中國(guó)LED路燈技術(shù)發(fā)展及問(wèn)題

中國(guó)的LED路燈因商機(jī)龐大而被受LED路燈廠家重視。路燈是城市照明的重要組成部分,傳統(tǒng)的路燈常采用高壓鈉燈,高壓鈉燈整體上光效低的缺點(diǎn)造成了能源的巨大浪費(fèi),因此,開(kāi)發(fā)新型高效、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、顯色指數(shù)高、環(huán)保的路燈對(duì)城市照明節(jié)能具有十分重要的意義。

當(dāng)今LED路燈特點(diǎn): 

大功率LED路燈與常規(guī)高壓鈉燈路燈不同的是,大功率LED路燈的光源采用低壓直流供電、由GaN基功率型藍(lán)光LED與黃色熒光粉合成的高效白光二極管,發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)ED)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)形成的用微弱的電能就能發(fā)光的高效固態(tài)光源,在一定的正向偏置電壓和注入電流下,注入P區(qū)的空穴和注入N區(qū)的電子在擴(kuò)散至有源區(qū)后經(jīng)輻射復(fù)合而發(fā)出光子,將電能直接轉(zhuǎn)化為光能。

LED作為路燈的光源,它和傳統(tǒng)路燈光源比較有許多優(yōu)點(diǎn)：  

1、LED路燈本身具有光的指向性,沒(méi)有光的漫射,保證光效；

2、LED路燈有獨(dú)特的二次光學(xué)設(shè)計(jì),將LED路燈的光照射到所需照明的區(qū)域,即路面,進(jìn)一步提高了光照效率,達(dá)到節(jié)能目的；

3、LED的光源效率目前已達(dá)100lm/W,而且還有很大的發(fā)展空間,理論值能達(dá)到250lm/W。而高壓鈉燈的發(fā)光效率是隨功率增加才有所增加,因此,總體光效LED路燈比高壓鈉燈強(qiáng)；

4、LED路燈的光顯色性比高壓鈉燈高,高壓鈉燈顯色指數(shù)只有23左右,而LED路燈顯色指數(shù)可達(dá)到75以上,從視覺(jué)心理角度考慮,達(dá)到同等亮度,LED路燈的光照度平均可以比高壓鈉燈降低20%以上(參照英國(guó)道路照明標(biāo)準(zhǔn))；而且,在中間視覺(jué)水平下,人眼在高色溫環(huán)境里比低色溫環(huán)境更容易辨別事物,避免了某些危險(xiǎn)狀態(tài)的發(fā)生；

5、LED路燈的光衰小,一年的光衰不到3%,使用10年仍達(dá)到道路使用照度要求,因此,LED路燈在使用功率的設(shè)計(jì)上可以比高壓鈉燈低；

6、LED路燈可以自動(dòng)調(diào)光,能實(shí)現(xiàn)在滿足不同時(shí)段照明要求,最大可能的降低功率,節(jié)省電能；

7、LED是低壓直流器件,驅(qū)動(dòng)單顆LED的電壓為安全電壓,所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源,特別適用于公共場(chǎng)所。直流的特點(diǎn)使LED特別適合與太陽(yáng)能、風(fēng)電進(jìn)行結(jié)合；

8、每個(gè)單元LED晶粒只有很小體積,所以可以制備成各種形狀的器件,并且適合于易變、易震的環(huán)境；

9、壽命長(zhǎng)：理論壽命能使用5萬(wàn)小時(shí)以上；

10、LED可以進(jìn)行頻繁的開(kāi)關(guān)而不用擔(dān)心其損壞；

11、安裝簡(jiǎn)便：直接將LED路燈燈頭安裝于燈桿替換原有的鈉燈燈頭；

12、散熱控制出色：能將LED結(jié)點(diǎn)溫度降到70°C以下,隨著技術(shù)的發(fā)展,結(jié)點(diǎn)溫度還在進(jìn)一步下降,結(jié)點(diǎn)溫度越低,理論上LED芯片壽命就越長(zhǎng)；

