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摘要：随着发光二极管（LED）技术的迅猛发展，LED光源在道路照明中也逐渐显露出来，受到人们越来越多的关注和认可，但是目前LED在我国道路照明中的应用还很有限，LED本身还存在一些需要改进的问题。本文主要分析了LED路灯在道路照明中的应用现状以及LED路灯存在的技术问题，进行了进一步的探讨。
关键词：LED路灯；道路照明；设计
一、LED的设计要点
目前，我国城市道路照明事业发展非常迅速，它伴随城市化建设进程的加快和市政投资力度的加大而不断进步。目前，全国范围内的市政照明灯具早已超过1亿盏，且灯具的功率总量高达3千万千瓦以上，每年由此所损耗的电能大约为700亿度，这个数字无疑非常庞大，由此引起的电能费用也相当高。面对国内不断上涨的电能需求和日益激烈的电能供应矛盾，国内多个城市都在努力研究节能减排工程，抓好市政照明用电的节约工作，这也为LED灯具的应用和设计提出了新要求。就LED在城市照明路灯的设计工作中，具体设计方法如下。
1.1光线设计
光学元件是照明灯具中不容忽视的一部分，它对整个路灯的美观、节能和科学性有着指导意义，同路灯的节能有着重大影响。对于当今城市发展而言，良好的道路照明配光通常都设置为长方形的灯具，这种灯具发出的光线大多都是刚刚覆盖在马路上，而对于马路之外的影响几乎为零。但是就这种光线设计而言，工作难度非常高，它需要从光线的二次光学元件入手，利用LED路灯本身的长方形配光模式，让其直接在单个LED组件上实现。这种路灯在具体设计工作中我们只需要将其按照相同组模进行布置方可，而无需要简化电源、散热器、路灯等设备。这也决定了LED路灯的配光及光输出效率，也是评判LED路灯整灯质量最重要的组成部分之一。
1.2散热设计
经过多年的工作实践总结我们发现，LED路灯在整体设计的过程中存在着散热效果不佳的特点，因此为了更好、更大范围的推广LED路灯，我们在工作中需要重点解决散热设计问题，这是因为这种散热如果得不到有效的解决必然会影响到LED光源的使用寿命和衰弱性。在测试的过程中，我们需要从路灯设计结构入手，根据城市未来发展需要来制定散热模式，并且还要结合当地气温环境，比如7～8月份夏季时LED路灯出现故障的频率也非常的明显。但是随着环境温度的逐渐降低，9月份之后路灯故障的概率也就随之着下降。这主要是说明了一些灯具在对散热问题的处理上存在很多不足。
1.3LED路灯的驱动电源设计以及与配置问题
LED路灯在实际的使用中，电源故障可以说属于灯具出现故障的主要问题。电源驱动电路的可靠性又是整灯系统可靠性的最重要的因素。经过现场的测试和检验，出现整灯熄灭以及部分损坏，个别的LED灯珠出现“死灯”，整灯闪烁“虚亮”的现象的产品，电源故障的原因的比重比较大。LED驱动电源的主要功能是把交流市电去转变为比较适合的LED的直流电。在选择以及设计LED驱动电源的时候要考虑到高可靠性和高效率以及高功率因数和功率，还有驱动方式和浪涌保护以及温度负反馈保护功能等一些因素。同时还要去考虑外安装型的电源结构要防水和防潮以及外壳要耐晒防护问题。驱动电源的寿命也要和LED的寿命相匹配。
1.4提升灯具系统的效能与整灯综合效率
若选用的元器件质量上不合格，灯具系统的稳定性以及可靠性就会比较差；如果结构和电路设计过于复杂的话，那么就会增添很多故障出现的概率，这样不但减少了电源的可靠性，同时还很大程度的降低了整个道灯的可靠性；工艺质量把关不严格，灯具的产品也会出现很多的隐患。在发生故障的LED路灯中，均暴露出不同程度生产工艺水平不高的问题。如焊接线与焊盘假焊、防水接头安装不牢进水、LED模组密封不严、散热面积不够、LED灯珠光效低，灯珠色偏移大、电源功率因数过低、灯具形状，外观设计相对单一和结构不美观等问题，都会对灯具系统效能和灯的品质有所影响。小到灯具内的零部件固定不牢，运输振动都会产生灯具的断路，造成灯具上杆不亮。所以提升灯具系统的效能以及整灯综合效率与质量也是LED灯具设计和生产还有应用及发展中不能够忽视的问题。
