國內(nèi)LED路燈技術(shù)現(xiàn)狀與問題分析

    各國積極推動落實(shí)節(jié)能減排項目，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)保的路燈對城市照明節(jié)能具有十分重要的意義。

    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，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)100lm/W，而且還有很大的發(fā)展空間，理論值能達(dá)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(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)計上可以比高壓鈉燈低;

    6、LED路燈可以自動調(diào)光，能實(shí)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(diǎn)使LED特別適合與太陽能、風(fēng)電進(jìn)行結(jié)合;

    8、每個單元LED芯片只有很小體積，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(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(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65~75lm/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(dá)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(dá)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(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，會有所損失)，到達(dá)路面時的流明數(shù)仍為6500流明，而路面的平均照度可以達(dá)到16Lux(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30~40Lux，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(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，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，使其光強(qiáng)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(yán)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(jìn)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(jìn)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(diǎn):

    個人認(rèn)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(rèn)為在以下幾個方面需要注意：

    1.提高光通

    2.弄好二次光學(xué)

    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(jìn)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(jìn)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(hù)芯片的作用又起到聚光鏡的作用。從LED芯片發(fā)射出的藍(lán)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(lán))的光譜線的峰值在465nm處，半值寬為30nm。LED發(fā)出的部分藍(lán)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(lán)色光直接或反射后向外發(fā)出，最終達(dá)到外部的光為藍(lán)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(fèi)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(lán)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(xué)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(jìn)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(xué)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(xué)設(shè)計技術(shù)，設(shè)計外加的反射杯與多重光學(xué)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(dá)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(shí)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(diǎn)，采用透鏡加以解決，通過光學(xué)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(dá)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(dá)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(dá)到道路照明標(biāo)準(zhǔn)要求的蝙蝠翼光型。目前隧道燈、路燈和一般照明燈已達(dá)到各自應(yīng)用場所的照明要求。

    C.散熱是LED路燈需要重點(diǎn)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(dāng)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(fēng)扇強(qiáng)制散熱、熱管、回路熱管散熱和均溫板散熱等。加裝風(fēng)扇強(qiáng)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(jìn)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(yùn)回工廠進(jìn)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(jìn)行更換，這樣，一個熟練的工人，也完全能獨(dú)立進(jìn)行判斷損壞的原因并進(jìn)行現(xiàn)場維修。

    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。