13、質(zhì)量可靠：電路電源全部采用高質(zhì)量元器件,每顆LED都有單獨(dú)過(guò)流保護(hù)及串并聯(lián)保護(hù),就算一顆損壞,也不會(huì)導(dǎo)致其他LED芯片失效；

14、LED光源不含有害金屬汞,不像高壓鈉燈或金屬鹵化物燈在報(bào)廢時(shí)對(duì)環(huán)境造成危害；

但是,最近聽(tīng)到不少專家學(xué)者的意見(jiàn),認(rèn)為L(zhǎng)ED作為路燈來(lái)取代高壓鈉燈在技術(shù)上還不成熟。主要的理由有以下幾點(diǎn)：

1．LED的發(fā)光效率無(wú)法和高壓鈉燈相比

2．LED的照射過(guò)于集中,其照射的均勻度差

3．LED路燈的光衰嚴(yán)重,壽命不長(zhǎng)

4．LED路燈本身自重過(guò)重,不利于安裝,防風(fēng)

5．LED路燈造價(jià)過(guò)高,無(wú)法普及

我們根據(jù)以上的觀點(diǎn)逐一進(jìn)行分析：

1．發(fā)光效率問(wèn)題

目前來(lái)說(shuō),LED的發(fā)光效率從數(shù)字上來(lái)看的確不如高壓鈉燈。LED現(xiàn)在的光效一般在65~75lm/w,而且隨著技術(shù)的發(fā)展,LED的光效每年都在提高,而高壓鈉燈可以達(dá)到125lm/w。但是,高壓鈉燈的光譜比較集中于黃色,它的色溫比較低,只有2000~2500K,而LED的色溫較高,可以達(dá)到3500~4500K以上。另外高壓鈉燈的光線是向四處發(fā)射的,有很大一部分光無(wú)法到達(dá)路面。還有,高壓鈉燈的顯色指數(shù)差,只有23左右,感覺(jué)昏暗；而LED的顯色指數(shù)高,可以達(dá)到75~80。路面明亮,感覺(jué)舒適。所以從實(shí)際的發(fā)光效果來(lái)看,LED反而可以比高壓鈉燈高出很多。135W的LED可以取代250W的高壓鈉燈,或300W的水銀燈。135W的LED,其輸出光通量大約只有7020流明(經(jīng)過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì),會(huì)有所損失),到達(dá)路面時(shí)的流明數(shù)仍為6500流明,而路面的平均照度可以達(dá)到16Lux(12m高桿)。250W高壓鈉燈的輸出光通量為20,000流明。但到達(dá)路面的流明數(shù)就只有7000流明。路面的照度大約為30~40Lux,由于顯色系數(shù)的差別,LED的照度修正系數(shù)為2.35倍,高壓鈉燈的修正系數(shù)為0.94倍。所以135W的LED經(jīng)過(guò)修正以后地面的照度為37.6Lux,而高壓鈉燈的修正后的照度為28.2~37.6。二者相當(dāng)。所以,135W的LED可以取代250W的高壓鈉燈,LED可以節(jié)能1.85倍,節(jié)能效率約為50%。

2．照射均勻度問(wèn)題

的確,如果不進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì),LED的照射是比較集中,所以一定要進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì),使其光強(qiáng)分布圖呈蝙蝠形。

3．LED的光衰問(wèn)題

現(xiàn)在有的商家,為了降低成本,就采用幾百只φ5的小功率LED。然而這種小功率的LED的光衰是非常嚴(yán)重的,其光衰至80％的壽命只有1000小時(shí)。所以,作為需要長(zhǎng)期使用的路燈是絕對(duì)不能允許采用這種小功率LED的。作為大功率LED,其光衰就要好很多。

