中南林业科技大学本科毕业论文 LED 在道路照明中的解决方案及应用第 1 页 1 1 引言引言路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯360 度发光，光损失大的缺点造成了能源的巨大浪费。当前，全球的环境在日益恶化，各国都在发展清洁能源。而随着国民经济的高速增长，我国能源供需矛盾日渐突出，电力供应开始存在着严重短缺的局面，节能是目前所急需解决的问题。因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的 LED 路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。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，LED 路灯以定向发光、功率消耗低、驱动特性好、响应速度快、抗震能力高、使用寿命长、绿色环保等优势逐渐走入人们的视野、成为目前世界上最具有替代传统光源优势的新一代节能光源，因此，LED 路灯将成为道路照明节能改造的最佳选择。LED 路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率 LED 路灯的光源采用低压直流供电、由 GaN 基功率型蓝光 LED 与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点，可广泛应用于城市道路照明。外罩可用 PC 管制作，耐高温达 135 度，耐低温达-45 度。 LED 路灯即半导体照明灯。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，因此，LED 路灯将成为道路照明节能改造的最佳选择。图 1：LED 路灯中南林业科技大学本科毕业论文 LED 在道路照明中的解决方案及应用第 2 页 2 2 国家对国家对 LEDLED 在路灯中应用的支持在路灯中应用的支持国家为发挥科技支撑作用，促进经济平稳较快发展，着力突破制约产业转型升级的重要关键技术，推动节能减排，有效引导我国半导体照明应用的健康快速发展，扩大半导体照明市场规模，拉动消费需求，促进产业核心技术研发与创新能力的提高，迅速提升我国半导体照明产业的整体竞争力，在天津市、河北省石家庄市、河北省保定市、辽宁省大连市、黑龙江省哈尔滨市、上海市、江苏省扬州市、浙江省宁波市、浙江省杭州市、福建省厦门市、福建省福州市、江西省南昌市、山东省潍坊市、河南省郑州市、湖北省武汉市、广东省深圳市、广东省东莞市、四川省成都市、四川省绵阳市、重庆市、陕西省西安市等 21 个城市开展半导体照明应用工程（简称“十城万盏” ）试点工作。 图 2：LED 路灯道路安装2.12.1 LEDLED 路灯的应用案例：路灯的应用案例： 广东省从 2009 年起，开始大规模实施“千里十万”LED 路灯产业化示范推广工程，建设总里程 1500 公里左右、规模约 10 万盏的 LED 路灯示范推广工程。扬州计划两年投入 3.3 亿元应用 5 万盏 LED 灯具升级城市道路照明。 厦门计划两年推广 3 万盏 LED 道路照明灯具。图 3：深圳 LED 路灯工程案例 4、成都计划实施 1.5 万盏 LED 路灯推广项目。 中南林业科技大学本科毕业论文 LED 在道路照明中的解决方案及应用第 3 页 图 4：LED 路灯东莞大朗工程5、山东省潍坊市于 2006 年开始实施 LED 照明示范工程，安装 LED 路灯已超过3 万盏。今后，新建道路和公共场所一律安装 LED 灯，到 2011 年累计安装 LED路灯 10 万盏。 6、石家庄将推广使用 8000 盏 LED 路灯。其他城市 LED 道路照明项目都已经陆续启动。 7、美国洛杉矶计划 5 年内设置 14 万盏 LED 路灯；纽约州，犹他州已经启动LED 路灯的招标；台湾地区宣示三年内更换 128 万盏 LED 路灯。 图 5：大功率 LED 路灯工程2.22.2 LEDLED 路灯应用所带来的效益路灯应用所带来的效益在不改变道路亮度的前提下，用 LED 路灯替换传统的路灯能为国家、地方每年减少财经支出、节约能源、减少有害气体的排放；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；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；2.2.1 经济效益： 表：路灯替换高压钠灯经济效益对比表名称250W 替代对比LED 路灯 400W 替代对比LED 路灯 灯泡功率（W）250120400180电源功率（W）802013025实际耗电功率（W）330140530205日耗电量（度/日）3.961.266.361.85年耗电量（度/年）1445.4459.92321.4897.9中南林业科技大学本科毕业论文 LED 在道路照明中的解决方案及应用第 4 页 电费（元/年）1329.77423.112135.69826.07维护（元/年）20002000灯泡（元/年）10002000总费用（元/年）1629.77423.112535.69826.07两组数据分别节省：1206.66 元/年，1309.62 元/年（电费 0.92 元/度） 2.2.2 环境效益 中国大部分电能来自于火力发电站，如果用标准煤发电，需要燃烧0.374kg 的标准煤才能得到 1 度电，并且产生 0.011kg 的与0.381kg 的。分别用 120W 的 LED 路灯替换 250W 的高压钠灯表 2：LED 灯替换高压钠灯减少与的年排放量 项目数值（120W/盏） 330y 510 77 95在配光特性款向中要求：“LED 灯具光度分布必须符合表 4 的要求（光度角度示意图见图 6），LED 路灯的初始发光效率不得低于表 5 的规定”。