二、常规路灯照明型式
当前，我国应用较多的路灯照明包括风光互补、市电、太阳能这三种型式，三者各有特点和应用侧重，总结概括如下：
2.1市电路灯照明型式
市电路灯照明型式是当前我国各城市里应用较为广泛的一种照明方式，该方式照明效果好且照明方式灵活多样，灯具较易维护，被应用于多种标准的道路照明系统，其缺点是需要敷设电缆管线并配置路灯供电设备，施工以及安装的工作量比较大。
2.2太阳能路灯照明方式
太阳能路灯通过吸收太阳光，不需要接入市网电，而是通过光电转换将太阳能转化为电能，并LED光源配合来为路灯供电，是一种科技含量较高的绿色路灯照明型式。该方式最突出的优点是节能、环保，同时不需要敷设电缆管线和配置路灯供电设备，安装施工方便工作量小。路灯开关是通过时控器感应外接亮度变化来控制，不需要人工操作。这类型式的缺点是应用范围较窄，适用于次干道及以下道路的照明，不适用城市中心区的道路照明，设备周边不能有遮挡，同时灯具维护频繁。近年来，政府将大量资金投入到点亮新农村工程项目中，使众多乡村道路的照明问题得到了解决，给农村偏远地区带来实惠的同时也为太阳能照明开拓了市场空间，积累了工程经验。
2.3风光互补路灯照明方式
风光互补路灯可以在白天利用太阳能和风能发电供电，而在晚上则可以通过风能发电来供电，将风能供电和太阳功能统一配合应用起来，增强了供电系统的可靠性和稳定性。其缺点是系统结构复杂，运行维护费用较高。
三、LED路灯在工程应用上的优势
由LED的原理及特点，结合实际中应用，LED灯主要有以下六个方面的优势：
3.1LED路灯与传统高压钠灯路灯参数比较
图1LED路灯与传统高压钠灯路灯的性能参数对比
对比项目LED灯传统高压钠灯对比结果光源特点固体照明气体放电照明固体照明更为坚固，耐撞击。光通量高（>100lm/W）高（>100lm/W）高压钠灯具有较宽的光谱，光照和照度优于LED，但由于光谱中部分光不能起到照明的作用，照明效果较差。显色指数优（>80）差（20左右）色温可变较低高压钠灯色温固定，维持在2100K左右，而LED灯色温变化范围大，在2000～7000K之间。灯具功率高一般LED相对于传统光源耗能可节省30%。配光设计多变固定LED灯为点光源，有利于配光设计，可以控制光照分布，提升光利用率。使用寿命50000小时10000小时实际使用寿命高于高压钠灯。环保性无污染重金属污染LED光源无污染，可循环、可重复回收利用。功率特点恒定功率变功率变功率降低高压钠灯使用寿命，且增加耗能。启动电压85～265V>198VLED光源启动可适应较宽的电压范围。光衰减性<3%/年30%/年LED灯光衰减小。健康度高低LED灯光线中含紫外线和红外线少，辐射污染少。电器安全50V安全电压高压LED灯工作电压电流小，较安全。从上述对比分析中可以看出，LED路灯作为一种固态冷光源，能够将电能转化为光能，环境友好、污染少、耗能低，同时具有较高的光效和寿命。
3.2LED灯的发光效率高，灯具反射损失低
LED灯发出的光大部分无须经过反射即可到达被照射物体，最大限度地发出光能，这能够有效提高灯具效率，在同等照度下，LED实际消耗的电能更低。以168W的LED路灯为例，它的初始光通量为19200lm，由于LED是单向性发光，灯具效率较高，透镜损失10%，灯具损失10%后，整体灯具的光通量为15900lm，灯具总功率为215W，所以该LED路灯的灯具光效为74lm/W。
