LED路燈發(fā)展之見解
[導(dǎo)讀]摘要：國家科技部正在進(jìn)行“十城萬盞”的試點(diǎn)，可見國家對(duì)于LED路燈的重視。本文從幾個(gè)方面，對(duì)當(dāng)今的LED路燈進(jìn)行剖析，并提出了發(fā)展之見解。
關(guān)鍵詞：LED路燈 散熱 光效 發(fā)展 模塊
On the Development of LED stree
摘要：國家科技部正在進(jìn)行“十城萬盞”的試點(diǎn)，可見國家對(duì)于LED路燈的重視。本文從幾個(gè)方面，對(duì)當(dāng)今的LED路燈進(jìn)行剖析，并提出了發(fā)展之見解。
關(guān)鍵詞：LED路燈 散熱 光效 發(fā)展 模塊
On the Development of LED street lamps
Li Pei(PyroSwift(Beijing)Technology, Ltd)
Abstract
Ministry of Science is going to pilot 10 cities to install 10000 LED street lamps. LED street lamps can be seen the attention for the future. This paper introduces LED street lamps, and propose the development of it.
Key words: LED street lamps ; Spread thermal ; Luminous Efficiency ; Development ; Module
1.引言
各國積極推動(dòng)落實(shí)節(jié)能減排項(xiàng)目，尤其中國的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(duì)城市照明節(jié)能具有十分重要的意義。
2.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(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單顆芯片 LED多顆芯片
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)100 lm/W，而且還有很大的發(fā)展空間，理論值能達(dá)到250 lm/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（參照英國道路照明標(biāo)準(zhǔn)）；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(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：理論壽命能使用5萬小時(shí)以上；
10、LED可以進(jìn)行頻繁的開關(guān)而不用擔(dān)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(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；
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，最近聽到不少專家學(xué)者的意見，認(rèn)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(diǎn)：
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(yán)重，壽命不長
4． LED路燈本身自重過重，不利于安裝，防風(fēng)
5． LED路燈造價(jià)過高，無法普及
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65~75 lm/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125 lm/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3500~4500 K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(dá)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(dá)到75~80。路面明亮，感覺舒適。所以從實(shí)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(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16 Lux（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30~40 Lux，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(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。
回路熱管 均溫板
結(jié)點(diǎn)溫度與壽命曲線圖
D. LED路燈，最終會(huì)選擇模塊化安裝及維修。現(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。
4.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(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)。
參考文獻(xiàn)：
【1】 “大功率路燈現(xiàn)場(chǎng)辯論會(huì)”正反方議題 2009年
【2】 《電光源實(shí)用手冊(cè)》，北京電光源研究所、北京照明學(xué)會(huì)編著 2005年
【3】 http://baike.baidu.com/view/1307522.htm
【4】 《半導(dǎo)體照明技術(shù)》，電子工業(yè)出版社編著 2009年
【5】 《LED制造技術(shù)與應(yīng)用》，電子工業(yè)出版社編著 2007年
LED單顆芯片 LED多顆芯片
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)100 lm/W，而且還有很大的發(fā)展空間，理論值能達(dá)到250 lm/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（參照英國道路照明標(biāo)準(zhǔn)）；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(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：理論壽命能使用5萬小時(shí)以上；
10、LED可以進(jìn)行頻繁的開關(guān)而不用擔(dān)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(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；
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，最近聽到不少專家學(xué)者的意見，認(rèn)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(diǎn)：
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(yán)重，壽命不長
4． LED路燈本身自重過重，不利于安裝，防風(fēng)
5． LED路燈造價(jià)過高，無法普及
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65~75 lm/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125 lm/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3500~4500 K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(dá)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(dá)到75~80。路面明亮，感覺舒適。所以從實(shí)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(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16 Lux（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30~40 Lux，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(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。
回路熱管 均溫板
結(jié)點(diǎn)溫度與壽命曲線圖
D. LED路燈，最終會(huì)選擇模塊化安裝及維修。現(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。
4.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(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)。
參考文獻(xiàn)：
【1】 “大功率路燈現(xiàn)場(chǎng)辯論會(huì)”正反方議題 2009年
【2】 《電光源實(shí)用手冊(cè)》，北京電光源研究所、北京照明學(xué)會(huì)編著 2005年
【3】 http://baike.baidu.com/view/1307522.htm
【4】 《半導(dǎo)體照明技術(shù)》，電子工業(yè)出版社編著 2009年
【5】 《LED制造技術(shù)與應(yīng)用》，電子工業(yè)出版社編著 2007年 
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