在节能减排的大背景下，各地政府的“十城万盏”LED路灯项目，进行得轰轰烈烈。然而，由于很多项目仓促上马，没有取得理想的效果，有些路段存在着LED路灯不节能、光衰明显、照明效果差、使用寿命短的问题。从而不少专家认为 LED 作为路灯来取代高压钠灯在技术上还不成熟，甚至有LED路灯替代传统高压钠灯是灾难的说法。对此，LED路灯厂家明显不认同，双方争辩日趋激烈，但均没有做定量的详细分析，停留在定性分析层面，主观判断较强。从用户角度来看，由于信息的不对称，用户寄希望于压低采购价以求避免更大的损失，从而导致出现了“劣币驱逐良币”的现象，市场上充斥着大量夸大宣传、质量不佳的产品。
对此现象，本文从技术的角度，不回避LED使用上存在的问题，逐一分析，力争还原LED路灯在大规模应用的障碍，以科学和理性的态度提出相应的对策，促进行业的进步。
LED路灯存在的主要问题
LED路灯在使用中发现各种问题，这些问题阻碍着LED路灯的大规模推广应用，主要的问题有以下几点：
1.LED 的发光效率无法和高压钠灯相比，节能效果不明显;
2.LED 路灯路面照明效果不好，照射集中，道路照明存在斑马纹现象;
3.LED 路灯的光衰严重，寿命不长;
4.LED 路灯本身自重过重，不利于安装，防风;
5. LED路灯的颜色偏白，穿透性不强，不利于雨雾天气的照明;
6.LED 路灯造价过高，初始投资高企。
对策分析
我们从国购光电科技公司的迈格锐品牌LED路灯实际产品应用测试出发，针对以上问题，丛技术角度探讨如下。
LED路灯节能效果问题
钠灯标称光源效率为120-140lm/W，其光线是向四处发射的，灯具的效率较低，一般灯具光效率只能达到70%，以250W高压钠灯为例，其标称功率为250W，加上电源功率，其输入功率达到280W，其灯具效率为69lm/W。另外高压钠灯没有针对路面设计配光，有很大一部分光无法到达路面，其照明路面利用率为55%左右，以12米路灯杆为例，实际计算有效光输出为10780lm。高压钠灯的显色指数差，只有20 到40，感觉昏暗，物体颜色难以在灯光下分辨;
迈格锐品牌LED路灯，经第三方单位上海半导体照明工程中心检测，整灯效率达到120lm/W。以100W LED路灯为例，其光源效率达到140lm/W， 电源效率为92%，光学效率为95%，色温4000K。采取蝙蝠翼型配光，其照明路面利用率达到90%，以12米高杆为例，其路面使用光输出为10710lm，完全可以替换250W高压钠灯。LED路灯的显色指数高，可以达到70-80，所以路面明亮，感觉舒适，司机和行人更容易识别公路上物体与背景的差异，在同样的路面亮度下提供方更好的通行条件。
表1 高压钠灯与LED路灯参数对比表
表1列出了在路面照度相同的情况下，不降低路面照度，进行LED路灯替换传统钠灯。可用迈格锐LED 60W路灯替换150W高压钠灯(实际功率170W)的高压钠灯，节能效果65%;可用100W LED路灯替换250W高压钠灯(实际功率280W)，节能效果64%;可用175W LED路灯替换400W高压钠灯(实际功率450W)，节能效果61%。在合肥市玉兰大道路段的现场实测，以100W LED路灯替换250W高压钠灯，更换前后，路面照度不变，节能比例为65%。
LED路灯路面照明效果问题：
传统的高压钠灯，其光学分布为圆形，灯具正下方亮度最亮，路面照明利用率不高。对于LED路灯，如果不进行二次光学设计，LED的光分布呈圆形，一般为120度，照射集中，不适合路面照明，并且容易引起直射到驾驶者眼中的眩光，影响驾车安全。第一代的LED路灯，为了便于散热，普遍采取了分离式多灯珠方案，对每个灯珠加装二次光学镜头，进行配光，由于是多点式光源，容易造成灯下的物体多重影像，影响驾车安全;并且由于在技术上很难对多点同时配光，导致路面照射效果不佳，存在着斑马纹现象。