中南林业科技大学本科毕业论文 LED 在道路照明中的解决方案及应用第 5 页 图 6：光度角度示意图表 4 灯具光度特性单位：光度（cd）/灯具光通量（klm）灯具型试铅直角 90 260 350LED 路灯主要应用到城市快速路、主干路、次干路、支路、工厂、学校、园林、各种住宅小区、庭院等道路照明。4 4 与传递光源相比与传递光源相比 LEDLED 路灯的优势路灯的优势与以高压钠灯为代表的传统路灯比较，LED 路灯具有很多显在和潜在的优势。4.14.1 光效高，能耗低光效高，能耗低目前大功率白光 LED 的光效已超过 100lm/W，科锐（Cree）、欧司朗（Osram）光电半导体等公司的大功率白光 LED 的实验室水平早在 2009 年年初就达 160lm/W。根据美国能源部（DOE）预测，到 2020 年前后，大功率 LED 商业产品的光效可以达到 165lm/W，实验室样品光效可以达到 230lm/W。到 2020年之后，LED 光效基本不再会有大的提高，将进入一个迟缓期。在道路照明方面，高压钠灯因为其光效可达到 120lm/W 而占主导地位。但是，随着 LED 光效的不断提高，高压钠灯路灯的垄断地位岌岌可危。目前在次干道上使用的 150W 以下的 LED 路灯，已体现出明显的节能优势。传统路灯光源一般向整个空间发光，但需要路灯照亮的只是行车和行人的路面，因此在路灯灯具设计时，为了尽可能地使灯光均匀并集中地投射到路面上，需要使用曲面反射器来收集光线，使其向所需要的方向照射。在光线传播过程中，由于光源的阻挡和反射面的吸收而损失，致使路灯的出光效率仅为65%70%。反观 LED 路灯，因其具有良好的方向性，在采用二次光学透镜时，灯具效率可达 80%左右。如果再进行三次光学设计，灯具的出光效率可达85%90%。表列示了某一 400W 的高压钠灯与一盏 250W 的 LED 路灯灯具效率及路面利用率等参数比较。中南林业科技大学本科毕业论文 LED 在道路照明中的解决方案及应用第 6 页 表 400W 高压钠灯与 250W 的 LED 路灯参数比较路灯类型额定功率（W）光源光效（Lm/W）灯具效率（%）路面利用率（%）实用光通量（Lm）高压钠灯400125705519.000LED 路灯和使用传统光源路灯的光学设计方式是不同的。传统光源路灯是通过使用反射器将一个光源的光通量平均分配到受照路面上。而 LED 路灯的光源由非常多个 LED 组成，通过设计每个 LED 的投射方向，使受照路面获得均匀的照度。LED 路灯配光包括一次配光（采用封装透镜）、二次配光和三次配光。当通过二次配光可以满足路面亮度、照度及其均匀度要求时，则无需再进行三次光学设计。要满足道路照明的要求，LED 路灯的配光必须经过多次反复设计才能实现。目前人们研究出很多 LED 路灯配光方案，例如 LED 一次配光（即透镜封装）加灯具的二次配光、LED 的二次配光（利用二次透镜）加灯具的三次配光及反射器配光等，但是，无论哪一种配光方案，还不能做到科学合理，不同程度地存在整体光学效率低、存在较大眩光和路面亮度、照度均匀性差等问题。目前，LED 路灯在次干路和支路上的应用前景非常好。次干路是城市中与主干路结合组成路网，起集散交通作用的道路。次干路的照度要求达到 15lx，照度均匀度0.4，平均亮度要求达到 1.0cd/m2，亮度总均匀度 0.4，亮度纵向均匀度 0.5，阈值增量10。达到节能水平的 LED 路灯，在照明质量达到以上要求的同时照明功率密度应小于国家标准的规定，当车道数4 条时，照明功率密度0.70，车道数4 条时，照明功率密度0.85。为满足上述要求，LED 路灯的配光形状应有严格的要求。在马路的纵向，光束应投射到较远的地方，使得灯具的间距增大。在路灯的下方，光强应是最小的，随着仰角 增大，光强 I中南林业科技大学本科毕业论文 LED 在道路照明中的解决方案及应用第 7 页 增大。当 I和 满足一定的函数关系时，路面能得到均匀的照度。此函数关系如下图 7： 图 7当然，由于光学设计的复杂性，配光形状难以完全符合此函数关系，可以减小 角的投射范围，减少灯间距来得到均匀的照度。在马路纵向，最大光强度的投射方向与马路纵线应成一定的角度 c，角度 c 的大小决定于马路的宽度，见图 8。在垂直于马路的方向上，路灯的配光曲线形状也可以按这个函数关系设计， 角的范围决定于马路的宽度(c=90)和人行道的位置(c=270)，见图 9。图 8图 9目前，在许多工厂设计的 LED 路灯中也不乏有配光姣好的例子。比如图10 是一款 120WLED 路灯的配光曲线。它的最大光强通过 c 角 15， 角57.5。c=0、180、15的配光曲线的形状接近于公式 1 的函数关系式。此灯具用在四车道的次干路上，双侧对称布置，当灯杆高度为 8 米，灯具间距 30 米时，照明质量符合国家关于道路照明标准的要求，结果如表 7。其照明功率密度(LPD)是 0.70，也达到了对高压钠灯路灯的照明功率密度要求。中南林业科技大学本科毕业论文 LED 在道路照明中的解决方案及应用第 8 页 图 10表 7：国家关于道路照明标准的要求路面平均亮度亮度总均匀度0.47路面平均亮度路面平均亮度图 126.2 散热问题散热问题LED 路灯的散热能力直接影响 LED 的实际发光效率及其寿命。LED 为电致发光器件，在其工作过程中只有 15%25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使 LED 的温度升高，导致光效急剧下降。如果 LED 结温超过最高允许温度（一般为 125），LED 将会因过热而损坏。因此在 LED 灯具设计中，最重要的一项工作便