太阳能LED路灯的应用于问题分析

    近年来，LED照明产业发展迅速，“十城万盏”项目作为LED产业的重点工程而备受关注。在《十城万盏参考》中发表了《管窥太阳能LED灯具应用》等数篇关于太阳能LED路灯方面的文章，对文章中的案例和观点有着不同的理解与看法，现与大家一起探讨。

    文章对于太阳能LED路灯的应用列举了一些事例，第一个便是2010年11月重庆大足县迎宾大道全长4.3公里，投资1700余万、有着20年运营期及每年可节电87万千瓦时的300台自动跟踪式平板太阳能LED路灯全线亮灯启用。从上述事例的描述中可分析出，该路为主干道应为6车道及以上，路灯为两侧安装，间距30米，灯高在10米左右，每套灯造价超过5.6万元，另从以上数据可分析出若不用太阳能LED路灯而采用高压钠灯的话，应安装功率600瓦的钠灯（87万千瓦时/（4150*300*1.1（镇流器损耗）*1.05（线路损耗）=0.605千瓦），再分析一下，简单算笔帐，若全部按钠灯建设所需费用，工程建设费用450万元（300套灯，光源只能按400钠灯计算，不然就违反设计标准了，每套灯1.5万元，含土建、材料、机械、安装和配电，配电按附近无低压，配相应变压器），每年路灯的运行维护费用300*200=6万（每套灯200元，在江苏已是高水准了），每年运行电费300*4150*1.1*1.05*0.4*0.53=30.485万元,可供运行维护（1700-450）/（6+30.485）=34.26年（即便按农电费用每度电0.66元计算,也有28年），远超过20年的计划运营期（其实前建成后2-3年维护费可以基本忽略不计的），而这20年中其更换LED、更换蓄电池、控制器以及巡修检查等运行维护费用还没算在内（太阳能LED不是免维护的，是要发生大笔维护费用的，文章后面是会具体谈及）。更何况这前期多投入的约1250万资金若按复利计算的话，成本会更高，在经济上极不合算。另外，从这个案例中的迎宾大道字面上理解，应是主干道或快速路，从目前各城市建设状况来看，应为6车道或以上，安装10米高度不足，应调整为12米，间距35~40米，4.3公里长的道路上所使用的路灯数量将比现在减少20%~30%，工程造价、电费、维护费会更少，性价比会更高。

    结论1：建设地点是重庆，按我国太阳能日照区域划分，整个四川属于全年日照时数小于1600H的日照贫乏区，极不适宜安装太阳能路灯（不过这也可能是采用自动跟踪式平板太阳能的原因）；

    结论2：在此地此路此时安装太阳能LED路灯性价比太低，若算上运行维护费用，从费用角度则无安装的必要。

    文章中还列举了全国路灯全部采用太阳能LED路灯每年可节约一个三峡大坝的光明前景，列举了关于太阳能LED路灯的清洁无污染、节电、节钱、免维护等优点，也列举了关于高钠寿命短的缺点等观点，对以上部分观点现阶段不敢雷同，下面就以上观点谈谈自已的看法：

    一、事物的发生、发展、退出有其客观规律

    太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，太阳能作为一种巨量可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5亿万桶石油，可以说是取之不尽、用之不竭。LED 具有超长寿命、节能等，从理想主义的技术角度，这的确是一项非常有吸引力的技术，它给我们描绘的应用前景简直可以用“完美”来形容：一次性投资，长寿命、低维护成本的LED灯具没有电缆铺设的成本、不受地域限制、可以像栽树一样方便，没有电费开支，永不枯竭的能源无污染等等。但不是说具有上述优点就可以马上代替其他的光源能源，白炽灯自十九世纪发明到今天的禁止使用经历了一百多年的时间，虽然禁用，但将还存在较长时间。汞灯从发明到不宜使用也有不短时间了，它们在高压钠灯出现较长时间及其技术成熟后还较长时间内共存，说明事物的发生、发展、退出有其客观规律，有一个相应的过程，LED、太阳能也是如此，更何况其自身还存在着散热、污染、标准、造价、转换率低等许多尚未解决的瓶颈问题，在技术成熟度上无法与钠灯及其他能源方式相比，即便在政府的支持下，何谈全部代替？就如一个正处于成长期的少年即便再说其强壮，也无法与一个成年壮汉相抗衡。太阳能与其它相关能源，高压钠灯与LED及其它可能的下一代光源如无极灯、钠米节能灯等可能在相当长时期内共存，在各自擅长的领域内发挥各自的作用。随着技术的发展，其中的一部分能源方式和光源或被逐渐替代，退出历史舞台，但这是一个过程，不是想当然的短期或瞬间。

