LED课程设计

课程设计说明书

题目：     Led路灯                     

姓    名：                  

院 （系）：       

专业班级：           

学    号：            

指导教师：                 

成    绩：                         

时间：2014年06月03日至2014年06月17日

郑州轻工业学院

课 程 设 计 任 务 书

题目                LED路灯                        

专业  学号 姓名            

主要内容、基本要求、主要参考资料等：

LED因其优越的性能得到了广泛的应用，主要应用在广告屏、路灯、指示灯等方面，其中LED路灯是一个新型的应用领域，我们国家正在实施“千万盏灯”计划，这项计划的实施必将为我国的节能做出巨大的贡献。

基本要求：1)研究其工作原理；2) 主要分析LED路灯目前的现状、发展方向及其面临的主要问题；3)说明书内容要求设计方案正确、表达清楚，设计思路、论证方法科学合理。

主要参考资料：

[1]江月松主编. 光电技术与实验, 北京理工大学出版社,2000年9月第1版.

[2]李景镇主编. 光学手册，陕西科学技术出版社,1985年3月第1版.

完  成  期  限：   2011-06-30    

指导教师签名：               

课程负责人签名：                   

摘  要

本文讲述了太阳能LED路灯的现状和应用前景，探讨研究新型太阳能LED路灯。简述了通过与LED路灯与钠灯节能灯系统的相互比较，得出LED灯使用优于节能灯。不仅适用，而且环保。让我们提高使用LED灯的理念。着重研究LED的原理知识，LED照明产业的发展概况，LED热结构设计分析，LED徐东设计，并对光学软件LED和分析道路照明特性，讨论LED路灯的突出优势及其经济和社会效益，表明它将会是二十一世纪广泛应用的绿色照明产品。

关键字： LED路灯、性价比、照明系统、太阳能

1. LED灯的发光原理

LED路灯主要成分是发光二极管（light emitting diode）。LED基本结构为一块电致发光的半导体模块，封装在环氧树脂中，通过针脚作为正负电极并起到支撑作用。主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。 

  LED路灯发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。利用注入式电发光原理制作的二极管就是我们常说得发光二极管，即LED。在LED得两端加上正向电压，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线。调节电流，便可以调节光的强度。可以通过改变电流可以变色，这样可以通过调整材料的能带结构和带隙，便可以多色发光。

2. LED路灯的现状

2.1 Led路灯的发展状况

随着经济的发展，地球资源的减少，节能环保逐渐成为人们生活的一种态度，而在照明的一系列产品中，LED照明系列成为了节能环保的大使。首先，LE次，LED产品和其他产品相比较更具人性化，它作为光源不会产生辐射，不会给人刺眼的感觉，光线柔和，使 人感觉舒服；再有，LED具有极强的稳定性，长时间使用后发光效果也不会减弱。也正由于LED具有了以上其他照明产品所不具备的优点，使得LED照明市场 拥有巨大的前景和潜力，现在市场上LED照明产品的应用范围非常广，家居照明、户外照明、景观照明、场馆照明、道路照明等等，其中的利益对于众多商家来 说，都具有极大的诱惑力。D功率 低，耗电量少，符合国家提倡的节能环保的；其

    LED路灯与以高压钠灯为代表的传统路灯比较，具有光效高、能耗低、瞬时启动、寿命长、显色性好、结构牢固和便于调光等优势，但价位偏高，目前在技术上尚未成熟，在光学设计、散热和驱动电路等方面存在一些技术难点有待解决。

　　道路照明属于公共照明，由所掌控。由于LED具有高效、环保、节能和寿命长等特点，LED光源可以率先在道路和隧道照明中应用。

用于道路照明的灯具，被称作路灯。以LED作为光源的道路照明灯具，则称作LED路灯。LED路灯的核心是LED光源。LED路灯光源，是由许多大功率白光LED通过混联方式连接而成的。LED路灯灯具除了LED模组之外，还包括驱动电源、光学元件及散热装置等。

2.2  道路照明的发展现状

　　当人们有了夜晚出行的需求时，便出现了道路照明。近代道路照明始于白炽灯的出现。道路照明是随着时代的发展、科技的进步和人们生活水平的不断提高而发展的。从人们仅要求照明路面察觉道路的情况，到帮助人们识别道路是行人还是障碍物，再到帮助机动车和非机动车驾驶者辨别行人的特征等。

