淺析LED路燈的發(fā)展和應(yīng)用

淺析LED路燈的發(fā)展和應(yīng)用

　　摘 要：本文簡(jiǎn)要分析了城市道路照明大功率LED路燈在發(fā)展和應(yīng)用中“產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和通用性、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定、光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱等主要技術(shù)及價(jià)格”等問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：道路照明;LED路燈;發(fā)展;應(yīng)用;存在問(wèn)題

　　1.前言

　　長(zhǎng)久以來(lái)，傳統(tǒng)光源高壓鈉燈及部分金屬鹵化物燈一直在道路照明中起著主導(dǎo)作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)LED照明應(yīng)用發(fā)展迅速，很多廠家相繼推出了大功率LED路燈，并作為節(jié)能產(chǎn)品越來(lái)越多的應(yīng)用于道路照明中。本文就道路照明LED路燈在發(fā)展應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題做粗線探討。

　　LED作為一種半導(dǎo)體發(fā)光材料，與其它發(fā)光材料相比較，以其綠色、高效、可靠、耐用的優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，LED 的應(yīng)用可以說(shuō)無(wú)處不在。特別是白光的取得，效率、壽命、穩(wěn)定性等性能的提升和成本的不斷降低，更拓展了LED光源的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)，LED在景觀照明領(lǐng)域取得了一定的成功，LED路燈的開(kāi)發(fā)研制，又開(kāi)辟了更廣闊的天地。與傳統(tǒng)光源相比，LED在顯色性、節(jié)能環(huán)保、壽命以及數(shù)字化可控程度上都有著突出的優(yōu)勢(shì)。我們相信，在逐步解決了散熱、光衰等一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，并實(shí)現(xiàn)造價(jià)大幅度降低后，LED光源在道路照明領(lǐng)域同樣有著良好的發(fā)展前景。目前國(guó)內(nèi)外已有數(shù)百家企業(yè)投入到LED路燈的開(kāi)發(fā)研制中，其中部分產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。最近中國(guó)科技部組織實(shí)施了“十城萬(wàn)盞”計(jì)劃，得到了全國(guó)各地的積極響應(yīng)，創(chuàng)造出龐大的 LED 路燈市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外一些應(yīng)用試點(diǎn)示范也在如火如荼的展開(kāi)。

　　2.為大功率LED路燈提供展示平臺(tái)

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)LED照明應(yīng)用發(fā)展迅速，很多廠家相繼推出了大功率LED路燈，并作為節(jié)能產(chǎn)品越來(lái)越多的應(yīng)用于道路照明中。天津市為了落實(shí)國(guó)務(wù)院節(jié)能減排的決定及建設(shè)部綠色照明計(jì)劃，確保天津市道路照明標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的要求，針對(duì)LED道路照明產(chǎn)品質(zhì)量與現(xiàn)狀，利用一年左右的時(shí)間，開(kāi)展對(duì)生產(chǎn)企業(yè)所制造的LED道路照明產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試與評(píng)估工作，為今后天津市道路照明建設(shè)提供合格的設(shè)施制造供應(yīng)商，以保證天津市道路照明設(shè)施高水平建設(shè)、高效能運(yùn)行。為體現(xiàn)測(cè)試與評(píng)估的嚴(yán)肅性，透明性，由天津市照明協(xié)會(huì)統(tǒng)一組織，與天津市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)技術(shù)研究院、天津市路燈管理部門(mén)具體實(shí)施，組成專家委員會(huì)全程參與。

　　根據(jù)《天津市中心城區(qū)城市照明規(guī)劃》(2008――2020年)和《天津市中心城區(qū)城市照明規(guī)劃――道路照明專題》，參評(píng)設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)要根據(jù)道路情況提供10套同款式燈具進(jìn)行測(cè)試;測(cè)試評(píng)估的照明光源功率為150W左右;依照《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，色溫為4500K左右。設(shè)施的安裝高度、間距，依據(jù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)條件執(zhí)行，保持公正、合理并條件相同。鑒于道路照明安全的要求，設(shè)施在初始安裝時(shí)，由路燈行管理部門(mén)統(tǒng)一實(shí)施。

