在節能減排的大背景下，各地政府的“十城萬盞”LED路燈項目，進行得轟轟烈烈。然而，由于很多項目倉促上馬，沒有取得理想的效果，有些路段存在著LED路燈不節能、光衰明顯、照明效果差、使用壽命短的問題。從而不少專家認為 LED 作為路燈來取代高壓鈉燈在技術上還不成熟，甚至有LED路燈替代傳統高壓鈉燈是災難的說法。對此，LED路燈廠家明顯不認同，雙方爭辯日趨激烈，但均沒有做定量的詳細分析，停留在定性分析層面，主觀判斷較強。從用戶角度來看，由于信息的不對稱，用戶寄希望于壓低采購價以求避免更大的損失，從而導致出現了“劣幣驅逐良幣”的現象，市場上充斥著大量夸大宣傳、質量不佳的產品。
對此現象，本文從技術的角度，不回避LED使用上存在的問題，逐一分析，力爭還原LED路燈在大規模應用的障礙，以科學和理性的態度提出相應的對策，促進行業的進步。
LED路燈存在的主要問題
LED路燈在使用中發現各種問題，這些問題阻礙著LED路燈的大規模推廣應用，主要的問題有以下幾點：
1.LED 的發光效率無法和高壓鈉燈相比，節能效果不明顯;
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象;
3.LED 路燈的光衰嚴重，壽命不長;
4.LED 路燈本身自重過重，不利于安裝，防風;
5. LED路燈的顏色偏白，穿透性不強，不利于雨霧天氣的照明;
6.LED 路燈造價過高，初始投資高企。
對策分析
我們從國購光電科技公司的邁格銳品牌LED路燈實際產品應用測試出發，針對以上問題，叢技術角度探討如下。
LED路燈節能效果問題
鈉燈標稱光源效率為120-140lm/W，其光線是向四處發射的，燈具的效率較低，一般燈具光效率只能達到70%，以250W高壓鈉燈為例，其標稱功率為250W，加上電源功率，其輸入功率達到280W，其燈具效率為69lm/W。另外高壓鈉燈沒有針對路面設計配光，有很大一部分光無法到達路面，其照明路面利用率為55%左右，以12米路燈桿為例，實際計算有效光輸出為10780lm。高壓鈉燈的顯色指數差，只有20 到40，感覺昏暗，物體顏色難以在燈光下分辨;
邁格銳品牌LED路燈，經第三方單位上海半導體照明工程中心檢測，整燈效率達到120lm/W。以100W LED路燈為例，其光源效率達到140lm/W， 電源效率為92%，光學效率為95%，色溫4000K。采取蝙蝠翼型配光，其照明路面利用率達到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路燈的顯色指數高，可以達到70-80，所以路面明亮，感覺舒適，司機和行人更容易識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路燈參數對比表
表1列出了在路面照度相同的情況下，不降低路面照度，進行LED路燈替換傳統鈉燈。可用邁格銳LED 60W路燈替換150W高壓鈉燈(實際功率170W)的高壓鈉燈，節能效果65%;可用100W LED路燈替換250W高壓鈉燈(實際功率280W)，節能效果64%;可用175W LED路燈替換400W高壓鈉燈(實際功率450W)，節能效果61%。在合肥市玉蘭大道路段的現場實測，以100W LED路燈替換250W高壓鈉燈，更換前后，路面照度不變，節能比例為65%。
LED路燈路面照明效果問題：
傳統的高壓鈉燈，其光學分布為圓形，燈具正下方亮度最亮，路面照明利用率不高。對于LED路燈，如果不進行二次光學設計，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，對每個燈珠加裝二次光學鏡頭，進行配光，由于是多點式光源，容易造成燈下的物體多重影像，影響駕車安全;并且由于在技術上很難對多點同時配光，導致路面照射效果不佳，存在著斑馬紋現象。
邁格銳LED路燈，采取COB方式集成光源，及一次成型光學玻璃透鏡，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化玻璃方式。多透鏡方式需用2次光學透鏡，透光率在80%以下。集中式配光提高了燈具的光學效率以及更容易達到理想的蝴蝶型配光。經現場實測，路面照明均勻度(照明均勻度=平均照度/最大照度)可以達到0.82，道路照明照度均勻，遠遠高于國家標準照明均勻度0.4。
