- LED路燈的難題分析
- 使用傳統(tǒng)小功率LED作組合或大功率管作光源,
- 解決輸出功率及光通量、二次光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
LED(發(fā)光二極光)的應(yīng)用可以說無處不在。作為一種半導(dǎo)體發(fā)光材料,與其他發(fā)光材料相比較,LED以其綠色、高效、可靠、耐用的優(yōu)勢,使得其他發(fā)光材料黯然失色。隨著大功率LED成本的不斷降低,逐步替代傳統(tǒng)燈具成為可能。LED光源在道路照明中的應(yīng)用已成為近年來半導(dǎo)體照明行業(yè)的熱點(diǎn),LED器件產(chǎn)品應(yīng)用到路燈上,對技術(shù)有什么特殊要求?LED路燈與目前普通路燈相比有哪些優(yōu)勢?還存在哪些不足?如何解決?業(yè)界專家從不同側(cè)面給予了闡述。
制定國家標(biāo)準(zhǔn)是普及推廣有力手段
LED作為路燈主要有以下優(yōu)點(diǎn)或特點(diǎn):發(fā)光效率高,燈具反射損失低,節(jié)省能源70%;配合數(shù)字控制亮度功能,更省電;不需高壓,安全性高;配合軟件可由遠(yuǎn)程自動遙控亮度;事故、多霧、雨天等特殊情況下提供超高亮度及顯色性高的照明光源;安裝維護(hù)簡便;模塊安裝、無多余配線;不會造成光污染或浪費(fèi);長壽命,意味著不需要經(jīng)常進(jìn)行更換,從而減少了交通中斷的潛在性,降低了為此支付的維修費(fèi)用。有人計(jì)算過,采用LED路燈除了在單燈成本及最初安裝的造價比高壓鈉燈高外,在鋪設(shè)成本、耗電成本及壽命方面均大大優(yōu)于高壓鈉燈。
LED路燈面臨的主要技術(shù)問題為:輸出功率及光通量、二次光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。輸出功率及光通量的提高還需要從大功率白光LED的外延技術(shù)、芯片工藝等基礎(chǔ)層次進(jìn)一步提升。在二次光學(xué)設(shè)計(jì)方面,LED的輻射形式有朗伯型、側(cè)射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領(lǐng)域,根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)朗伯型和蝙蝠翼型比較適用,通過二次光學(xué)設(shè)計(jì),使得LED的光照范圍、光度曲線符合道路照明的需求。散熱是LED路燈需要重點(diǎn)解決的問題之一,由于LED路燈亮度要求高、發(fā)熱量大,并且戶外這種使用環(huán)境比較苛刻,如果散熱不好會直接導(dǎo)致LED快速老化,穩(wěn)定性降低,除了需要功率型LED本身的散熱好外,由于路燈具有戶外夜間使用的特點(diǎn),散熱面位于側(cè)上面有利于空氣自然對流散熱。LED路燈的電源系統(tǒng)也與傳統(tǒng)光源不同,LED的低能耗、低工作電壓和太陽能電池組件的低輸出功率、低輸出電壓之間的配合非常合適,如何使緊密壓縮在一起的一組LED安全、可靠地工作也是考察LED路燈的一個指標(biāo)。
綜合以上對LED路燈在市場前景及技術(shù)問題方面的分析可以看出,影響其應(yīng)用的因素為:
第一,LED路燈造價較高,不利于推廣普及。雖然目前初步解決了LED路燈的散熱問題,但是過高的價格和過重的燈頭仍然會阻礙LED路燈的普及。
第二,LED路燈模塊化的可靠性仍需加強(qiáng),由于驅(qū)動電路等原因也會造成LED路燈的失效。
第三,無論是單點(diǎn)還是多點(diǎn)光源的LED路燈都存在著散熱難的問題。一盞采用250W高壓鈉燈的路燈,由于技術(shù)較成熟,散熱控制得很好,即使工作5000小時,光衰仍然較小,發(fā)光效率還可以達(dá)到70%以上。以目前的技術(shù),相同條件下大功率LED路燈,由于散熱問題不易解決,光衰較大,發(fā)光效率會下降到30%。如果想用加大電壓電流的方法提高光效,很容易造成LED芯片損毀的現(xiàn)象。
第四,LED路燈射程短,因此LED路燈還需要進(jìn)一步加強(qiáng)如何在較高高度下工作的研究。此外,制定國家LED道路照明標(biāo)準(zhǔn)也是普及推廣LED路燈非常有力的手段。
散熱和可靠性是影響應(yīng)用主要因素
LED光源有兩種做法,一種是使用傳統(tǒng)小功率LED作組合,一般多達(dá)上百顆甚至數(shù)百顆,電源設(shè)計(jì)復(fù)雜。另一種是使用大功率管作光源,價格比較貴。兩種方法都不可避免地要將散熱設(shè)計(jì)和工作可靠性作為主要設(shè)計(jì)考慮因素,國內(nèi)多應(yīng)用于政府示范性工程,真正市場化運(yùn)作的工程很少,國外這方面的應(yīng)用實(shí)例較多,但其最大的缺點(diǎn)依然是可靠性、出光流明數(shù)和價格,很多工程由于LED品質(zhì)低劣,沒有很好地表現(xiàn)出壽命長的優(yōu)點(diǎn)。還有,從成本、市場的角度考慮,LED作為照明光源,其是否與太陽能結(jié)合使用,在設(shè)計(jì)上需要走不同的路線,并不是單獨(dú)作為一種光源來開發(fā)就能完成的。
LED器件產(chǎn)品應(yīng)用到路燈上,技術(shù)上的特殊要求主要是要結(jié)合LED光強(qiáng)和發(fā)光角度來設(shè)計(jì),另外由于多顆LED組合,出光設(shè)計(jì)方面要兼顧照射面域,燈具方面需要重點(diǎn)考慮散熱的有效性。
