LED路燈在道路照明中的應用分析

摘要 隨著社會經濟不斷發展，城市建設規模不斷擴大，人們更加重視城市基礎建設，城市路燈工程是其重要內容之一，燈具選擇成為城市道路照明工程中更加重要的問題。文章就道路照明工程中使用的LED燈具高效性及節能降耗性特點，將LED路燈建設質量作為重要研究對象，通過對LED路燈在道路照明中的應用措施進行分析，結合其應用特點，提出針對性應用策略，以此確保LED路燈節能降耗前提下，保證道路照明效果，提高道路工程建設質量。

關鍵詞 LED路燈;道路照明;策略

中圖分類號 U491.12 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0062-03

引言

LED光源主要特點是節能性、環保性以及使用周期長等，伴隨使用范圍逐漸擴大，在交通信號領域以及應急照明領域等均獲得有效應用，LED光源屬于21世紀的新型化光源。節能減排政策逐漸深入，十大節能重點工程中包括綠色照明，照明生產企業獲得更大的商機。結合相應統計數據，道路照明燈具企業中，白光LED為主要生產光源的企業數量較多，針對新型化產品使用，須謹慎進行，強化信息交流效果，結合路燈實際使用情況，進行客觀性分析，以此相關使用單位以及生產企業可獲得有效幫助。

1 LED發光原理內容分析

發光二極管部分構成主要有PN結芯片、電極以及光學系統等，其中發光體晶片面積數值顯示為10.12 mil，現階段國際上出現較多大晶片LED，其中晶片面積數值可達到40 mil。在發光過程中，其階段主要有三部分，處于正向偏壓數值下的載流子部分，注入后，進行復合輻射或者是光能傳輸。其中微小半導體晶片會被封裝在處于潔凈狀態下的環氧樹脂物中，電子運行過程中經過這一晶片后，帶有負電的電子會被移動到帶正電的空穴區域，實現復合，這一過程中電子以及空穴消失后會生成光子。電子以及空穴之間會產生能量，空隙數值增加同時，生成的光子能量也會增加。其中光子能量相反會與光的顏色相對應，處于可見光的頻譜范圍中，藍色光以及紫色光的攜帶能量相對較多，攜帶能量較少的是橘色光以及紅色光[1]。過程中由于差異性的材料會產生不同的帶隙，以此生成不同顏色的光。圖1為LED燈工作狀態。

2 LED特點內容分析

（1）發光效率較高，LED經過較長時間的技術改良，大幅度提升發光效率，其中不同類型的燈具，發光效率數值也不同，例如白熾燈等，其燈光效數值為12～

24 lm/W，熒光燈數值顯示為50～70 lm/W，鈉燈數值顯示為90～140 lm/W，其中多數耗電行為會生成一定程度的熱量損耗。傳統路燈光源一般向整個空間發光，但需要路燈照亮的只是行車和行人的路面，因此在路燈燈具設計時，為了盡可能地使燈光均勻并集中地投射到路面上，需要使用曲面反射器來收集光線，使其向所需要的方向照射。在光線傳播過程中，光源的阻擋及反射面的吸收而損失，致使路燈的出光效率僅為65%～70%，而LED路燈因其具有良好的方向性，在采用二次光學透鏡時，燈具效率便可達到80%左右。LED光效在經過改良后會上升到50～200 lm/W，光顯示的主要特點是單色性好、光譜較窄，在未進行過濾即可直接發出有色可見光。

（2）耗電量數值較低，LED單管效率數值顯示為0.03～0.06 W，過程中借助直流驅動方式，單管驅動過程中電壓數值顯示為1.5～3.5 V，電流數值顯示為15～18 mA，其反應速度相對較快，處于高頻操作背景下，同樣的照明效果，耗電量數值是白熾燈泡的一小部分，數值基本占比為1/8，其中熒光燈管占比數值為1/2。

（3）使用壽命相對較長，借助電子光場輻射發光，燈絲發光部分會凸顯熱沉積或者是光衰減等劣勢，過程中借助LED等，發揮體積小以及重量輕等優勢，采用環氧樹脂進行封裝，可有效承受高強度機械設備的沖擊以及振動，過程中不會產生破碎問題。目前設備的平均壽命時間顯示為10萬h，其中光衰數值顯示為初始階段UAN的50%。LED路燈的壽命是由LED光源壽命和驅動電路的壽命共同決定的，路燈的壽命直接影響整個道路照明的維護成本，LED燈實際使用壽命可延長至5～10年，通過此種方式有效降低光源實際維修費用，防止出現經常換燈問題。