LED路燈的壽命和光衰問題：
散熱、材料、防護等級決定了LED燈具的壽命和光衰。首先，LED壽命是指在結溫85度時，可以達到5萬小時。溫度每增加10度，壽命減半。相反，溫度每降低10度，壽命會延長一倍。目前來說，在LED 的發光效率還沒有提高到極高的程度，還只能盡量改善其散熱來延長LED 的壽命。LED每個小晶體雖然耗能微小，但就算只有1W，也因其晶體導熱面積過小，導致熱流無法迅速導出，傳統利用銅或其他K值高的材料試圖將熱導出，仍然無法解決，其原因為大多數熱傳導專家忽略擴散熱阻的原因。若將許多LED小晶體COB集成封裝，其熱的互相影響更加嚴峻。LED的熱流密度達80W /cm2，然而金屬材料在導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式熱超導均溫板熱流密度已達到170W/cm2，非常適合LED的散熱基材上。第一代LED路燈，完全采取被動散熱的技術，依靠自然的傳導和對流來進行散熱，在散熱處理不到位的情況下，有的LED路燈的結溫可能達到了115度，其理論壽命只有6000小時。邁格銳LED路燈，采取了主動散熱技術，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，經紅外測溫攝像儀實測，在環境溫度30度下，其結溫為75度，這就大大提高了LED 燈具的使用壽命。預計在工作十年以后，其光衰只有10%。采取的COB方式的集成光源，經2500次實驗室-40度到50度溫度循環試驗，其光衰在1%之內。
由于路燈在室外復雜的氣候環境下使用，材料的選用至關重要。第一代LED路燈，普遍選用有機材料如PVC做成二次配光的透鏡，如圖1所示，普通的PC材料，在室內使用3萬小時后，其透光率只有初始值的85%。考慮到室外的環境，一般有機材料在使用兩三年后，就會出現開裂、劣化、泛黃的現象，特別在室外溫度為零下40度的場合，有機材料容易發生開裂，這個問題還沒有引起普遍的重視。而邁格銳LED路燈，采用光學玻璃鏡頭，其特性和透光率不隨時間和溫度變化而改變，消除了因材料引起的壽命隱患。
圖1 材料的透光率與時間的關系
防護等級也決定了LED燈具的壽命，LED燈珠屬于低壓半導體部件，依靠涂布在LED管芯的熒光粉而發出白光。潮氣的進入，會影響硅膠的特性，改變熒光粉的分子結構，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光源，需要防護遮蔽的面積大，很難做到防水防塵，有些路燈甚至有蚊蟲進入。邁格銳LED路燈采取了集成式光源，防護等級可以做到IP67， 可以在水下安全點亮，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。與多鏡頭方式LED路燈比較， IP防護等級更高，杜絕了蚊蟲、粉塵以及潮氣對燈具的壽命影響。
LED 燈具的自重問題
目前大部分廠商所生產的LED 燈具，其自重極重，通常都超過10公斤。這樣大的自重往往會使燈桿不勝負荷，降低了其抗風能力，安裝辛苦、危險，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，采用主動散熱技術，利用均溫板、熱管和航空鋁翅片進行三重散熱，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。對比如圖2所示。
圖2 被動散熱與主動散熱對比
LED燈的光色問題
前期的LED路燈，單純追求發光效率，而選用了光效相對高而色溫在6000K以上的冷白甚至偏藍色光源，造成了不僅雨霧天氣穿透性不強，而且被照明的路面顯得冷清、孤獨、顏色失真。其實LED發光是由藍光激發不同成分的熒光粉而發光，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應關系，在中間兩條曲線圍成的區域內，是人們感覺舒適的區域。在高照度的場合，如辦公室與商場，白色的色溫感覺舒適，而對于路面照度20-50lux的照明場合，偏黃色的色溫使人們感覺舒適。對主干道的照明，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，整燈效率可以達到120lm/W。