　　道路照明的根本目的是在于为驾驶员和行人提供良好的视觉条件，指引他们行进，以便提高交通效率，降低夜间的交通事故和犯罪，同时帮助行人看清周围环境，辨别方向。随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们在夜间到户外休闲、购物、观光等活动越来越多，良好的道路照明也起到丰富生活、繁荣经济和提升城市形象的作用。

　　按照照明的观点，道路可分为四大类：汽车专用道路、一般街道、商业街及人行道。通常所讲的道路照明，乃指汽车专用道路照明。在道路照明的诸多目的中，为机动车驾驶员提供安全舒适的视觉条件是第一位的。

　　道路照明光源最早是路灯，后来相继出现了高压汞灯、高压钠（HPS）灯和金属卤化物灯、高效节能灯、无极灯及LED灯等。在目前比较成熟的路灯光源中，HPS灯的光效最高，一般达100~120lm/W，在目前的中国整个道路照明市场（拥有量约1500万盏）上，高压钠灯占据60%以上的份额。而在一些社区和乡村道路上的照明光源主要是电子节能灯（CFL），约占道路照明市场20%的份额。传统白炽灯和高压汞灯，正在逐步被淘汰。

　  LED路灯的与众不同也因此得到照明市场的亲睐。2009年4月，科技部“十城万盏”项目正式启动，计划用三年时间在21个试点城市安装百万盏半导体照明 产品，拉开了我国大规模用LED路灯替代传统照明灯的序幕。据高工LED产业研究中心统计（LIRC），2009年全装了22.2万盏LED路灯，预 计2009-2011年LED路灯的安装量将达到112万盏。而其它仍处于工程试点阶段的城市，预计将在2010年至2011年大规模铺开。除了我国大力 推广LED路灯外，世界照明工业巨头-通用电气、飞利浦、奥斯拉姆也纷纷与半导体公司合作，成立照明企业。

2.3 LED路灯的优势

2.3.1 光效高，能耗低

目前大功率白光LED的光效已超过100lm/W，科锐（Cree）、欧司朗（Osram）光电半导体等公司的大功率白光LED的实验室水平早在2009年年初就达160lm/W。根据美国能源部（DOE）预测，到2020年前后，大功率LED商业产品的光效可以达到165lm/W，实验室样品光效可以达到230lm/W。到2020年之后，LED光效基本不再会有大的提高，将进入一个迟缓期。

在道路照明方面，高压钠灯因为其光效可达到120lm/W而占主导地位。但是，随着LED光效的不断提高，高压钠灯路灯的垄断地位岌岌可危。目前在次干道上使用的150W以下的LED路灯，已体现出明显的节能优势。

　　传统路灯光源一般向整个空间发光，但需要路灯照亮的只是行车和行人的路面，因此在路灯灯具设计时，为了尽可能地使灯光均匀并集中地投射到路面上，需要使用曲面反射器来收集光线，使其向所需要的方向照射。在光线传播过程中，由于光源的阻挡和反射面的吸收而损失，致使路灯的出光效率仅为65%~70%。反观LED路灯，因其具有良好的方向性，在采用二次光学透镜时，灯具效率可达80%左右。如果再进行三次光学设计，灯具的出光效率可达85%~90%。

　　表1列示了某一400W的高压钠灯与一盏250W的LED路灯灯具效率及路面利用率等参数比较。

表1  400W高压钠灯与250W的LED路灯参数比较：

　　高强度放电（HID）灯路灯，一般只能在小范围内进行调光，而LED路灯可以实现从0%~100%范围内的调光控制，可以根据环境光照和交通状况灵活调节光输出，在保证照明需求的情况下降低不必要的能耗。由此可见，对于占总照明用电量约为15%~20%的道路照明来说，大规模地推行LED路灯，对于节能降碳具有重要意义。

2.3.2 使用寿命长

　　路灯的寿命直接影响整个道路照明的维护成本。目前高压钠灯的寿命一般为2万小时左右，道路照明用高压钠灯的使用寿命仅约5000小时，而大功率LED的寿命一般达5~7万小时。

　　高压钠灯和LED的平均寿命定义是不同的。高压钠灯的平均寿命定义为“将一批受试光源样品点燃至50%数量损坏时的时间”，而LED的平均寿命则是指“将一批受试样品点燃至50%数量的光衰至70%的时间”。