　　在測(cè)試評(píng)估的一年期中，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行12次路面平均照度Eav和均勻度UE 測(cè)試等數(shù)據(jù)測(cè)試，同時(shí)還要進(jìn)行燈具輸入功率測(cè)試，燈具功率因數(shù)測(cè)試，光效測(cè)試，燈具配光曲線測(cè)試，色溫、色坐標(biāo)、色度容差、顯色指數(shù)等顏色特性測(cè)試，低壓線路諧波含量，接地措施和介電強(qiáng)度及燈具IP等級(jí)的測(cè)試。還要對(duì)光衰及視覺(jué)效果做出評(píng)價(jià)。

　　實(shí)施此項(xiàng)半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范工程，也是推進(jìn)中國(guó)科技部“十城萬(wàn)盞”計(jì)劃的重大舉措。為今后城市規(guī)劃建設(shè)的重大標(biāo)志性工程項(xiàng)目，積極引導(dǎo)推廣應(yīng)用半導(dǎo)體照明產(chǎn)品，通過(guò)示范工程營(yíng)造市場(chǎng)環(huán)境，帶動(dòng)市場(chǎng)需求，在集成天津市現(xiàn)有LED資源的基礎(chǔ)上，引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品，同時(shí)協(xié)調(diào)鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)外企業(yè)積極參與天津半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范工程的建設(shè)，建設(shè)具有國(guó)際先進(jìn)水平的半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范工程，共同推動(dòng)天津LED應(yīng)用產(chǎn)品技術(shù)集成和創(chuàng)新。對(duì)建立室外照明應(yīng)用展示交流中心，并建設(shè)成為L(zhǎng)ED產(chǎn)品和技術(shù)交流的全國(guó)平臺(tái)，有著積極地推動(dòng)作用。

? 　3.安裝與測(cè)試進(jìn)展概況

　　截至目前，參加測(cè)試評(píng)估的參加LDE道路照明設(shè)備性能測(cè)試與評(píng)估的天津施萊德照明器材有限公司、天津市卓輝照明設(shè)備制造有限公司、常州亞聯(lián)燈具有限公司、中數(shù)程通(天津)科技有限公司、東莞市品元光電科技有限公司、天津市華彩電子科技工程有限公司、浙江生輝照明電器有限公司、天津中環(huán)華祥電子有限公司、江蘇宇泰光電科技有限公司、寧波燎原燈具股份有限公司、天津海宇照明照明技術(shù)有限公司、嘉善華江電子科技有限公司、山西光宇半導(dǎo)體照明有限公司、杭州紅劍立明科技有限公司、桐鄉(xiāng)市生輝照明電器有限公司、西安立明電子科技有限公司、寧波安迪光電科技有限公司、深圳聯(lián)創(chuàng)健和光電股份有限公司等40余個(gè)單位，提供室外安裝LED的燈具320臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試路燈40臺(tái)。參照《室外照明測(cè)量方法》GB/T15240-94，結(jié)合路面原燈桿安裝及路況環(huán)境狀況，選取各單位左右對(duì)側(cè)相鄰燈桿4盞燈具之間為測(cè)試區(qū)域，劃分為等距網(wǎng)格，9點(diǎn)布點(diǎn)方法，測(cè)點(diǎn)高度為路面。ST-80自動(dòng)量程照度計(jì)(2009年3月天津市計(jì)量院檢測(cè)計(jì)量)月測(cè)后，出具測(cè)試點(diǎn)位數(shù)據(jù)通報(bào)。年測(cè)后出具完整測(cè)試數(shù)據(jù)及分析，并提供評(píng)估意見(jiàn)。

　　4. LED路燈在應(yīng)用中的問(wèn)題

　　在全球能源危機(jī)與環(huán)保壓力日益凸顯的形勢(shì)下，LED光源在道路照明中的應(yīng)用已成為近年來(lái)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(duì)技術(shù)有什么特殊要求，LED路燈與目前高壓鈉傳統(tǒng)路燈相比有哪些優(yōu)勢(shì)，還存在哪些不足，如何解決等一系列問(wèn)題，都值得我們認(rèn)真研究。

　　4.1 產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和通用性是大規(guī)模使用的基礎(chǔ)