（4）顯色性安全可靠，在應用過程中可有效控制光型以及發光角度，凸顯柔和光色，不添加透鏡，亦不會產生眩光，不會以犧牲均勻光色去達到提高亮度的效果，進一步實現了無光圈光色均勻。其中不含有鈉元素等對健康造成危害的物質。LED的顯色指數通常達到了80上下，可與說接近自然光線，對于顏色的呈現也相對比較真實，能更真實地反映出物體本身的顏色。LED的高顯色性非常便于駕駛員及行人識別目標，在相同的路面亮度之下提供更有利的通行條件。設置微處理系統，對發光強度進行有效控制，發光方式得到調整，完成光與藝術之間的結合。

（5）環保性，此種類型燈具，其屬于全固體和發光體，使用過程中具有耐震性，更能承受沖擊，不會輕易破碎，LED芯片與封裝能夠滿足歐盟ROHS指令的相關要求，不含汞、鉛等有害的物質，LED廢棄后完全能夠實現回收利用，對于環境也不會造成污染。光源體積相對較小，過程中可進行隨意組合，在此基礎上極易形成輕薄并且短小的照明產品，有利于安裝和維護[2]。由于LED直流驅動的顯著特點，特別適合采用太陽能光伏技術及風光互補技術應用于道路照明中，以達到真正意義上的節能環保照明。

（6）快速啟動，響應時間相對較短。白熾燈使用過程中，響應時間基本為毫秒級，也不存在重新啟動的等待時間，LED燈使用過程中，響應時間顯示為納秒級，可以正常工作在連續開/關狀態。

（7）價格優勢，此種類型燈價格較為昂貴，與白熾燈相比，一定數量的LED價格可以與白熾燈價格等同，一般情況下每組信號燈需要借助300～500只二極管完成結構組裝。LED路燈的高光效和長壽命特點只要得到充分發揮，便能節約電費以及維護費，從而降低整體的使用成本。隨著LED路燈技術的逐漸成熟和初始成本的不斷降低，在總成本上的潛在優勢短期內便能顯現出來。

3 LED燈使用過程中的優劣勢分析

3.1 優勢內容分析

如今，LED照明技術逐漸成熟，使得城市路燈照明節能改造成為可能，特別是大功率的路燈，正在以飛快的速度沖擊傳統路燈市場。LED燈使用過程中，主要優勢凸顯在以下方面：

（1）維修優勢，道路照明中使用LED燈，維修優勢十分顯著，安裝步驟相對便捷，應用過程中，需要將其安裝在燈桿下，比以往路燈安裝步驟較為復雜，需要在燈桿上先安裝鎮流器，同時使用到觸發裝置等，路燈產生故障后，維修難度也會有所增加[3]。

（2）環保優勢，道路照明中使用LED燈，環保優勢比較顯著，此種類型路燈可有效提升能源的轉換效率數值，電力能源可轉化為光效能源，相比于傳統路燈應用，光污染效果更低，提高生態環境保護效果。伴隨經濟社會不斷發展，人們的環保理念不斷深化，LED燈的未來發展空間也逐漸擴大。

（3）年限優勢，應用此種路燈，年限優勢比較顯著，由于LED路燈良好的節能效果，實際使用過程中，并不會由于能耗較大出現電路溫度上升問題，對內部構造造成燒毀威脅，路燈后續應用也會產生較大阻礙。通常情況下，LED路燈的使用壽命基本為5萬h，相比于傳統路燈，使用年限有所延長。

3.2 劣勢內容分析

LED路燈在實際的應用過程中，是存在一定的技術短板的。LED燈使用過程中，其劣勢主要有以下方面：

（1）散熱性較差，LED燈使用階段，照明效果顯著，由于LED路燈的亮度比較高，且發熱量大，加之在戶外這樣的惡劣使用環境下，若散熱效果欠佳，將直接導致LED快速老化，燈具就極其易壞或者光衰嚴重，同時穩定性降低;具備密封性，因為在戶外環境中使用的道路燈具，具備相應等級的防塵防水功能，而良好的防護通常會影響LED的散熱效果，熱量會逐漸儲存在燈具內部，極易產生安全事故。在炎熱夏季，路燈會在內部—外部熱空氣的作用下產生燈管爆裂問題。

（2）安全性較差，其處于正常狀態下，照明功效顯著，但在下雨、大霧天氣使用過程中，由于光線穿透能力不強會受到霧氣遮擋，出現高眩光問題，對司機造成較大影響，司機長時間處于此種環境中，容易造成一定程度的錯誤判斷，嚴重情況下還會出現駕駛事故。

（3）光照度不足，均勻性不夠突出，設計過程中，難點部分為燈光均勻性，同時也是設計工作中的重點部分，但部分燈具加工廠生產過程中不重視設計步驟，應用路燈階段，產生燈光投射不均勻問題，地面出現斑馬線等等[4]。