　　若按高压钠灯的寿命定义来衡量LED，寿命为5万小时的LED则可达10万小时；若按LED的寿命定义来衡量高压钠灯，寿命为2万小时的高压钠灯仅约1万小时。

　　当然，LED的寿命并不是LED路灯的寿命。LED路灯的寿命是由LED光源寿命和驱动电路的寿命共同决定的，而LED及其驱动电路的寿命取决于灯具的散热能力、电路拓扑结构及其电子元器件的选择等多种因素。从目前的技术水平看，LED路灯的寿命可以超过高压钠灯路灯。

2.3.3 显色性好

　　虽然在传统光源中高压钠灯的光效最高，但其显色性最差，显色指数Ra仅约20。如此差的显色性只能帮助人们察觉道路状况，并不能帮助行人清晰辨别。而LED的显色指数可达80左右，基本上接近自然光，对颜色的呈现更为真实，更能够反映出物体本身的颜色。LED的高显色性无疑有助于司机和行人识别目标，在同样的路面亮度下提供更好的通行条件。

2.3.4  快速启动

白炽灯一点即亮，但实际上的启动时间约0.1~0.2秒。高压钠灯和金卤灯等气体放电灯从启动到稳定光输出需要几十秒乃至十分的时间，在关闭后需等待3~6分钟冷却后方可启动。而LED的启动时间仅为几十钠秒（ns），也不存在重新启动的等待时间，LED灯具可以正常工作在连续开/关状态。

2.3.5  便于光学设计

　　LED体积小，可以在半平面上定向发光，在灯具设计时可以将其近似视为是点光源，非常适合于采用透镜或反射器来进行光学设计，获得比较理想的配光，实现较高的灯具效率。

2.3.6  造型可塑性强，结构牢固

LED路灯灯具的造型可塑性强，可以通过造型设计来体现装饰性和地方人文特色，增添美感和城市意象的附加价值。

　　LED是一种固态光源，不含玻璃和灯丝等易损坏部件。LED灯具通过合理设计，在结构上可以做得非常牢固。

2.3.7  低碳环保，尤其适合采用太阳能光伏技术

　　高压钠灯等气体放电灯含有汞等有害物质，光源废弃后会对环境和水源造成长期严重污染。LED芯片及其封装可以满足欧盟RoHS指令要求，不含汞和铅等有害物质。LED废弃后可以回收利用，不会对环境造成污染。

LED直流驱动之特点，尤其适合采用太阳能光伏技术和风光互补技术应用于道路照明，从而实现真正意义上的节能环保照明。

2.3.8  具有潜在总成本优势

　　目前LED路灯灯具单价比高压钠灯路灯高4倍以上。一盏250W的LED路灯功效相当于400W的高压钠灯路灯，但前者价格为6000~8000元，后者仅为1500元。但是，LED路灯的高光效和长寿命特点只要能够充分发挥，可以依靠节约的电费和维护费用收回初始成本的差价。随着LED路灯技术的逐渐成熟和初始成本的不断降低，其在总成本上的潜在优势用不了多长的时间就会显现出来。

3. LED路灯目前存在的问题

　　虽然LED路灯与传统路灯比较具有一些优势，但由于LED路灯的发展时间很短，目前仍处于试验和探索阶段，有一些LED路灯在示范应用中出现了诸多问题，并没有达到人们预期的效果。

　　目前LED路灯存在的不同程度的问题表现为：

　　（1）实际发光效率低于高压钠灯路灯，在照明效果上路面亮度偏低，均匀性差，“斑马效应”比较明显，只能满足照明级别比较低的道路，例如灯杆在8米以下的次干道。

　　（2）色温过高，刺眼，无舒适感

　　（3）散热性能差，温升过高，致使光衰比较严重，可靠性变差。

（4）驱动电源性能差，故障层出不穷，从LED路灯早期失效的情况下，有95%以上的故障都是由驱动电路损坏所致。

（5）成本太高，一次性投入太大，成为推广应用的一大瓶颈。

　　（6）由于尚无统一的LED路灯技术标准，不同厂家的产品通用性极差，维护十分困难。

　　出现上述这些问题的原因很多，既有技术层面上的因素，也有思维定势等方面的影响。

　　事实上，LED路灯是一个系统工程。由于LED光源与高压钠灯本质不同，在设计方法上LED路灯与传统路灯是截然不同的。设计人员除了灯具的设计经验外，还需要对LED的性能有一个全面而深入的了解。有些路灯生产厂家在还不甚了解LED道路照明制作要求和特点的情况下，沿用传统路灯设计思路来设计LED路灯，在造型上仍采用常规“蛇头”外形，套用气体放电灯的概念，认为只要将一定功率的LED排放在灯座中就可以满足路面照明要求。按照这样的思路设计和生产的LED路灯，不可能做到实用化。

