中國LED路燈技術(shù)發(fā)展及問題

中國的LED路燈因商機龐大而被受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造成了能源的巨大浪費,因此,開發(fā)新型高效、節(jié)能、壽命長、顯色指數(shù)高、環(huán)保的路燈對城市照明節(jié)能具有十分重要的意義。

當今LED路燈特點:?

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,簡寫為LED)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：??

1、LED路燈本身具有光的指向性,沒有光的漫射,保證光效；

2、LED路燈有獨特的二次光學設(shè)計,將LED路燈的光照射到所需照明的區(qū)域,即路面,進一步提高了光照效率,達到節(jié)能目的；

3、LED的光源效率目前已達100lm/W,而且還有很大的發(fā)展空間,理論值能達到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；

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)可達到75以上,從視覺心理角度考慮,達到同等亮度,LED路燈的光照度平均可以比高壓鈉燈降低20%以上(參照英國道路照明標準)；而且,在中間視覺水平下,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年仍達到道路使用照度要求,因此,LED路燈在使用功率的設(shè)計上可以比高壓鈉燈低；

6、LED路燈可以自動調(diào)光,能實現(xiàn)在滿足不同時段照明要求,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)動單顆LED的電壓為安全電壓,所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源,特別適用于公共場所。直流的特點使LED特別適合與太陽能、風電進行結(jié)合；

8、每個單元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：理論壽命能使用5萬小時以上；

10、LED可以進行頻繁的開關(guān)而不用擔心其損壞；

11、安裝簡便：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)點溫度降到70°C以下,隨著技術(shù)的發(fā)展,結(jié)點溫度還在進一步下降,結(jié)點溫度越低,理論上LED芯片壽命就越長；

13、質(zhì)量可靠：電路電源全部采用高質(zhì)量元器件,每顆LED都有單獨過流保護及串并聯(lián)保護,就算一顆損壞,也不會導(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廢時對環(huán)境造成危害；

但是,最近聽到不少專家學者的意見,認為LED作為路燈來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：

1．LED的發(fā)光效率無法和高壓鈉燈相比

2．LED的照射過于集中,其照射的均勻度差

3．LED路燈的光衰嚴重,壽命不長

4．LED路燈本身自重過重,不利于安裝,防風

5．LED路燈造價過高,無法普及

我們根據(jù)以上的觀點逐一進行分析：

1．發(fā)光效率問題

目前來說,LED的發(fā)光效率從數(shù)字上來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,有很大一部分光無法到達路面。還有,高壓鈉燈的顯色指數(shù)差,只有23左右,感覺昏暗；而LED的顯色指數(shù)高,可以達到75~80。路面明亮,感覺舒適。所以從實際的發(fā)光效果來看,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)過二次光學設(shè)計,會有所損失),到達路面時的流明數(shù)仍為6500流明,而路面的平均照度可以達到16Lux(12m高桿)。250W高壓鈉燈的輸出光通量為20,000流明。但到達路面的流明數(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。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．照射均勻度問題

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

3．LED的光衰問題

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的光衰是非常嚴重的,其光衰至80％的壽命只有1000小時。所以,作為需要長期使用的路燈是絕對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路燈的自重問題

LED路燈,在和高壓鈉燈的替換過程中,為了防止LED路燈燈頭過重,一些LED路燈廠家盡可能的在減少LED燈頭的自重。從原來的單個燈頭約30公斤左右,降到了現(xiàn)在的10多公斤。重量的減輕還有進一步下降的趨勢。

5．LED路燈造價過高,無法普及

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,價格最貴的部分也在芯片?，F(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)量會比現(xiàn)在的少,而且芯片的價格也會同時下降。到那時,LED路燈整體價格也會下降。

未來LED路燈特點:

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

1.提高光通

2.弄好二次光學

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)層次進一步提升。目前,國內(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,用金絲進行鍵合,然后在芯片周圍涂敷YAG熒光粉,再用環(huán)氧樹脂包封。樹脂既起保護芯片的作用又起到聚光鏡的作用。從LED芯片發(fā)射出的藍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)的光譜線的峰值在465nm處,半值寬為30nm。LED發(fā)出的部分藍色光激發(fā)黃色的YAG熒光粉層,使其發(fā)出黃色光(峰值為555nm),一部分藍色光直接或反射后向外發(fā)出,最終達到外部的光為藍黃二色光,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反射出浪費的光能,則會造成約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寶石襯底(Sapphire)與環(huán)氧樹脂導(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)過光學封裝技術(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照明器具進行優(yōu)化設(shè)計,提高LED的使用質(zhì)量。因此研究大功率LED光源二次光學配光設(shè)計,滿足大面積投光和泛光照明配光需求尤為迫切。通過二次光學設(shè)計技術(shù),設(shè)計外加的反射杯與多重光學透鏡及非球面出光表面,可以提高器件的取光效率。傳統(tǒng)光源照射方向為360°,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玻璃罩到達路面的,其他的光是通過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,會使LED的優(yōu)勢大打折扣。大多數(shù)大功率LED燈由于是多個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,采用透鏡加以解決,通過光學設(shè)計,根據(jù)不同需要,配備不同凸面曲線,依靠透鏡來將光線分配到不同方向,保證出光角度大的可以達到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到了一致。完全可以通過經(jīng)過多次試制,不斷地總結(jié)經(jīng)驗,能夠使LED路燈達到道路照明標準要求的蝙蝠翼光型。目前隧道燈、路燈和一般照明燈已達到各自應(yīng)用場所的照明要求。

C.散熱是LED路燈需要重點解決的問題。眾所周知,LED是個光電器件,其工作過程中只有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,散熱是個大問題。例如,1個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的器芯溫度會急速上升,當其結(jié)溫(TJ)上升超過最大允許溫度時(一般是150℃),大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計中,最主要的設(shè)計工作就是散熱設(shè)計。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,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,光衰會很大。目前LED路燈的散熱方式主要有：自然對流散熱、加裝風扇強制散熱、熱管、回路熱管散熱和均溫板散熱等。加裝風扇強制散熱方式系統(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。一個熟練的操作工人,完全可以個人進行高臺操作。但是,LED路燈,內(nèi)部的部件很多,除了光源(芯片),其他各個部分損壞都會導(dǎo)致芯片不亮。所以,在現(xiàn)場,無法立刻斷定LED路燈損壞的原因。如果LED路燈不亮,需要把LED路燈摘下運回工廠進行各項檢測。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行更換,這樣,一個熟練的工人,也完全能獨立進行判斷損壞的原因并進行現(xiàn)場維修。

結(jié)論

建議：統(tǒng)一LED標準,提升品質(zhì)穩(wěn)定性,成立市場競爭協(xié)調(diào)組織,避免惡性競爭,大力宣傳LED的品質(zhì)觀念,避免受不良實例的影響,要讓人們從思想上接受LED其實是可以實現(xiàn)其壽命長的優(yōu)點的,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。