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摘要：本文主要从笔者亲身参与的LED光源的特点及目前存在的问题及系统中的应用，旨在与同行探讨学习，共同进步。
关键词：LED；光源；道路照明；应用
目前，大家对LED光源的优良特性都有了普遍的、概念性的认识，如节能、环保（无汞）、使用寿命长、抗震性好、体积小（近似点光源）、驱动简单、电压为低压直流（能与太阳能电池相匹配）、色彩丰富、光束集中、响应速度快等诸多优点，LED点光源在景观照明中已有了广泛应用。但在道路照明中，因LED光源价格昂贵以及光效、光衰和光源系统整体寿命和配光特性等关键技术难题的限制，目前使用较少。笔者就LED光源，在国内目前技术水平下，从理论原理及实际应用两个方面，进行合理分析，从而对LED光源在道路照明中应用，有个直观和清醒的认识。
1.从理论角度分析LED光源的特点及目前存在的问题
（1）LED光源特点
第一，发光效率高。在刚刚出现LED时期，其发光效率特别低，随着近几年半导体发光技术和材料的发展，LED发光效率逐渐提高到1001m/W，而在能耗方面，仅仅是白炽灯的1/8。LED光谱在人眼所能感知的可见光频率段内，如果光效相等，那么人们更容易识别LED照明物体。在道路照明中，LED有效光效率要远远高于高压钠灯。同时，在制作过程中，LED未加入任何有毒物质等，在使用时也不必担心产生有害物质，并且废弃之后还能够进行回收再利用。
第二，寿命长。LED不仅能够进行频繁开断，而且寿命也比较长。一般来说，LED平均寿命能够达到5万～10万小时，而过去常用于道路照明的高压钠灯，平均寿命仅为其1/4～1/8。
第三，光线质量高。按照发光形式划分，LED属于冷光源的一种。由于其自身发光机理决定了光谱中不包含紫外线，因此也就无法对分子结构造成破坏。同时，也不含有的红外线，光线质量更加纯净。与传统照明光源最大的区别在于，LED实现了光的定向发射。除此之外，以白色LED光源为例，其显色指数超过70，而其它光源仅为20～30左右。在室外照明中，光源的显色性越高，那么人们获得的位置也就更加准确，被照物体轮廓更清晰，色彩也更加真实，对人们提高夜晚危险识别能力，提醒司机安全驾驶等有着十分重要的作用。
（2）LED光源目前存在的问题
第一，散热问题。通过前文介绍我们知道LED是一种冷光源，但是只有驱动电流才能够实现发光，而在这一部分电能中，只有大约15%～20%左右的能量能够有效发光。在道路照明中，普遍使用的是大功率白光LED，在发光过程中产生的热量要比小功率LED多得多。如果不能采取有效措施解决散热过多的问题，那么热量就会持续积压，导致PN结温度上升，进而给LED芯片产生严重影响，主要表现为缩短使用寿命，甚至将芯片烧毁。因此，要想在道路照明中普及LED，最先需要解决的就是散热问题。一般来说，LED路灯是通过热结构设计实现散热的。在进行设计时，需要综合考虑实际功率、散热器材料和结构等。
第二，二次配光。LED配光曲线和传统光源有着本质区别，高压钠灯发光角为360°，而LED发光角比较小，约为35°。也就是说，LED光束更加集中，与传统道路照明灯具相比，LED灯下的光线更亮一些。为了将LED定向性的特点充分发挥出来，就需要对LED进行特殊的二次光学配光设计，借助透镜将指定范围内均匀度进行改善。因此，这也导致在设计过程中存在较大的难度。从当前LED道路照明发展情况来看，二次配光曲线基本上符合道路照明相关标准，但是仍有较大提升空间。
第三，成本和维护。通过计算发现，高压钠灯性价比为0.07元/lm，而LED性价比为0.58元/lm，由此可以看出，LED的成本要比传统道路照明灯具成本高得多。同时，LED的维护相对来说也更困难一些。LED路灯内部设计结构比传统路灯要更加复杂，内含零部件比较多，虽然模块化设计理念的应用使得光源模块和电源模块分别实现了一体化模组设计，便于更换和维护，但是在互换性方面还存在许多问题。
2. LED 灯在城市道路照明系统中的应用
LED光源在城市道路照明系统的应用过程中不是可以直接使用的，因为目前很多工厂产出的LED灯都是圆形投射灯光，但是这种投射方式对城市道路系统而言是十分不合理的。这种无法满足城市照明系统的LED光源，需要进行二次设计之后才可以使用。很多城市因为没有认识到LED光源这种投射弊端，所以影响了城市照明系统的发展。如图1所示。
