中國LED路燈技術發展及問題

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,開發新型高效、節能、壽命長、顯色指數高、環保的路燈對城市照明節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,發光二極管(LightEmittingDiode,簡寫為LED)是基于半導體PN結形成的用微弱的電能就能發光的高效固態光源,在一定的正向偏置電壓和注入電流下,注入P區的空穴和注入N區的電子在擴散至有源區后經輻射復合而發出光子,將電能直接轉化為光能。

LED作為路燈的光源,它和傳統路燈光源比較有許多優點：  

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計,將LED路燈的光照射到所需照明的區域,即路面,進一步提高了光照效率,達到節能目的；

3、LED的光源效率目前已達100lm/W,而且還有很大的發展空間,理論值能達到250lm/W。而高壓鈉燈的發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,高壓鈉燈顯色指數只有23左右,而LED路燈顯色指數可達到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,人眼在高色溫環境里比低色溫環境更容易辨別事物,避免了某些危險狀態的發生；

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計上可以比高壓鈉燈低；

6、LED路燈可以自動調光,能實現在滿足不同時段照明要求,最大可能的降低功率,節省電能；

7、LED是低壓直流器件,驅動單顆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結點溫度降到70°C以下,隨著技術的發展,結點溫度還在進一步下降,結點溫度越低,理論上LED芯片壽命就越長；

13、質量可靠：電路電源全部采用高質量元器件,每顆LED都有單獨過流保護及串并聯保護,就算一顆損壞,也不會導致其他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上還不成熟。主要的理由有以下幾點：

1．LED的發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

我們根據以上的觀點逐一進行分析：

1．發光效率問題

目前來說,LED的發光效率從數字上來看的確不如高壓鈉燈。LED現在的光效一般在65~75lm/w,而且隨著技術的發展,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差,只有23左右,感覺昏暗；而LED的顯色指數高,可以達到75~80。路面明亮,感覺舒適。所以從實際的發光效果來看,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(經過二次光學設計,會有所損失),到達路面時的流明數仍為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就只有7000流明。路面的照度大約為30~40Lux,由于顯色系數的差別,LED的照度修正系數為2.35倍,高壓鈉燈的修正系數為0.94倍。所以135W的LED經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可以節能1.85倍,節能效率約為50%。

2．照射均勻度問題

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

3．LED的光衰問題

現在有的商家,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,而其中發光最有效的元件是芯片,價格最貴的部分也在芯片。現在的芯片的光效在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,光效一旦發展到很高的水平,那么使用芯片的數量會比現在的少,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,是今后節能減排的一個趨勢。LED路燈要發展,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、芯片工藝等基礎層次進一步提升。目前,國內外制作白光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芯片發射出的藍色光射到周圍的熒光粉層內經多次散亂的反射、吸收,最后向外部發出。LED(藍)的光譜線的峰值在465nm處,半值寬為30nm。LED發出的部分藍色光激發黃色的YAG熒光粉層,使其發出黃色光(峰值為555nm),一部分藍色光直接或反射后向外發出,最終達到外部的光為藍黃二色光,即白光。芯片倒裝技術(FlipChip)可以得到比傳統的LED芯片封裝技術更多的有效出光。但是如果不在芯片的發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)與環氧樹脂導光結合面間應加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。經過光學封裝技術的改善,可以大幅度的提高大功率LED器件的出光率(光通量)。

B.LED照明器具進行優化設計,提高LED的使用質量。因此研究大功率LED光源二次光學配光設計,滿足大面積投光和泛光照明配光需求尤為迫切。通過二次光學設計技術,設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,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部發熱消耗掉。LED燈的絕大部分光線都是前射光,可以實現>95%的光效,這是LED區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的優勢大打折扣。大多數大功率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,我們充分發揮芯片整體封裝的特點,采用透鏡加以解決,通過光學設計,根據不同需要,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,透鏡一旦定型,在生產工藝保證的前提下,同種燈具的配光特性也就達到了一致。完全可以通過經過多次試制,不斷地總結經驗,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%的電能轉換成光能,其余的電能幾乎都轉換成熱能,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若其光電轉換效率為20%,則有8W的電能轉換成熱能,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燈具設計中,最主要的設計工作就是散熱設計。由于LED路燈亮度要求高,使用環境比較苛刻,如果散熱解決不好,會迅速導致LED老化,穩定性降低。一盞采用250W高壓鈉燈的路燈,由于技術成熟,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,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復雜、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。現在路面用的最多的高壓鈉燈,內部的鎮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,內部的部件很多,除了光源(芯片),其他各個部分損壞都會導致芯片不亮。所以,在現場,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路燈的發展最終版本,就是發展成為模塊化。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場維修。

結論

建議：統一LED標準,提升品質穩定性,成立市場競爭協調組織,避免惡性競爭,大力宣傳LED的品質觀念,避免受不良實例的影響,要讓人們從思想上接受LED其實是可以實現其壽命長的優點的,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。