　　目前推出的LED路燈，產(chǎn)品外觀、LED的發(fā)光顆粒的排布方式與數(shù)量、整流電路的外型尺寸和內(nèi)部設(shè)計(jì)多種多樣。如：?jiǎn)喂芄β蕯?shù)量各異，1~5瓦不等;光分布情況各異，有蝠形、矩形、蝶翼型等;光學(xué)處理方式有自帶透鏡免二次光學(xué)處理和進(jìn)行二次光學(xué)處理的;驅(qū)動(dòng)器情況有專用驅(qū)動(dòng)芯片IC和無(wú)電解電容;封裝情況有多芯片封裝和單科芯片封裝;技術(shù)線路情況有模、組式大功率、芯片集成式大功率、點(diǎn)陣式大功率等。電源裝配也有自帶一體化和外接電源兩種，散熱技術(shù)也各有千秋，這都給普及使用后的運(yùn)行及維護(hù)工作帶來(lái)極大不便，也不符合市政公用設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化，通用化的設(shè)計(jì)原則。

　　我們認(rèn)為，在今后的發(fā)展過(guò)程中，生產(chǎn)廠家應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確保產(chǎn)品在設(shè)備安全性和電氣性能方面安全可靠。同時(shí)，在城市照明領(lǐng)域得到應(yīng)用的LED產(chǎn)品，必須對(duì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)型、統(tǒng)一性提供以下保證。

　　如：對(duì)于同一個(gè)企業(yè)不同發(fā)展階段的產(chǎn)品之間，要保證主要電氣元件的標(biāo)準(zhǔn)性，統(tǒng)一性，避免因產(chǎn)品更新?lián)Q代造成備品備件斷代;對(duì)于不同企業(yè)的產(chǎn)品之間，燈具主體，發(fā)光顆粒板、整流電路等主要電氣元件要依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)必要的標(biāo)準(zhǔn)性、統(tǒng)一性。

　　4.2相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是LED路燈市場(chǎng)健康發(fā)展的保障

　　LED的光電及熱學(xué)特性與傳統(tǒng)光源差異甚大，使現(xiàn)有LED的測(cè)量無(wú)法完全套用傳統(tǒng)照明光源的測(cè)量方法。目前LED無(wú)論在產(chǎn)品規(guī)格或測(cè)量上均缺乏適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品種類繁多，測(cè)量無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)不規(guī)范，而產(chǎn)品的多樣性也導(dǎo)致企業(yè)不可能集中大規(guī)模生產(chǎn)。制定相關(guān)的LED標(biāo)準(zhǔn)已成為產(chǎn)業(yè)的迫切需求。而目前由全國(guó)照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)“提出的普通照明用LED國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”等在送審階段，預(yù)計(jì)將會(huì)陸續(xù)頒布實(shí)施。相關(guān)企業(yè)應(yīng)進(jìn)行新的市場(chǎng)定位和產(chǎn)品規(guī)劃，抓住新機(jī)遇，投入必要的質(zhì)量保障手段 。

　　4.3光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱是LED路燈面臨的主要技術(shù)問(wèn)題

　　雖然大功率LED路燈研制發(fā)展的速度很快，但在應(yīng)用中還不同程度的存在著瓦流明低、二次光效處理水平較低、系統(tǒng)光效較低、光衰快、壽命短、色溫偏差、光色不一、驅(qū)動(dòng)器多故障等一系列問(wèn)題。其中二次光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和電源穩(wěn)壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)等主要技術(shù)問(wèn)題，是提高發(fā)光效率和延長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵。

　　要真正充分發(fā)揮半導(dǎo)體光源的長(zhǎng)處，LED的二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)LED路燈的配光及光學(xué)輸出效率至關(guān)重要。良好的道路照明要求LED路燈的配光為長(zhǎng)方形的光型，路燈發(fā)出的所有光剛剛可以覆蓋住馬路，而馬路之外的光污染幾乎為零。香港理工大學(xué)的蔣金波博士介紹過(guò)兩種LED路燈的配光設(shè)計(jì)：第一種LED路燈采用軸對(duì)稱的全反射透鏡或反光杯，LED透鏡模組排列于一個(gè)弧面上以產(chǎn)生長(zhǎng)方形的配光。全反射透鏡的引入可以極大地提高光的利用效率，但是弧形的LED模組的排列使高功率LED的散熱設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)比較麻煩。第二種LED路燈則采取非對(duì)稱的自由曲面透鏡，可以將長(zhǎng)方形的配光直接由單個(gè)LED光學(xué)元件完成。整體燈頭只需將具有長(zhǎng)方形配光的LED模組簡(jiǎn)單的排列在一個(gè)平板上即可，這種LED路燈在機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱及電源控制方面比較簡(jiǎn)單，不同等級(jí)公路和不同燈桿高度的道路照明只需要增加不同數(shù)量的LED模組即可。非對(duì)稱自由曲面二次光學(xué)元件的采用可以使LED路燈的長(zhǎng)方形配光直接在單個(gè)LED模組上實(shí)現(xiàn)。整體路燈只需要將這些LED模組陣列按照相同方向排列即可，從而可以簡(jiǎn)化路燈機(jī)構(gòu)、散熱及控制電源的設(shè)計(jì)。