4．LED路燈的自重問(wèn)題

LED路燈,在和高壓鈉燈的替換過(guò)程中,為了防止LED路燈燈頭過(guò)重,一些LED路燈廠家盡可能的在減少LED燈頭的自重。從原來(lái)的單個(gè)燈頭約30公斤左右,降到了現(xiàn)在的10多公斤。重量的減輕還有進(jìn)一步下降的趨勢(shì)。

5．LED路燈造價(jià)過(guò)高,無(wú)法普及

LED路燈是由很多部分組成的,而其中發(fā)光最有效的元件是芯片,價(jià)格最貴的部分也在芯片。現(xiàn)在的芯片的光效在65~75lm/w,但是各大芯片廠商都在研制更大光效的芯片。試想一下,隨著科技的進(jìn)步,光效一旦發(fā)展到很高的水平,那么使用芯片的數(shù)量會(huì)比現(xiàn)在的少,而且芯片的價(jià)格也會(huì)同時(shí)下降。到那時(shí),LED路燈整體價(jià)格也會(huì)下降。

未來(lái)LED路燈特點(diǎn):

個(gè)人認(rèn)為,LED路燈替換高壓鈉燈,是今后節(jié)能減排的一個(gè)趨勢(shì)。LED路燈要發(fā)展,我認(rèn)為在以下幾個(gè)方面需要注意：

1.提高光通

2.弄好二次光學(xué)

3.解決散熱

4.模塊化

A.光通的提高還需要從大功率的LED的外延技術(shù)、芯片工藝等基礎(chǔ)層次進(jìn)一步提升。目前,國(guó)內(nèi)外制作白光LED的方法是先將LED芯片放置在封裝的基片上,用金絲進(jìn)行鍵合,然后在芯片周圍涂敷YAG熒光粉,再用環(huán)氧樹(shù)脂包封。樹(shù)脂既起保護(hù)芯片的作用又起到聚光鏡的作用。從LED芯片發(fā)射出的藍(lán)色光射到周圍的熒光粉層內(nèi)經(jīng)多次散亂的反射、吸收,最后向外部發(fā)出。LED(藍(lán))的光譜線的峰值在465nm處,半值寬為30nm。LED發(fā)出的部分藍(lán)色光激發(fā)黃色的YAG熒光粉層,使其發(fā)出黃色光(峰值為555nm),一部分藍(lán)色光直接或反射后向外發(fā)出,最終達(dá)到外部的光為藍(lán)黃二色光,即白光。芯片倒裝技術(shù)(FlipChip)可以得到比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)更多的有效出光。但是如果不在芯片的發(fā)光層的電極下方增加反射層來(lái)反射出浪費(fèi)的光能,則會(huì)造成約8％的光損失。所以底板材料上必須增加反射層。芯片側(cè)面的光也必須利用熱沉的鏡面加以反射,增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍(lán)寶石襯底(Sapphire)與環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)光結(jié)合面間應(yīng)加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。經(jīng)過(guò)光學(xué)封裝技術(shù)的改善,可以大幅度的提高大功率LED器件的出光率(光通量)。