LED路燈與普通路燈的對比優(yōu)勢:節(jié)能、環(huán)保,易于和低壓適配,也可和太陽能系統(tǒng)直接配套,無需額外的逆變、轉(zhuǎn)換過程,能達(dá)到最大的能源利用率。
不足:照明角度偏小、不均勻,顏色顯色指數(shù)偏低,光學(xué)、散熱設(shè)計(jì)復(fù)雜。
技術(shù)上的不足:當(dāng)前技術(shù)下的光通量還不夠,光效太低,品質(zhì)難以保證。
解決措施:LED產(chǎn)品應(yīng)用于路燈需要專門的設(shè)計(jì),也需要專門的標(biāo)準(zhǔn)(用傳統(tǒng)光源的測試數(shù)據(jù)來評價LED光源往往并不客觀)。
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LED路燈設(shè)計(jì)難題分析
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LED路燈五大設(shè)計(jì)難題重點(diǎn)分析
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LED應(yīng)用于路燈有先天的優(yōu)勢也有劣勢。優(yōu)勢在于:第一,LED作為點(diǎn)光源,如果設(shè)計(jì)合理,很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須依靠光發(fā)射來解決的二次取光及光損耗問題;第二,對光照射面的均勻度可控,理論上可以做到在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)完全均勻,這也能避免傳統(tǒng)光源“燈下亮”現(xiàn)象中的光浪費(fèi);第三,色溫可選,這樣在不同場合的應(yīng)用中,也是提高效率、降低成本的一個重要途徑;第四,技術(shù)進(jìn)步空間依然很大。
劣勢(影響路燈推廣應(yīng)用的因素):當(dāng)前價格還太高,光通量低,當(dāng)前同等照度設(shè)計(jì)的LED光源價格大約相當(dāng)于傳統(tǒng)光源的4倍(不過在路燈產(chǎn)品中,光源部分占總成本并不高,所以在工程安裝中的成本提高比例也不會太高,應(yīng)用的空間還是比較大的),在民用中難以承受。當(dāng)前設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)比較混亂,損壞比例高,影響了LED的壽命優(yōu)勢。
建議:統(tǒng)一LED標(biāo)準(zhǔn),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(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。
對白光大功率LED需求將達(dá)到3億顆
LED器件應(yīng)用到路燈上,技術(shù)上的特殊要求主要體現(xiàn)在以下兩個方面:首先,良好的發(fā)光效率穩(wěn)定性,不能衰減太快。其次,光色的一致性和可維持性要好,不能因?yàn)檩^長時間使用白光顏色發(fā)生變化。這兩點(diǎn)都要求燈具的整體散熱要好,光學(xué)設(shè)計(jì)要到位。
LED路燈與目前普通的高壓鈉燈路燈相比優(yōu)勢如下:
第一,節(jié)能:目前白光LED的發(fā)光效率約為80lm/W,較傳統(tǒng)高壓鈉燈可以節(jié)電50%~60%,隨著LED效率的快速提升,半導(dǎo)體路燈在節(jié)能方面顯示出了巨大的潛力。
第二,低維護(hù)成本:以目前的技術(shù)水平和測試結(jié)果推算,大功率LED光源可以正常使用10年不用更換,而傳統(tǒng)高壓鈉燈平均1年半就要更換一次,使用半導(dǎo)體光源可以大大降低維護(hù)成本。
第三,顯色性佳:LED的顯色指數(shù)高(75~80),人們的反應(yīng)速度快,路面看起來更明亮,感覺更舒適,駕駛?cè)藛T也感覺更安全。而高壓鈉燈光譜窄,顯色性差(20~40),感覺昏暗。
存在的不足主要如下:
第一,發(fā)光效率還不夠高:目前雖然試驗(yàn)室水平大功率白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過了100lm/W,但量產(chǎn)的、性價比高的大功率白光LED發(fā)光效率還在60lm/W左右,節(jié)能優(yōu)勢還沒有充分發(fā)揮出來。
第二,地面對LED光的反射率低:由于目前白光LED光譜特征,路面及周邊物體對其反射率低,所以路面的亮度較低,與鈉燈的黃光相比,這是它的一個弱點(diǎn)。
大功率白光LED光源目前的發(fā)光效率還在約70lm/W~80lm/W的階段,理論其發(fā)光效率可以達(dá)到300lm/W左右,因此在技術(shù)上還有非常大的發(fā)展空間。同時半導(dǎo)體光源路燈目前正處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的開始階段,在提高散熱效率、驅(qū)動控制系統(tǒng)優(yōu)化、配光設(shè)計(jì)方面還有非常大的提升空間,還有大量的研發(fā)工作需要深入開展。
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