1、前言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源需求量日益攀升,能源價(jià)格亦隨之高漲。電力是我國(guó)能源的重要組成部分,其中照明用電占了不小比例。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,早在2013年,我國(guó)的總發(fā)電量超過了5.2萬億千瓦時(shí),而照明用電在占據(jù)總發(fā)電量的比例達(dá)到了13%以上,其中,城市道路照明用電又占據(jù)了照明用電比例的30%以上。在我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快的背景下,城市道路照明用燈的數(shù)量正在以每年150—200萬的速度增加。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,道路照明用電比重還將會(huì)逐步提高。對(duì)此,相關(guān)部門在下發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)“中國(guó)綠色照明工程”的意見》的通知中,提出了綠色照明的概念,希望能夠以節(jié)能燈具取代傳統(tǒng)高耗能燈具。本文就目前城市道路照明存在的問題進(jìn)行闡述;從節(jié)能環(huán)保要求著手,比較分析高壓鈉燈與LED燈在道路照明中各自特點(diǎn)及節(jié)能潛力,進(jìn)而證明了用LED燈取代高壓鈉燈作為道路照明的可行性和必要性。
2、高壓鈉燈與LED 燈用于城市道路照明的比較
目前城市道路照明的光源主要有傳統(tǒng)高壓鈉燈、日光燈等,其中,高壓鈉燈以其光效高、霧穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn),在道路照明中使用量最大。結(jié)合我國(guó)目前道路照明設(shè)計(jì)特點(diǎn),采用高壓鈉燈的道路照明存在以下以下不足:
(1)燈具直接照射在地面上,并且照度極高,在一些次干道也可以達(dá)到401x以上,但是顯然,這種照度屬于過度照明,造成了大量的電能浪費(fèi)。同時(shí),在相鄰兩個(gè)燈具的交叉位置,照度僅僅達(dá)到直接照射方向的40% 左右,無法有效滿足照明需求。
(2)高壓鈉燈的反射器效率僅為50—60%左右,這也就表明在照明中,由將近30—40%的光都照射在了燈具內(nèi)部,整體效率僅僅達(dá)到60%,存在嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象。
(3)理論上,高壓鈉燈的壽命可以達(dá)到15000小時(shí),但是受電網(wǎng)電壓波動(dòng)以及運(yùn)行環(huán)境的影響,其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到理論壽命,每年燈具的損壞率都超過60%。
與傳統(tǒng)高壓鈉燈相比,LED 路燈具有如下優(yōu)勢(shì):
(1)作為一種半導(dǎo)體元件,理論上,LED燈的有效使用壽命可以達(dá)到50000小時(shí),較高壓鈉燈的15000小時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出。
(2)與高壓鈉燈相比,LED燈的顯色指數(shù)可以達(dá)到80以上,相當(dāng)接近自然光照,在這樣的光照下,人眼的識(shí)別功能能夠得到有效發(fā)揮,從而保證道路行車安全。
(3)在路燈開啟時(shí),高壓鈉燈需要一個(gè)預(yù)熱的過程,其光線從暗到明需要一定的時(shí)間,不僅造成了電能的浪費(fèi),而且影響了智能化控制的有效開展。而相比之下,LED燈在打開的瞬間就能夠達(dá)到最佳光照,不存在所謂的啟動(dòng)時(shí)間,因此能夠?qū)崿F(xiàn)良好的智能化節(jié)能控制。
(4)從發(fā)光機(jī)制看,高壓鈉燈采用的是汞蒸汽發(fā)光,在光源廢棄后,如果不能有效處理,必然會(huì)造成相應(yīng)的環(huán)境污染。LED等采用的是固態(tài)照明,不存在對(duì)人體有害的物質(zhì),是一種綠色環(huán)保的光源。
(5)從光學(xué)系統(tǒng)方面分析,高壓鈉燈的光源屬于全向發(fā)光,有超過50%的光線需要經(jīng)反射器反射后才能照射到地面,在反射過程中,必然會(huì)損失一部分光線,影響其利用率。LED燈屬于單向發(fā)光,光線能夠直接定向照射,因此利用率相對(duì)較高。