B.LED照明器具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高LED的使用質(zhì)量。因此研究大功率LED光源二次光學(xué)配光設(shè)計(jì),滿足大面積投光和泛光照明配光需求尤為迫切。通過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù),設(shè)計(jì)外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡及非球面出光表面,可以提高器件的取光效率。傳統(tǒng)光源照射方向?yàn)?60°,燈具依靠反射器將大部分光線反射到特定方位,只有40%左右的光是直接透過(guò)玻璃罩到達(dá)路面的,其他的光是通過(guò)燈具反射器再投射出燈具的,燈具的反射器的效率一般僅為50%~60%,所以有60%左右的光輸出在燈具內(nèi),是在損失了30%~40%后再投射到路面上的。光源光輸出的很大一部分被限制在燈具內(nèi)部發(fā)熱消耗掉。LED燈的絕大部分光線都是前射光,可以實(shí)現(xiàn)>95%的光效,這是LED區(qū)別于其他光源的重要特性之一,如果不能將這一特性很好利用,會(huì)使LED的優(yōu)勢(shì)大打折扣。大多數(shù)大功率LED燈由于是多個(gè)LED芯片拼裝,要將這么多光源照到不同方向,我們充分發(fā)揮芯片整體封裝的特點(diǎn),采用透鏡加以解決,通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì),根據(jù)不同需要,配備不同凸面曲線,依靠透鏡來(lái)將光線分配到不同方向,保證出光角度大的可以達(dá)到120°～160°,小的可以將光線聚集在30°以內(nèi),透鏡一旦定型,在生產(chǎn)工藝保證的前提下,同種燈具的配光特性也就達(dá)到了一致。完全可以通過(guò)經(jīng)過(guò)多次試制,不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn),能夠使LED路燈達(dá)到道路照明標(biāo)準(zhǔn)要求的蝙蝠翼光型。目前隧道燈、路燈和一般照明燈已達(dá)到各自應(yīng)用場(chǎng)所的照明要求。

C.散熱是LED路燈需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。眾所周知,LED是個(gè)光電器件,其工作過(guò)程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能,其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能,使LED的溫度升高。在大功率LED中,散熱是個(gè)大問(wèn)題。例如,1個(gè)10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%,則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能,若不加散熱措施,則大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升,當(dāng)其結(jié)溫(TJ)上升超過(guò)最大允許溫度時(shí)(一般是150℃),大功率LED會(huì)因過(guò)熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中,最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。由于LED路燈亮度要求高,使用環(huán)境比較苛刻,如果散熱解決不好,會(huì)迅速導(dǎo)致LED老化,穩(wěn)定性降低。一盞采用250W高壓鈉燈的路燈,由于技術(shù)成熟,散熱控制的很好,即使工作5000小時(shí),光衰仍然很小。以目前的技術(shù),相同條件下的大功率LED路燈,如果散熱解決不好,光衰會(huì)很大。目前LED路燈的散熱方式主要有：自然對(duì)流散熱、加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、熱管、回路熱管散熱和均溫板散熱等。加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱方式系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低,熱管和均溫板散熱方式成本較高。

D.LED路燈,最終會(huì)選擇模塊化安裝及維修�，F(xiàn)在路面用的最多的高壓鈉燈,內(nèi)部的鎮(zhèn)流器等部件不容易損壞,大部分不亮的原因是光源損壞,維修的方式只要更換光源即可。一個(gè)熟練的操作工人,完全可以個(gè)人進(jìn)行高臺(tái)操作。但是,LED路燈,內(nèi)部的部件很多,除了光源(芯片),其他各個(gè)部分損壞都會(huì)導(dǎo)致芯片不亮。所以,在現(xiàn)場(chǎng),無(wú)法立刻斷定LED路燈損壞的原因。如果LED路燈不亮,需要把LED路燈摘下運(yùn)回工廠進(jìn)行各項(xiàng)檢測(cè)。這樣更換LED路燈的方式顯得非常繁瑣。LED路燈的發(fā)展最終版本,就是發(fā)展成為模塊化。光源、電氣等之間全部是按照插接進(jìn)行更換,這樣,一個(gè)熟練的工人,也完全能獨(dú)立進(jìn)行判斷損壞的原因并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修。

結(jié)論

建議：統(tǒng)一LED標(biāo)準(zhǔn),提升品質(zhì)穩(wěn)定性,成立市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)組織,避免惡性競(jìng)爭(zhēng),大力宣傳LED的品質(zhì)觀念,避免受不良實(shí)例的影響,要讓人們從思想上接受LED其實(shí)是可以實(shí)現(xiàn)其壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)的,提高選擇和使用LED的水平。綜上所述,LED路燈替換高壓鈉燈,是今后道路照明的必然趨勢(shì)。