色指数高压钠灯的3倍；（如果是低显色指数高压钠灯则低更多倍）。

acv值是4倍。

即使按s／p值算，此时的LED比400W高压钠灯又亮了3倍。

当然，这是主观感觉，是基于s／p值的科学结论；而非照度计测出的数。

文中得出结论：

“⑴在一些需要照明较暗的情况下，像道路照明或是住宅小区内的照明，可以使用色温较高的光源，这样在相同的照度水平（明视觉）下，将会起到更好的视觉效果；或者可以降低相应的照度水平，仍然可以起到相同的视觉效果，保证节能。

同时较高的色温也能促进人神经的兴奋度，保证安全。

⑵自然光为连续光谱，相较于人工光源色温高。

它是人体长期适应的光。

⑶适当使用高色温光源，即较高acv值对身体有积极作用。

”

3、色温对视觉功效的影响

　　重庆大学张青文等人在“光源色对隧道及道路照明视觉功效影响的研究”一文中指出：

“目前国际上研究中间视觉的方法主要有：

（1）基于视觉度的异色视亮度匹配法；

（2）基于亮度的闪烁光度测量法；（3）基于反应时间的视觉功效法；（4）基于光源的暗视觉光通量与明视觉光通量之比（S/P值）的研究方法。

在上述方法中，视觉功效性被认为最具合理性。

为此，CIE于2000年建立了专门的技术委员会（TCI-58）进行中间视觉状态下视觉功效的研究工作。

”

　　作者们自制设备对多种光源进行实验，获得大量数据，得出结论如下：

　　“在中间视觉条件下，高色温的光源可提高大脑的兴奋程度，使注意力集中，从而增快对瞬态事件的反应速度，而低色温光源会降低对瞬态事件的反应速度。

”

　　它“不仅印证了国外关于‘照明光源对人体外视觉生理功能作用’的理念和‘光生物’方面的研究成果，更重要的是，提供了光源色温影响视觉功效的实验依据，为制定出更加科学和合理的隧道及道路照明设计标准打下了基础。

”

　　上述两大学的研究以及国外的相关研究，进一步证明了LED不仅可以用于高速路、主干路照明，而且有更好的视觉效果，更加节能，更快的反应速度，行车更安全。

八、显色指数的比较

　　高压钠灯的显色指数Ra只有0.23，它近乎单色光，根本分不清颜色，它对目标的分辨、目标空间深度的判断都很差。

　　Q4LED的Ra≥65，相对于前者有较大的改善。

在其他照明条件相同的状态下，LED比高压钠灯有好得多的分辨能力。

九、价格的比较

　　一盏400W高压钠灯路灯约需1500元左右，而一盏优质250WLED路灯约需8000元，比高压钠灯路灯贵许多倍，虽然LED路灯在电缆的费用、电费的节省、寿命等方面得到补偿（见表10），但是一次性投入这么大，还需考虑利息的支出，纵使有众多优点也让使用者难下决心。