    二、客观看待太阳能、LED和高压钠灯

    太阳能与LED都处在发展期，发展期意味着技术有着可发展的先进性，同时也说明其目前还存在着一些技术上的不成熟和不足，太阳能的转化率、蓄电池的环保与寿命等，LED的散热及其引起的光衰问题、驱动问题、灯的控制问题等，当然还有最重要的标准问题，也可说是其致命性问题，这此都在很大程度上制约其快速发展，这些问题在相关文章中已有大量的论述，下面谈谈环保等其他几个问题。

    （一）环保的问题

    1、LED的环保

    LED已被全球认为是已知的最高效的人造照明技术，人们普遍认为用LED灯取代传统的白炽灯泡和荧光灯是一种非常环保的做法。然而，近日由美国加州大学艾尔文分校进行的一项调查显示，使用LED的环保功效可能会被其包含的有毒物质所抵消，该校在研究中发现市场上的LED灯中包含有锑、砷、铬、铅及其它多种金属无素，其中部分LED灯的有毒元素已超过了相关标准，有的已超出近十倍，在美国加州的法律里已将绝大多数LED灯定义为有毒垃圾，如果使用普通填埋方法处理将会污染土壤和地下水。而如果LED灯破碎，还可能会对直接接触的人体健康造成损害。其研究报告中还指出虽然LED未来的能效非常高，但它绝非是完全环保的选择，要重视其蕴藏的潜在的危险。如何进行技术突破，减少污染将是LED下步发展进程中应着重考虑的问题。

    2、太阳能的环保

    在替代传统能源、采用太阳能绿色能源时，不能只看见了这些能源的优点，忽略了它们在制造过程中对环境的污染。资料显示，现在光伏发电是环保产业，但光伏电池所用的多晶硅在提炼过程中，耗电量却比“电老虎”之称的电解铝还要高，此外，多晶硅生产过程中如果未处理好，还会排出四氯化硅、氯化氢、氢气等尾气。四氯化硅如果不作处理，就会溶解为盐酸等物质，污染土壤。目前，很多地方没有意识到光伏电池的危害，盲目上马，对环境造成了极大的污染。另外短寿命的蓄电池的环保也是当前存在的一个大问题（虽然有新的有较长寿命的蓄电池技术出现，但环保与成本问题还没解决）。

    （二）节能问题

    节能的目的主要是最大限度的减少地球资源的浪费、拓展新型可再生能源的利用空间。在采用任何一种新技术、新能源时，必须考虑能源使用与环境何护之间的关系，才能现真正的节能，仅仅简单、片面地以能源的产出或者运行维护费用作为节能的衡量标志，看运行的一次能耗形式，不考虑这种能耗形式在制造以及转换过程的能耗情况；不考虑能源使用以后，维护环境、处理废弃料等相关事宜，不给子孙后代预留余地，就会从根本上违背了绿色节能的初衷。

    高效节能意味着以消耗较少的电能获得足够的照明，从而明显减少电厂大气污染物的排放，达到环保的目的。太阳能和LED表面看起来在一些方面省电，但我们看待节能要从整体、系统、全面的来看待，如果在其生命周期内，其节约的能源（电费和相关消耗的人工、材料、机械费可折合成相关能量）要超过研究、加工、制造其所消耗的能量，才是真正的节能，如果达不到只能是表面节能或从国家意义上来讲其实是不节能，不能只局限于表面现象。所以看待其是否节能，要从头算起（寿命周期内的、现阶段的、太阳能和LED是否真正节能，笔者也在调查、采集中）。

    （三）寿命问题

    许多厂家在宣传LED与太阳能时，都谈到了寿命问题，LED光源称为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。太阳能电池板也有着25~30年的寿命。而一提到高压钠灯就只有3、5千小时寿命。下面对以上三种寿命进行分析。

    笔者在路灯维护和设计一线工作了较长时间，对钠灯的寿命做过相关的统计，以国外品牌国内合资生产的250钠灯为例，笔者所在城市在2003年3月份安装了一条路134套250钠灯（灯高12米，电压223~230伏，功率因数0.9左右），至2008年上半年5年时间共更换灯泡65只（其中还包含其它原因损坏的2只）， 按寿命的算法，这差不多也到了灯泡的平均寿命了，其运行小时数达到了4150*5=20750小时，虽达不到其标称的24000小时，也差不多了。高压钠灯处于技术成熟的改进期，性能稳定、寿命在1.5~2万小时左右，国际、国产的品牌都不错。