4. LED路灯未来的发展前景

　　虽然LED路灯在各方面仍旧存在上面所说的问题，但这几年，国家经过多次对LED路灯发展标准的改革，逐步向国际标准靠拢。制度得到国家改革， 资金得到帮助，LED路灯发展愈来愈好。2010年6月24日，广东省在广州召开了LED路灯应用推广现场会，总结推广广州等地在LED路灯应用 推广方面的经验，常委、常务副朱小丹强调加大LED路灯应用推广力度，带动LED产业快速发展，是培育战略性新兴产业的一个突破口、拉动内需的一 个着力点、节能减排的一个切入点、提高自主创新能力的一个新支点，对全省加快转变经济发展方式，构建现代产业体系具有重大意义。

    以广东为例，今年，广东省 开始大规模实施“千里十万”大功率LED路灯产业化示范推广工程，即在广州、东莞、佛山、中山、肇庆、汕头等市建设总里程1500公里左右，规模约10万 盏的LED路灯示范推广工程；除了广东省，湖北省武汉市启动规模最大的路灯改造计划，计划今年更换路灯13296盏，涉及270个社区；四川省成都的《成 都市“十城万盏”半导体照明应用工程试点实施方案（2009-2011年）》正式出炉，三年内，推广应用1万盏以上LED路灯和隧道灯。

    LED路灯的发展道路是曲折的，但是形势是喜人的，前景是乐观的，我们相信其发展还是拥有极大的空间。东莞大忠电子有限公司陈国平也认为：“LED路 灯市场是有发展的潜力的，只不过目前必须面对许多考验，不断在考验中发展自我，这样才不断成熟。”LED光源具有节能、环保、安全、寿命长、色彩丰富、性 能可靠等我们无法否认的显着优点，而LED路灯在的影响下出现是顺应潮流的发展。随着LED光源光效的迅速提升，LED路灯配光设计技术水平的逐步成 熟，LED光源价格的降低，LED路灯较之传统光源的路灯将有越来越多的优势，因此LED路灯具有广阔的发展前景。

另外太阳能电池作为取自太阳能的绿色能源，有结构简单、寿命长等特点，是取之不尽、用之不竭的能源，如果使用太阳能电池作为LED光源的驱动能源，将形成绿色能源产业新的增长点，使这一产业具有更巨大的应用市场和发展空间，将产生不可估量的社会和经济效益。太阳能是取之不尽、用之不竭的，是人类能够自由利用的能源，在世界能源短缺、环境污染日日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策，与传统的的照明灯相比，超高亮白光LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件。在功耗上，寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯的地方，LED灯的触角就会到达。LED太阳能路灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道、和高速公路等任何地方。道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走进了人们的视野。新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的LED路灯系统不仅对城市照明节能有着重大意义，而且还与城市人民的健康生活水平，经济发展息息相关。设计出合理的LED路灯系统既是我们对专业知识学习综合性的考察，同时也是对整个地区的发展贡献一份绵薄之力。因此，如何为某地区设计出合理的LED路灯系统是我们不容忽视的问题。我想，对于设计太阳能LED路灯系统要有以下基本要求：（1）了解该地区的基本气象状。2）选择性价比高的太阳电池板，控制器，蓄电池等一系列组件。（3）采取有效的措施对系统进行保护。只有这样通过综合性考虑，最终才能设计出合理的方案，实现它的价值意义。

5.结束语

LED是新一代绿色光源，LED应用于道路照明与传统路灯比较具有很多优势。道路照明是一种公共照明，由买单和掌控，因此LED在普通照明领域可以率先在道路照明中应用。但是，由于传统路灯的设计方案并不适用LED路灯，在光学设计、散热问题和驱动电源设计等方面还存在很多问题尚未真正解决，因此距大规模地推广应用还有较长的路要走。LED路灯技术尚处于探索阶段，不可一哄而起、一哄而上和遍地开花，而必须坚持先试点、再示范到最后推广的实施路线。

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