4 道路照明中應用LED燈的措施分析

4.1 積極應用ZigBee智能控制技術

相比于PLC等智能控制系統，該種技術系統與其比較類似，須借助GPRS以及CDMA網絡支持，以此充分發揮技術優勢。區別在于，自組織網是ZigBee網絡，顯著特點簡單來說，子網絡控制在通信網絡中，可實現自動化尋找，以此構成完整的技術網絡。這一控制系統借助GPRS以及ZigBee網絡構成兩者之間的聯系，以此實現遠程監控操作。由于該項技術的有效通信距離較短，因此在較遠距離的無線通信活動中，需實現與GPRS技術的合作。通過兩種技術的有效互補，可在低消耗條件下，積極開拓有效監測范圍，在一定程度上可促使監控系統完成智能化操控[5]。除此之外，也可選擇使用PLC技術，該種通信方式可借助電力線載波技術完成信息傳遞，通過電力線可將目前的路燈照明系統賦予智能化，加載不同信號后，通過電力線載波傳輸電力線不同信號，以此分離解調器信號系統，將信號分別輸送到不同設備中。相比于其他技術，該種技術的主要特點是不需要進行網絡架設，確保電線完好，可實現數據有效傳遞。維護成本較低，延長LED燈使用壽命，不斷節省電能。

4.2 選擇智能燈桿，構建智慧城市

LED燈實現智能照明主要是利用物聯網技術，借助軟件平臺，結合周圍環境使用情況以及季節變化等，可實現路燈自動開關燈，調整路燈亮度，依據需求進行人性化照明，將智能應用添加到照明體系之中，進一步實現照明體系的智能化升級。保證安全同時提供路燈電力，可實現二次節能，照明質量得以提高，方便了人們的生活，也為行人提供了多種便利。除此之外，可結合有線或者無線通信技術、監控系統等構建信息基礎設施平臺，遠程管理單一燈桿或者整體燈桿群，可智能分析故障，實時監控報警，及時向檢修部門反饋故障情況，有效提升工作效率，降低路燈維護成本。其次，將燈桿作為視頻監控探頭載體，借助電纜以及光纜等基礎設施，構建智能燈桿視頻監控功能。通過云臺控制彩色戶外攝像頭，進行360°全方位采集圖像，實時監控周圍人流量以及車流量。遭遇緊急情況時，可借助一鍵呼叫功能連接附近進行求助，系統可將燈桿上的探頭信息進行提取，掌握周圍情況，更加高效快捷地組織工作，構建更加和諧的智慧城市[6]。

4.3 LED路燈未來發展方向

想要擴展LED路燈的使用范圍，亟須提高LED路燈的發光效率，優化LED路燈的配光系統，進而延長LED路燈的系統壽命。LED路燈技術難點中，散熱是其中較難解決的問題，會對實際工作發光效率產生直接影響，LED路燈亮度相對較好，發熱量也較大，戶外環境較為苛刻，散熱較差會造成LED路燈快速老化，降低穩定性。戶外應用此種燈具，須確保其具備一級防塵防水功能，IP防護效果較好但會對LED散熱產生妨礙，因此須解決上述矛盾問題。例如，LED利用散熱器，但連線接線端子以及散熱器設計難以達到IP45等級，不能滿足標準要求。新型化LED路燈研制過程中，須正確定位，目標確定為提升LED路燈的發光效率，路燈可實現節能轉型。另外，對LED路燈的配光系統進行更高水平的優化，現階段，通過精準配光措施，路面得以照亮，過程中不會產生斑馬線現象，對LED路燈的實際設計形態進行轉變，有效節省能源。最后需要對LED路燈的系統使用周期進行延長，具體使用過程中，路燈實際使用周期與企業初期標注的目標存在較大差距，因此須對路燈存在的熱性能問題進行有效解決，光源組合得以優化，實現LED路燈的大力推廣[7]。

5 總結

照明領域中，LED燈具屬于其中具有明顯功能性的照明產品，促使燈具廣泛應用在道路照明領域中，過程中需要解決關鍵技術問題，獲取更多的計算資料，確保道路照明設計科學性。城市路燈除了具備照明功能之外，還可以美化城市，改善城市環境，而伴隨LED燈具設計不斷優化，其應用效果逐漸成熟，仍須繼續深入探索其在城市主干道中的應用。

參考文獻

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[7]Spahiu A， Dhamo L， Zavalani O. LED Street Lighting Application in Municipality of Tirana[C]// 2018 International IEEE Conference and workshop in buda on Electrical and Power Engineering （CANDO-EPE）. IEEE， 2018.

收稿日期：2022-03-07

作者簡介：周劍剛（1976—），男，碩士研究生，一級建造師，高級工程師，研究方向：城市道路照明。