迈格锐LED路灯，采取COB方式集成光源，及一次成型光学玻璃透镜，其透光率在93%以上，取代了目前矩阵式多颗小型透镜再加强化玻璃方式。多透镜方式需用2次光学透镜，透光率在80%以下。集中式配光提高了灯具的光学效率以及更容易达到理想的蝴蝶型配光。经现场实测，路面照明均匀度(照明均匀度=平均照度/最大照度)可以达到0.82，道路照明照度均匀，远远高于国家标准照明均匀度0.4。
LED路灯的寿命和光衰问题：
散热、材料、防护等级决定了LED灯具的寿命和光衰。首先，LED寿命是指在结温85度时，可以达到5万小时。温度每增加10度，寿命减半。相反，温度每降低10度，寿命会延长一倍。目前来说，在LED 的发光效率还没有提高到极高的程度，还只能尽量改善其散热来延长LED 的寿命。LED每个小晶体虽然耗能微小，但就算只有1W，也因其晶体导热面积过小，导致热流无法迅速导出，传统利用铜或其他K值高的材料试图将热导出，仍然无法解决，其原因为大多数热传导专家忽略扩散热阻的原因。若将许多LED小晶体COB集成封装，其热的互相影响更加严峻。LED的热流密度达80W /cm2，然而金属材料在导热效率上的热流密度十分有限，例如铝为4W /cm2，铜为10W/cm2，银为12W/cm2，迈格锐路灯采用多点式热超导均温板热流密度已达到170W/cm2，非常适合LED的散热基材上。第一代LED路灯，完全采取被动散热的技术，依靠自然的传导和对流来进行散热，在散热处理不到位的情况下，有的LED路灯的结温可能达到了115度，其理论寿命只有6000小时。迈格锐LED路灯，采取了主动散热技术，依靠均温板快速把集中的热源打散为平面，利用热管和大面积的翅片散热，经红外测温摄像仪实测，在环境温度30度下，其结温为75度，这就大大提高了LED 灯具的使用寿命。预计在工作十年以后，其光衰只有10%。采取的COB方式的集成光源，经2500次实验室-40度到50度温度循环试验，其光衰在1%之内。
由于路灯在室外复杂的气候环境下使用，材料的选用至关重要。第一代LED路灯，普遍选用有机材料如PVC做成二次配光的透镜，如图1所示，普通的PC材料，在室内使用3万小时后，其透光率只有初始值的85%。考虑到室外的环境，一般有机材料在使用两三年后，就会出现开裂、劣化、泛黄的现象，特别在室外温度为零下40度的场合，有机材料容易发生开裂，这个问题还没有引起普遍的重视。而迈格锐LED路灯，采用光学玻璃镜头，其特性和透光率不随时间和温度变化而改变，消除了因材料引起的寿命隐患。
图1 材料的透光率与时间的关系
防护等级也决定了LED灯具的寿命，LED灯珠属于低压半导体部件，依靠涂布在LED管芯的荧光粉而发出白光。潮气的进入，会影响硅胶的特性，改变荧光粉的分子结构，降低电子部件的绝缘。轻则引起光衰，降低寿命，重则引起触电等安全事故。第一代LED路灯，由于采用矩阵式多点光源，需要防护遮蔽的面积大，很难做到防水防尘，有些路灯甚至有蚊虫进入。迈格锐LED路灯采取了集成式光源，防护等级可以做到IP67， 可以在水下安全点亮，使灯具适用范围宽广，可以在极寒地带使用，安全可靠免保养。与多镜头方式LED路灯比较， IP防护等级更高，杜绝了蚊虫、粉尘以及潮气对灯具的寿命影响。
LED 灯具的自重问题
目前大部分厂商所生产的LED 灯具，其自重极重，通常都超过10公斤。这样大的自重往往会使灯杆不胜负荷，降低了其抗风能力，安装辛苦、危险，这主要是由于采用了巨大的铸铝散热器而造成的。迈格锐LED路灯，采用主动散热技术，利用均温板、热管和航空铝翅片进行三重散热，大大减轻了灯具重量。100W 的LED 灯具，其自重只有5公斤，能够完全取代250 瓦的高压钠灯。对比如图2所示。
图2 被动散热与主动散热对比
LED灯的光色问题
前期的LED路灯，单纯追求发光效率，而选用了光效相对高而色温在6000K以上的冷白甚至偏蓝色光源，造成了不仅雨雾天气穿透性不强，而且被照明的路面显得冷清、孤独、颜色失真。其实LED发光是由蓝光激发不同成分的荧光粉而发光，只需要改变荧光粉的配方，就可以制作出从暖白3000K到冷白6000K的不同色温。如图3所示，Kruitof曲线解释了色温与照度之间对应关系，在中间两条曲线围成的区域内，是人们感觉舒适的区域。在高照度的场合，如办公室与商场，白色的色温感觉舒适，而对于路面照度20-50lux的照明场合，偏黄色的色温使人们感觉舒适。对主干道的照明，为了兼顾穿透性和照明效果，建议选用4000K左右的色温，迈格锐的LED路灯色温普遍为4000K，整灯效率可以达到120lm/W。