    LED使用寿命可达6万到10万小时，这只是指LED芯片的寿命，LED路灯的寿命受散热、排列和驱动电源等方面的影响，寿命并不高，目前驱动的寿命只有1万小时多点，质量差的电源寿命更短，而且损坏后可能会直接烧毁LED灯珠。有的厂家宣称其LED路灯能达到3~5万小时寿命的说法也值得商榷，3~5万小时也就是说要运行7~12年(按路灯每年正常应运行4150小时)，LED路灯自04、05年左右开始投入道路照明，也就6、7年时间，可谁见过6、7年后还在正常运行的LED路灯，更别提太阳能LED路灯了。当然，从长远看，LED路灯在解决了散热、排列和驱动电源等方面的技术问题后，其寿命可远超现在的钠灯。

    太阳能照明系统中的寿命问题主要是蓄电池的寿命问题，目前较好的GEL电池，其100%DOD循环寿命也就600次左右，其他的包括电池板、逆变器、控制器等也存在不同的寿命问题，这个大家都知道，这里不提了。

    （四）维护问题

    很多文章都提到太阳能LED路灯免维护或在其生命周期内免维护，其实这只是厂家的宣传而已，要真是这样，全世界的路灯维护工人都要失业了，实际上现阶段太阳能LED路灯的维护量相当庞大。

    1、现阶段太阳能设施的维护。太阳能路灯与普通路灯相比除了在设计、安装等方面要求较为特殊和繁琐外，其维护也有着特殊的要求，以太阳能电池板为例，平时维护中要检查太阳能电池板的方位角；有无树枝、树叶或其他外来物（如鸟粪，若有必须立即清除，以防热岛效应，损坏电池板）直接遮挡；是否在其他物体的阴影区；表面是否有裂纹、积灰、脏污；单体是否有龟裂、连线是否平整都是检查范围。而蓄电池则是维护中的最大困难，太阳能蓄电池等设备通常安装在灯杆底座内（安装在手井内不利于电池的透气、防水和防盗），因其体积较大，不可能在灯杆底座上加开大有电器门以供更换修理（电器门尺寸过大，将严重危胁灯杆安全，同时对设备安全也带来很大隐患），只能加大底座体积，若需维护和更换时一般都将灯杆拆除吊起，工作完毕后再重新安装上去，而目前正常蓄电池的使用寿命在2～3年，在其寿命周期内还要经常检查蓄电池的充电放电情况，随时观察电极或接线是否有腐蚀或接触不良之处。可以想象这个工程量是多么的庞大。

    太阳能照明装置除了电池板还有控制器、逆变器、光控设备等远比钠灯复杂， 因此，为了保证太阳能照明装置的的持续运行，检查维护通常是以一周为一个周期，在白天和夜晚对每一个装置至少各巡视一次，大风、大雨、大雪或雨季过后要立即检查电池板是否发生位移(电池板掉下来可不得了，要出安全事故的)、控制室内和蓄电池室内是否进水、积水，雷雨后要重点检查装置是否正常工作，其充放电控制器是否损坏等等。每年的秋季还要对装置进行全面检查，特别是要清洁、擦拭照明灯具和太阳能电池组件的透光部位。不解决太阳能照明系统中存在的光电转换率、蓄电池的体积与寿命等主要问题，其维护量将远远超过高压钠灯的维护量。

    2、现阶段LED路灯的维护。LED路灯的维护涉及到很多相关方面，其中标准化、模块化、插拨式、散热、驱动电源等在以前的文章和其他作者的文章中多有论述，这里不再一一列举，下面谈谈光源更换时间所涉及到的问题、困难及以后有可能采取的办法。

    LED灯具的照明光源大多是由1瓦左右LED颗粒（目前很少有用大功率10W、20W以上LED灯珠）通过二次配光组成，颗粒的损坏量很难不通过仪器而只通过肉眼进行判断，而且坏多少才能采取更换措施呢？这给维护工作带来了很大的难题，严重制约了维护的速度。另外随着技术的发展，LED面临的标准化、模块化、插拨式、散热、驱动电源等技术瓶颈的的不断攻克，标准性、统一性、兼容性的不断完善，LED路灯的寿命不断逼近理想化，其发出的光通量程度或者说光衰限度，将成为LED路灯维护面临的最大问题。