价格因素始终是LED路灯发展的羁绊。

但是也要看到LED在迅速提升发光效率的同时价格也在迅速下降中。

更何况路面照明是政府之公益照明，更应考虑社会效益：

如节能、安全、环保、绿色照明等因素。

十一、温升的控制

图7为厦门晨耀公司200W路灯的温升曲线，由于采用热管技术和纳米技术，其温升得到较好的控制。

图7、厦门晨耀公司200W路灯的温升曲线

　　图中可见：

其灯具温升小于30℃；可保证LED结温小于75℃。

使LED的光效和寿命得到保障。

Δ、与传统高压钠灯经济对比

　　270W的LED灯相当于400W的高压钠灯照明亮度，以3年为周期，按每日照明10小时计算，LED的使用寿命3年，高压钠灯使用寿命1年，共500盏路灯。

表8为两种路灯的经济对比。

表10、经济对比

费用

　　灯具类别

对比项目

LED路灯

普通路灯

灯具采购成本

灯具配置

光源：

270WLED灯

照明时间：

10小时

灯杆高度：

10M 500盏路灯

杆距比为1：

3.5

光源：

400W高压钠灯

照明时间：

10小时

灯杆高度：

10M 500盏路灯

杆距比为1：

3.5

灯具采购成本费用

8000元/盏套（量产价格）

8000元/盏*500盏=400万元

1500元/盏套

1500元/盏*500盏=75万元

新装路灯电线电缆变压器配电箱费用

安装1000盏路灯电线电缆费用

每盏路灯间距35米,每根灯杆10米,故每盏路灯实际用线应为45米,500盏路灯用线22500米,加上到变压器的线路估2500米,合计上述用线25000米.LED路灯按VV5*16的电缆,价格为80元/米,500盏路灯电线电缆费用:

25000米*80元/米=200万元

每盏路灯间距35米,每根灯杆10米,故每盏路灯实际用线应为45米,500盏路灯用线22500米,加上到变压器的线路估2500米,合计上述用线25000米.高压钠灯路灯按VV5*35的电缆,价格为180元/米,1000盏路灯电线电缆费用为:

25000米*180元/米=450万元

配电箱费用

500盏路灯按100盏一个配电箱,LED路灯每个配电箱900元/个,配电箱费用为:

900元/个*5个=0.45万元

500盏路灯按100盏一个配电箱,高压钠灯路灯每个配电箱1200元/个,配电箱费用为:

1200元/个*5个=0.6万元

变压器费用

500盏LED路灯总功率135KVA,应使用200KVA变压器,费用为:

13.5万元/只*1只=13.5万元

500盏高压钠灯路灯总功率200KVA,应使用400KVA变压器,费用为:

19万元/只*1只=19万元

新装路灯电线电缆变压器配电箱费用合计

200万元+0.45万元+13.5万元=214万元

450万元+0.6万元+19万元=469.6万元

初期投入财务费用合计

400万元+214万元=614万元按目前年利率7%计算3年LED路灯初期投入费用利息为：

614万元*7%*3年=129万元

75万元+469.6万元=545万元按目前年利率7%计算3年高压钠灯路灯初期投入费用利息为：

545万元*7%*3年=114万元

维护费用

3年路灯维护费用

LED路灯的维护费用按30元/盏.年计算，500盏3年（LED路灯的使用寿命是三年）维护费用为：

500盏*30元/盏.年*3年=4.5万元

高压钠灯路灯每年要进行换灯工作，其维护费用按300元/盏.年计算，（高压钠灯光源灯泡寿命为1年，需增加两次光源的成本，一只400瓦高压钠灯金额为90元）,500盏3年维护费用为：

500盏*300元/盏.年*2年+90元/盏*500盏*2次=39万元

耗电费用

3年的耗电成本（每天亮灯10小时,LED路灯后半夜只亮一半的功率，每度电以0.65元计算）

计算方法以每天亮灯10小时，每度电以0.65元人民币计算。

500盏LED路灯3年总耗电量为：

500盏*（0.27千瓦*4小时+0.135千瓦*6小时）*365天*3年=度电，则电费为度*0.65元/度=67万元

计算方法以每天亮灯10小时，每度电以0.65元人民币计算。

500盏传统路灯3年总耗电量为500盏*0.4千瓦*10小时*365天*3年=度电，则电费为度*0.65元/度=142万元

路灯运行费用合计

4.5万元+67万元=71.5万元

39万元+142万元=181万元

新安装500盏路灯3年费用总计

614万+129万+71.5万=814.5万元

590万+124万+181万=839.6万元

采用LED路灯节省费用

839.6万元-814.5万元=25.1万元

社会效益及LED路灯后续发展

LED路灯绿色环保，无污染、无有害气体、节能。

国家已经将“节能减排”定为我国的国策，各级政府也制定了“节能减排”的任务和指标。

上述经济效益的分析只是目前的状态。

LED行业的发展是非常迅速的，随着LED各项技术的突破，LED性价比将会有很大提高，综合费用特别是初期投入费用将会有很大的下降空间。

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