图3 Kruithof 曲线
LED 灯具的造价问题
目前由于LED灯珠本身的单价比较高，所以整个LED路灯的成本比较高。但是，由于LED 在技术上的进步很快。其成本降低也很快。目前整个100W灯具的单价在2500 元左右。对于路灯这类长期项目，不应该只考虑其单个灯具的单价，而应该考虑其整条线路的工程投资，不应该只考虑其初始投资，而应该考虑其长期营运投资。
表2 LED路灯与高压钠灯初始投资及运营成本分析
以10公里四车道路段为例计算，灯柱间隔30米，双侧对称分布，共计灯具数量为667个。单个100W的LED路灯的价格约为2500元，高压钠灯价格约为500元，但就灯具价格计算，LED路灯成本远远高于高压钠灯成本。
但是由于LED路灯单灯功率低，约为高压钠灯的1/3，并且LED路灯驱动电源的功率因数普遍大于0.95。而未经补偿的高压钠灯，其驱动电源功率因数只有0.5，加上电容补偿后，其功率因数可以达到0.8左右，但是补偿电容的故障率高寿命短，因而为了避免因电容损坏而烧坏电缆，电缆选型还是按照补偿前的电流进行选择。因而LED路灯的电缆截面可以选为高压钠灯电缆的1/5。路灯工程普遍采用TN-S供电，电缆为5芯电缆，按照供电半径1000米计算，高压钠灯需要采用单芯截面为25平方毫米的电缆，单价约80元/米，其10公里的成本为80*10000*2 = 160万元。而LED路灯可以选用单芯截面为6平方毫米的电缆，单价约15元/米，其10公里的成本为15*10000*2=30万元。
按照1000米供电半径计算，10公里高压钠灯需要选用的变压器数量为5台，每台容量为667*300/0.5 * 1.5=120KVA，总成本约为20万。而LED路灯需变压器数量为5台，每台容量为667*100 *1.5=20KVA，总成本约为10万。
如表2所示，仅考虑低压电缆、变压器，不考虑高压电缆的成本，采用LED路灯的电气部分综合成本为207万，已经低于高压钠灯的213万的综合成本，上述分析有助于走出我们的认识误区，实际上采用LED路灯在初装成本上已经具有优势了。
设计良好的LED路灯寿命可以达到9年，在运行期间，10公里路段，每年可以节约电力58万度，按照每度电1元计算，5年内可节约费用支出约300万元。在此还忽略了高压钠灯每年需要的维护费用。
以10万盏路灯规模为例，在整个LED寿命期(约9年)内，共可节约电量(250W-100W*70%) * 10小时/天 * 365天 * 9年 * 10万 / 1000 =5.9 亿千瓦时。相当于节约标准煤5.9亿千瓦时* 0.404千克/千瓦时 = 24万吨，减少二氧化碳排放 5.9亿千瓦时* 0.997千克/千瓦时= 59万吨。每吨二氧化碳的减量成本为345-404 美元，减少59万吨二氧化碳就相当于节省了13 亿人民币的二氧化碳减量成本，社会效益巨大。
实施方案
对于应用LED路灯的城市来说，从随电费征收的公用事业附加中按比例提取节能效益，完全可以支付LED改造的投资。据统计，目前广东省城市建设附加费的征收标准为1.4分/千瓦时，实际用于路灯电费和运营维护的开支为0.6-0.7分/千瓦时，因此不会影响城市建设附加费的收支平衡。
对于新建道路，建议优先选用质量优越的LED路灯，逐步分阶段推进，在实践中完成对LED路灯的技术测试、道路测试，形成LED路灯测试、应用技术规范标准。
结语
LED作为新一代的光源，其本身所具有的优越性是放电气体灯所不具备的。LED路灯作为新一代的主流光源，替代放电气体灯是趋势所在，技术发展的趋势无法抵挡! 我们要做的，是顺应趋势的发展，不回避问题，面对现实，踏踏实实做好产品，实事求是，加强行业自律，以积极向上的态度去应对新技术革命给我们带来的发展机遇!