根据专家的分析可以看到，LED光源在城市光照系统中，主要分为投射和反射两种方式。投射式也就是由反光罩和透镜构成的，这种构成方式在应用过程中有着很大的弊端，而且不能达到直接照明的效果，所以，需要使用透镜再次进行反光处理，这种方式对于城市道路照明系统来说，需要长期维护才可以实现，所以不建议使用。如果使用反射式的LED光源，只需要给反光罩进行光学设计就可以，可以广泛应用到城市照明系统中，有着很大的优势。如果使用反射式照明系统，有很多类型的反光罩可以选择，例如圆锥曲面类型的反光罩，能够将光纤呈弧度反射，这也是很多城市最常用的一种反射类型，因为设计简单受到了很多光学设计者的喜爱。除此之外，应用较多的还有自由曲面反光罩，这种反光罩的形状比较自由，但是目前多应用于汽车照明系统中，这种构成方式比较简单。主要是通过许多小面构成一个较为复杂的光学投射面，光照的效果和强度和面与面的组合排列有很大的关系。正是因为这种反射方式方便操作，有很多城市照明光学设计者想要使用这种方式来进行道路照明系统的建设。
LED光源是一种新型的技术，目前在城市道路光照系统的应用中主要有两种方式：整体配光和个体配光。
整体配光也就是将LED光源看成一个整体，按照传统灯光的排列方式来进行灯光的分布。也就是将LED光源进行反光，按照其组合排列的方式进行空间光照强度的分布，以此来达到整个道路的照明效果。如果使用整体配光的方式，那么就不需要相关的灯罩或者是其他灯具，在一定程度上精简了道路建设者的工作。这种方法容易被很多城市接受，但是因为采用的是传统灯光照明方式，在一定程度上就增加了组合散热的难度，因为很多传统电灯的散热空间所需不大，但是如果使用了LED灯之后就会增加其散热难度。原有的传统灯光组合方式已经不适用。在很多城市道路照明系统的建设中，因为需要节约空间，就会将很多灯具紧密排列，但是对于LED灯来说，是热敏感灯具，非常不适用过于紧密的空间。所以传统的这种排列方式对于LED灯来说有着很大的阻碍。如果强制在传统的空间里使用LED灯，那么会影响LED的散热，使得LED灯在使用过程中会出现这样或者那样的问题。也正是因为散热不均，所以不能实现平均光照，在很多城市的晚上，是难以实现真正的光照的。
和整体配光相对的一种配光方式是个体配光。个体配光顾名思义是对每一个光源进行光学设计，可以分为照明区域分割和直接投射两种方式。直接投射方法是对每一个LED光源和相应的路面区域一一对应，通过相应的透镜设计将光源和不同的区域对应，这样就能满足整个道路的照明需要。这种方式能够充分利用LED光源的效果，实现大面积的照明。但是此种方式也具有一定的局限性，因为每一个光源的照射范围是一定的，如果超出了这个范围，就无法再进行照明。所以，对于使用范围而言，具有一定的局限。如果照明范围受到了局限，那么就需要使用相关的透镜继续来扩大照射范围，这样一来，就增加了城市光照系统的成本以及设计难度，总体来说，不太适用于城市道路系统。相对于直接投射这种方法，区域分割效果较好。区域分割是将照明区域进行系统的分割，并且利用LED光源的颗粒排列方式，按照一定的角度进行排列，可以让LED光源对制定区域进行照明，或者是让灯光均匀分布在一条街上。这样能够满足一条道路的光照需要，光源可以实现叠加，这种方式，让每一个部分都能得到照射，并且不需要透镜或者是其他的反射工具，节省了成本，降低了操作难度系数。同时这种方式突破了传统模式的散热，能让每一个LED光源都得到有效的散热。
结 语；通过本文的分析可以看到，LED灯在城市道路交通的未来发展中有着广阔的前景，但是还有很多不足之处需要改进，城市需要加强对LED光源技术方面的研究，从而能够提升城市的照明系统，规范路面交通，相应节约能源、绿色环保的号召。
参考文献；
[1]LED光源在城市道路功能照明中的应用_孙逊
[2]LED光源在城市道路照明系统中的应用研究_黄学锦
[3]LED光源在道路照明中应用的功效分析_陈琥
[4]LED光源在道路照明中应用的功效分析_李秋红
[5]LED光源在照明中的应用_吴淑梅
[6]LED在道路照明中的应用_马超
论文作者:杨祥儒
论文发表刊物:《基层建设》2016年36期
论文发表时间:2017/3/29
标签：光源论文; 方式论文; 道路论文; 系统论文; 城市论文; 反光论文; 透镜论文; 《基层建设》2016年36期论文;