钠光源的光效一般是90～140lm/W，但是因为是360°发光，应用到需要照射方向的光较少，只有30%，因此必须通过反射部分非照射方向的光以达到更高的光的利用。并且光谱中很多光起不到照明作用，例如紫外、红光、黄光等。由于灯具设计的固有缺陷以及成本限制的原因，钠灯灯具效率一般在40%～45%之间变化。例如，在使用中，光源功率250W钠灯其初始光通量为30000lm，但灯具光通量仅仅达到13500lm，也即250W钠灯实际功率只有300W，灯具光效为45lm/W，光的利用率较低。
3.3LED灯为恒流驱动，不受电网波动影响
LED（LightEmittingDiode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它没有燃烧的灯丝和电离的气体，大多为恒流驱动，这与传统光源是不同的。
LED灯一般通过交流转变成12～24V直流供电，适用于85～265VAC的全电压输入范围，范围很宽，全球通用，并且对启动电压和电流都没有要求。如果对每个LED模块实行智能监控，采用PWM恒流技术，电网不管怎样波动，都能精确恒流，使LED工作安全电流下。LED灯的能耗大小几乎不随电源电压变化，所以它工作时的温度非常低，对电网影响也小，因此在满足电缆敷设的条件下，可以设计采用线径相对较小的电缆，故采用LED路灯还可节省能电缆方面的费用。此外，LED光源的工作电流大小可以控制，因此能够控制亮度。只要电流在额定的范围内，无论是频繁地开关电源还是通过控制系统调节电流，LED的寿命均不会受到影响。
3.4LED灯寿命长，维护费用少
LED灯寿命长，耐冲击震动，不易碎，所需维护费用少。由于LED灯的使用寿命长，在使用维护方面可以进一步节约成本。LED路灯价格方面，目前已有厂家克服了高成本，14000lm的路灯，成本可以控制在2000元以内，逐步解决了在使用LED路灯方面的最大顾虑。
3.5LED路灯不含铅、汞等污染元素，对环境没有污染
高压钠灯等气体放电光源的工作原理是电弧的高温作用激发液纳汞气发光，气体放电光源在生产过程中会对环境造成汞污染，即使是光源失效后在废品处理过程中也会产生汞污染。据统计，自工业革命以来，地球大气环境的汞含量上升了400多倍，土壤、地下水、大气被污染后，对人类以及动植物产生了巨大的威胁，而LED路灯则不存在这些问题。电网环保方面，LED路灯功率因数高，谐波失真率低，目前很多厂家已做到功率因数φ≥0.9，谐波失真η≤20%，有效降低了其在供电线路中的损耗，并避免了高频干扰与电网污染。另外，LED光源无紫外线、热辐射低，并且纯直流工作，无闪烁，消除了传统路灯频闪引起的视觉疲劳。
3.6LED路灯产品多样化
LED产品一般为模块化设计，有多种组合形式，每个模块是一个独立的光源且可互换，可任意组合成不同功率及亮度需求的产品，并且局部故障不影响整个灯具的正常工作，方便拆卸及维护。另外，目前某些LED产品采用灯管式设计，可直接替换现有的路灯灯管，无需更换灯具外壳，节约灯具成本。
结束语
LED道路灯具在照明领域是技术要求很高的功能性照明产品，要使LED灯具广泛地应用于道路照明领域，目前有一些关键技术问题急需解决，如眩光控制、灯具配套等。并且LED灯具配光曲线、利用系数等计算资料还很少，不利于道路照明设计选用。近年来，随着LED灯具设计地不断优化和完善，LED路灯在次干道及支路的应用也日趋成熟，而广泛应用于城市主干道还需进一步探索。
参考文献
[1]CJJ45-2006.城市道路照明设计标准.2010.9
[2]肖辉乾.城市夜景照明技术指南.中国电子工业出版社.2011.8
[3]窦林平.国内LED照明应用探讨.照明工程学报.2010.12