(6)在高壓鈉燈中,配光曲線需要由反射器決定,因此存在著很大的局限性;在LED燈中,采用的是分布式光源,通過對(duì)各個(gè)電光源的有效設(shè)計(jì),能夠使得燈具的光源呈現(xiàn)出理想狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)配光曲線的合理調(diào)整,控制光線的分布,在燈具的有效照射范圍內(nèi),照度相對(duì)比較均勻。
(7)同時(shí),LED燈擁有更加完善的自動(dòng)化控制系統(tǒng),可以根據(jù)不同的時(shí)段和光照條件,對(duì)燈具的亮度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,能夠起到良好的節(jié)能效果。
用LED作為路燈來取代高壓鈉燈,亦存在一些不同觀點(diǎn),例如,相比高壓鈉燈,LED燈的發(fā)光效率較低,照度較差;LED燈的照射過于集中,照射的均勻度相對(duì)較差;LED燈的光衰減率較大,使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到理論壽命等。其實(shí),這些觀點(diǎn)可通過下面的分析予以說明。
首先是所謂的“發(fā)光效率”問題,在當(dāng)前的技術(shù)條件下,LED燈的發(fā)光效率的確比不上高壓鈉燈,這是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí),但是高壓鈉燈的光譜集中在黃色區(qū)域,其色溫較低,只有2000—2500K,而LED等色溫相對(duì)較高,LED 路燈的中性白色溫達(dá)4000—5000K,LED的冷白色溫達(dá)5000—8000k。同時(shí)相比于高壓鈉燈,LED燈具有較高的顯色指數(shù),在實(shí)際照明中接近自然光,可以帶給人舒適的感覺。
其次是“照射均勻度”問題,雖然LED燈的光照相對(duì)集中,但是可以通過對(duì)其光路的二次設(shè)計(jì),能夠使得燈具的光源呈現(xiàn)出理想狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)配光曲線的合理調(diào)整,控制光線的分布,從而實(shí)現(xiàn)照度的均勻性。
然后是“光衰”問題,在實(shí)際應(yīng)用過程中,由于長(zhǎng)期處于高溫工作環(huán)境中,LED燈的使用壽命會(huì)受到相應(yīng)的影響,在不同結(jié)溫時(shí)的壽命如圖1所示。可以看出,如果結(jié)溫由115℃提升到135℃,則LED 燈的使用壽命會(huì)從理論的50000小時(shí)降到20000小時(shí)。
在當(dāng)前的技術(shù)條件下,要想在短時(shí)間內(nèi)提升LED燈的發(fā)光效率基本上是不可能的,因此只能通過加強(qiáng)散熱的方式來延長(zhǎng)LED燈的使用壽命。當(dāng)前,在臺(tái)灣的一家光炬科技有限公司(LightTorch Technology)中,采用回路熱管(LHP)冷卻技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的工作散熱,取得了良好的效果,能夠?qū)ED燈的結(jié)溫降低到65℃,在這樣的溫度下,若燈具每天工作12小時(shí),則其光衰小于3%。
3、LED路燈的照度及節(jié)能分析
在某城市某主干道14 根燈桿上分別安裝了功率400W的某品牌鈉燈和160W的某品牌LED路燈,進(jìn)行路面照明測(cè)試,結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明,用160W LED路燈代替400W高壓鈉燈,照明效果完全可以達(dá)到《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求,且LED可以比高壓鈉燈高出很多。表2給出了,LED路燈與高壓鈉燈較為全面的節(jié)能效果對(duì)比情況。
4、結(jié)語
綜上,與使用高壓鈉進(jìn)行燈道路照明比較,采用LED路燈更能節(jié)能環(huán)保。毫無疑問,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,節(jié)能高效光源將不斷涌現(xiàn),作為道路照明設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì),隨時(shí)掌握照明新技術(shù)及新設(shè)備的運(yùn)用,始終把節(jié)能環(huán)保放到工作的首位。