    LED光源在运行一段时间后，其光通量在下降，光衰一步步加大，光衰到一定程度，到了已不能满足道路照明照度或亮度的最低要求时，如果不更换，将严重影响照明水平，对交通、行车造成了非常大的安全隐患，随着光衰程度的加大，其隐患危险性也越大，当然城市夜景照明效果也在下降； 但仍在发光、还在运行的情况下，如何判断其发出的光能量或其光衰程度已不能满足道路照明照度或亮度的最低要求，达到必须更换的程度？若是拿照度计每盏灯挨个进行测试，这种工作维护方式一方面给维护人员在工作时带 来相当大的危险，另一方面工作量极为巨大，需要投入大量的人力、机械，相关照度计或亮度计的设备投资也不少，对于维护单位来讲是无法忍受的；若采用照度或亮度测试车，虽然方便了点，但对于每盏灯来讲，其测试是粗略的，测试完后才能统计、汇总可能需要更换的路灯，再将路名、杆号、功率大小、类别（是机动车道灯还是非机灯）等情况反馈给维护人员，再组织维护工作，时间周期也不短，手续繁琐，维护的及时率也不会很高，同样投资一台照度或亮度测试车，设备、运行费用也不低，固定的人员也不少。

    如何解决LED路灯光衰量控制（就是光衰到一定程度、已不能满足道路照明的最低要求时，自动停止其运行，等待更换的光源控制方法或设备）是以后将面临的一个大的难题，是解决其维护量的关键。

    三、适度、适地的推广太阳能LED路灯

    在太阳能光伏发电技术和LED高效照明技术高速发展的形势下，太阳能路灯和太阳能LED路灯也在广大城市和农村得到了推广和应用，但同时也暴露出其存在的一些缺点和不足，特别是在城市道路主干道上的应用，其照度和连续阴雨天条件下的可靠性及平时维护中都显得不尽如人意，这其中的原因主要是太阳能电池转换效率只有17%左右，而道路照明太阳能电池要求的功率较高，同时相关配套设备质量、寿命还达不到相关要求，都是造成不尽人意的原因，困此其存在的、暂时没有解决的困难没有解决之前，安装太阳能LED路灯要适度、适地的进行。

    1、因地制宜安装太阳能LED路灯。首先，日照不足或贫乏区不宜安装，高楼大厦林立、行道路高大的城市尽量少安装或不安装；其次，太阳能LED路灯其所提供的电能目前不能满足快速路、主次干道及迎宾道的照度需求，建议城市若安装，则适宜安装在庭院、公园、绿地或景观里，这些地方阴雨天的晚上人员稀少，甚至无人。灯光暗点或无灯光没有大的影响。若在城市内道路上安装，建议采用与市电互补照明的方法，采用这种方法只需要考虑一年中日照最长、而夜晚需要照明时间最短时间段的电能需求就可以了，其余的可由市电进行补充，太阳能电池效能得到最大的利用，蓄电池容量可以使用最小，系统成本最少而且太阳能系统有可靠性可以达到最高，特别有利于在城市原本就敷设了照明电缆的道路上进行太阳能LED路灯的改装，对于路灯采用双回路供电的的城市更有利。当然采用太阳能与市电互补要做好相关的工作如要考虑不同道路的照明维持要求、市电切入的点的选择等。第三，在城市外效区、农村、海岛、景区、山顶等电源稀少地区或救灾应急照明中可适当安装太阳能LED路灯，可解决照明有无的问题。

    2、适度地安装太阳能LED路灯。太阳能和LED都是新技术、新能源、新光源，注定将在未来占据重要地位，但仍处于发展阶段，存在发光效率低（目前低于高压钠灯140LM/W）、光衰大、光色不一致、色温偏差大、二次配光处理水平不高、驱动电源设计不尽完善，其寿命远低于LED自身寿命、太阳能电池转换效率低、蓄电池的使用寿命短、同步控制困难等诸多问题有待解决。我们应客观、理性地看待太阳能LED照明的发展、成长，看好其未来前景，采取积极热情的态度，支持和促进其发展，并在应用中改进、提高，同时太阳能LED路灯虽然现阶段存在不足，但还是有其独特的优点，例如太阳能LED照明在一些特定场合(海岛、景区、山顶、偏远地点等)的应用，在景观照明(庭院灯、草坪灯等)方面以及今后可能推广的太阳能系统区域网内集中采供电应用（无锡已在测试运行中）等方面，优势仍然明显，示范应用也有积极意义。但不应盲目、无序的推广。成长需要一个过程，如果不能正确地对待LED照明，现在就谈大规模应用将可能会出现投资过大、投资浪费，为将来留下的太多隐患的问题。

    结束语

    笔者不是太阳能LED路灯的坚决反对者，也不是高压钠灯的绝对支持者，只是认为在相关技术尚未完全成熟的时候，就开始大力倡导使用，显然操之过急，过热的太阳能和LED浪潮会影响决策者对其缺点和不足的考虑，将导致重复建设，资源浪费，给以后的运行维护带来非常严重的后果，对这两种技术的发展会产生负面影响。写这篇文章主要是想在这股热潮下，我们不光要看到其长远的未来，也要看到其现阶段存在的不足，更理性、更客观一点，如能为太阳能和LED的健康发展贡献点力量就心满意足了。<