　　應(yīng)開(kāi)發(fā)出適合封裝方式光源的配光器，更加合理、充分的利用光源發(fā)出的光線，使得燈具的整燈出光效率提升。目前LED的輻射形式有朗伯型、側(cè)射型、蝙蝠翼型、矩形、蝶翼和聚光型幾種。 通過(guò)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。

　　LED 是嵌入照明器具中使用的，由于LED 芯片的發(fā)熱量大，在做成大功率燈具時(shí)的重要關(guān)鍵技術(shù)就是“散熱”。雖說(shuō)發(fā)光效率越來(lái)越高，但LED 芯片的發(fā)熱量仍然很大。PN結(jié)結(jié)溫每升高10度，半導(dǎo)體器件的壽命就減少1倍。LED 芯片的高溫度導(dǎo)致芯片本身及封裝樹(shù)脂性能的惡化，從而最終引起發(fā)光效率的降低和壽命的縮短。目前各生產(chǎn)單位都采取了不同的散熱措施，多為采用整體式的、系統(tǒng)性的散熱設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用高性能導(dǎo)熱材料。如鋁壓鑄模、鋁擠型齒狀散熱片、整體式齒狀散熱片、鋁擠型材橫列齒形散熱器、熱導(dǎo)管長(zhǎng)鰭形、外部齒狀結(jié)構(gòu)片、自然對(duì)流通體散熱等。還有采用超合金導(dǎo)熱管(導(dǎo)熱速度為純銅的100倍)與高密度散熱鋁鰭片結(jié)合。將芯片產(chǎn)生的熱量迅速的由點(diǎn)源轉(zhuǎn)為線源，使熱量均勻分布至散熱片。散熱片向下，避免灰塵鳥(niǎo)糞堆積。芯片的封裝、燈具散熱等因素都可能造成光衰減。

　　4.4 價(jià)格仍然是LED路燈大規(guī)模應(yīng)用的最大障礙

　　目前LED路燈的成本還遠(yuǎn)于高壓鈉燈，一款LED路燈價(jià)格在4000元--8000元，甚至更高，而一套進(jìn)口品牌的高壓鈉燈(含燈具、成套電器光源)價(jià)格不超過(guò)1500元。就現(xiàn)狀而言，LED路燈明顯太貴，價(jià)高達(dá)3-5倍之多。因此即使LED路燈的耗電量?jī)H是高壓鈉燈的三分之一，但由于價(jià)格比高壓鈉燈高許多，用LED路燈代替高壓鈉燈成本回收周期仍然會(huì)很長(zhǎng)。

　　表 功率型LED與傳統(tǒng)道路照明光源的比較

　　所以，LED路燈要在道路照明市場(chǎng)正式推廣，價(jià)格及成本仍然是最大障礙。要使LED路燈下滑到與現(xiàn)有燈具的競(jìng)爭(zhēng)價(jià)格，需要各廠商的成本下降。而近期只能是在LED技術(shù)不斷成熟，發(fā)光效率不斷提高的前提下，通過(guò)LED的壽命優(yōu)勢(shì)、節(jié)能優(yōu)勢(shì)來(lái)彌補(bǔ)燈具價(jià)格上的劣勢(shì)。

　　5.結(jié)語(yǔ)

　　LED路燈和傳統(tǒng)路燈光源比較有許多優(yōu)點(diǎn)，但目前還有一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題急需解決，開(kāi)發(fā)、研制和推廣還要作很多工作。我們希望LED 路燈不斷進(jìn)步，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，以優(yōu)異的表現(xiàn)更廣泛應(yīng)用于城市照明的建設(shè)中。