圖3 Kruithof 曲線
LED 燈具的造價問題
目前由于LED燈珠本身的單價比較高，所以整個LED路燈的成本比較高。但是，由于LED 在技術上的進步很快。其成本降低也很快。目前整個100W燈具的單價在2500 元左右。對于路燈這類長期項目，不應該只考慮其單個燈具的單價，而應該考慮其整條線路的工程投資，不應該只考慮其初始投資，而應該考慮其長期營運投資。
表2 LED路燈與高壓鈉燈初始投資及運營成本分析
以10公里四車道路段為例計算，燈柱間隔30米，雙側對稱分布，共計燈具數量為667個。單個100W的LED路燈的價格約為2500元，高壓鈉燈價格約為500元，但就燈具價格計算，LED路燈成本遠遠高于高壓鈉燈成本。
但是由于LED路燈單燈功率低，約為高壓鈉燈的1/3，并且LED路燈驅動電源的功率因數普遍大于0.95。而未經補償的高壓鈉燈，其驅動電源功率因數只有0.5，加上電容補償后，其功率因數可以達到0.8左右，但是補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償前的電流進行選擇。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米計算，高壓鈉燈需要采用單芯截面為25平方毫米的電纜，單價約80元/米，其10公里的成本為80*10000*2 = 160萬元。而LED路燈可以選用單芯截面為6平方毫米的電纜，單價約15元/米，其10公里的成本為15*10000*2=30萬元。
按照1000米供電半徑計算，10公里高壓鈉燈需要選用的變壓器數量為5臺，每臺容量為667*300/0.5 * 1.5=120KVA，總成本約為20萬。而LED路燈需變壓器數量為5臺，每臺容量為667*100 *1.5=20KVA，總成本約為10萬。
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，已經低于高壓鈉燈的213萬的綜合成本，上述分析有助于走出我們的認識誤區，實際上采用LED路燈在初裝成本上已經具有優勢了。
設計良好的LED路燈壽命可以達到9年，在運行期間，10公里路段，每年可以節約電力58萬度，按照每度電1元計算，5年內可節約費用支出約300萬元。在此還忽略了高壓鈉燈每年需要的維護費用。
以10萬盞路燈規模為例，在整個LED壽命期(約9年)內，共可節約電量(250W-100W*70%) * 10小時/天 * 365天 * 9年 * 10萬 / 1000 =5.9 億千瓦時。相當于節約標準煤5.9億千瓦時* 0.404千克/千瓦時 = 24萬噸，減少二氧化碳排放 5.9億千瓦時* 0.997千克/千瓦時= 59萬噸。每噸二氧化碳的減量成本為345-404 美元，減少59萬噸二氧化碳就相當于節省了13 億人民幣的二氧化碳減量成本，社會效益巨大。
實施方案
對于應用LED路燈的城市來說，從隨電費征收的公用事業附加中按比例提取節能效益，完全可以支付LED改造的投資。據統計，目前廣東省城市建設附加費的征收標準為1.4分/千瓦時，實際用于路燈電費和運營維護的開支為0.6-0.7分/千瓦時，因此不會影響城市建設附加費的收支平衡。
對于新建道路，建議優先選用質量優越的LED路燈，逐步分階段推進，在實踐中完成對LED路燈的技術測試、道路測試，形成LED路燈測試、應用技術規范標準。
結語
LED作為新一代的光源，其本身所具有的優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所在，技術發展的趨勢無法抵擋! 我們要做的，是順應趨勢的發展，不回避問題，面對現實，踏踏實實做好產品，實事求是，加強行業自律，以積極向上的態度去應對新技術革命給我們帶來的發展機遇!
