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LED路灯大规模商用需解决技术成本标准三大难题

发布时间:2018-08-12 16:14热度()我要投稿
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导读:LED(发光二极光)的应用可以说无处不在。作为一种半导体发光材料,与其他发光材料相比较,LED以其绿色、高效、可靠

  LED(发光二极光)的应用可以说无处不在。作为一种半导体发光材料,与其他发光材料相比较,LED以其绿色、高效、可靠、耐用的优势,使得其他发光材料黯然失色。随着大功率LED成本的不断降低,逐步替代传统灯具成为可能。LED光源在道路照明中的应用已成为近年来半导体照明行业的热点,LED 器件产品应用到路灯上,对技术有什么特殊要求?LED路灯与目前普通路灯相比有哪些优势?还存在哪些不足?如何解决?业界专家从不同侧面给予了阐述。

  制定国家标准是普及推广有力手段

  中国科学院半导体所所长李晋闽

  LED作为路灯主要有以下优点或特点:发光效率高,灯具反射损失低,节省能源70%;配合数字控制亮度功能,更省电;不需高压,安全性高;配合软件可由远程自动遥控亮度;事故、多雾、雨天等特殊情况下提供超高亮度及显色性高的照明光源;安装维护简便;模块安装、无多余配线;不会造成光污染或浪费;长寿命,意味着不需要经常进行更换,从而减少了交通中断的潜在性,降低了为此支付的维修费用。有人计算过,采用LED路灯除了在单灯成本及最初安装的造价比高压钠灯高外,在铺设成本、耗电成本及寿命方面均大大优于高压钠灯。

  LED路灯面临的主要技术问题为:输出功率及光通量、二次光学设计、散热设计和电源系统设计。输出功率及光通量的提高还需要从大功率白光LED的外延技术、芯片工艺等基础层次进一步提升。在二次光学设计方面,LED的辐射形式有朗伯型、侧射型、蝙蝠翼型和聚光型几种。在道路照明领域,根据设计经验朗伯型和蝙蝠翼型比较适用,通过二次光学设计,使得LED的光照范围、光度曲线符合道路照明的需求。散热是LED路灯需要重点解决的问题之一,由于LED路灯亮度要求高、发热量大,并且户外这种使用环境比较苛刻,如果散热不好会直接导致LED快速老化,稳定性降低,除了需要功率型LED本身的散热好外,由于路灯具有户外夜间使用的特点,散热面位于侧上面有利于空气自然对流散热。LED路灯的电源系统也与传统光源不同,LED的低能耗、低工作电压和太阳能电池组件的低输出功率、低输出电压之间的配合非常合适,如何使紧密压缩在一起的一组LED安全、可靠地工作也是考察LED路灯的一个指标。

  综合以上对LED路灯在市场前景及技术问题方面的分析可以看出,影响其应用的因素为:第一,LED路灯造价较高,不利于推广普及。虽然目前初步解决了LED路灯的散热问题,但是过高的价格和过重的灯头仍然会阻碍LED路灯的普及。

  第二,LED路灯模块化的可靠性仍需加强,由于驱动电路等原因也会造成LED路灯的失效。

  第三,无论是单点还是多点光源的LED路灯都存在着散热难的问题。一盏采用250W高压钠灯的路灯,由于技术较成熟,散热控制得很好,即使工作5000小时,光衰仍然较小,发光效率还可以达到70%以上。以目前的技术,相同条件下大功率LED路灯,由于散热问题不易解决,光衰较大,发光效率会下降到 30%。如果想用加大电压电流的方法提高光效,很容易造成LED芯片损毁的现象。

  第四,LED路灯射程短,因此LED路灯还需要进一步加强如何在较高高度下工作的研究。此外,制定国家LED道路照明标准也是普及推广LED路灯非常有力的手段。

  散热和可靠性是影响应用主要因素

  江苏稳润光电有限公司副总经理陈和生

  LED光源有两种做法,一种是使用传统小功率LED作组合,一般多达上百颗甚至数百颗,电源设计复杂。另一种是使用大功率管作光源,价格比较贵。两种方法都不可避免地要将散热设计和工作可靠性作为主要设计考虑因素,国内多应用于政府示范性工程,真正市场化运作的工程很少,国外这方面的应用实例较多,但其最大的缺点依然是可靠性、出光流明数和价格,很多工程由于LED品质低劣,没有很好地表现出寿命长的优点。还有,从成本、市场的角度考虑,LED作为照明光源,其是否与太阳能结合使用,在设计上需要走不同的路线,并不是单独作为一种光源来开发就能完成的。

  LED器件产品应用到路灯上,技术上的特殊要求主要是要结合LED光强和发光角度来设计,另外由于多颗LED组合,出光设计方面要兼顾照射面域,灯具方面需要重点考虑散热的有效性。

  LED路灯与普通路灯的对比优势:节能、环保,易于和低压适配,也可和太阳能系统直接配套,无需额外的逆变、转换过程,能达到最大的能源利用率。

  不足:照明角度偏小、不均匀,颜色显色指数偏低,光学、散热设计复杂。

  技术上的不足:当前技术下的光通量还不够,光效太低,品质难以保证。

  解决措施:LED产品应用于路灯需要专门的设计,也需要专门的标准(用传统光源的测试数据来评价LED光源往往并不客观)。

  LED应用于路灯有先天的优势也有劣势。优势在于:第一,LED作为点光源,如果设计合理,很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题;第二,对光照射面的均匀度可控,理论上可以做到在目标区域内完全均匀,这也能避免传统光源“灯下亮”现象中的光浪费;第三,色温可选,这样在不同场合的应用中,也是提高效率、降低成本的一个重要途径;第四,技术进步空间依然很大。

  劣势(影响路灯推广应用的因素):当前价格还太高,光通量低,当前同等照度设计的LED光源价格大约相当于传统光源的4倍(不过在路灯产品中,光源部分占总成本并不高,所以在工程安装中的成本提高比例也不会太高,应用的空间还是比较大的),在民用中难以承受。当前设计和制造标准比较混乱,损坏比例高,影响了LED的寿命优势。

  建议:统一LED标准,提升品质稳定性,成立市场竞争协调组织,避免恶性竞争,大力宣传LED的品质观念,避免受不良实例的影响,要让人们从思想上接受LED其实是可以实现其寿命长的优点的,提高选择和使用LED的水平。

  对白光大功率LED需求将达到3亿颗

  上海蓝宝光电材料公司总经理梁秉文

  LED器件应用到路灯上,技术上的特殊要求主要体现在以下两个方面:首先,良好的发光效率稳定性,不能衰减太快。其次,光色的一致性和可维持性要好,不能因为较长时间使用白光颜色发生变化。这两点都要求灯具的整体散热要好,光学设计要到位。

  LED路灯与目前普通的高压钠灯路灯相比优势如下:

  第一,节能:目前白光LED的发光效率约为80lm/W,较传统高压钠灯可以节电50%~60%,随着LED效率的快速提升,半导体路灯在节能方面显示出了巨大的潜力。

  第二,低维护成本:以目前的技术水平和测试结果推算,大功率LED光源可以正常使用10年不用更换,而传统高压钠灯平均1年半就要更换一次,使用半导体光源可以大大降低维护成本。

  第三,显色性佳:LED的显色指数高(75~80),人们的反应速度快,路面看起来更明亮,感觉更舒适,驾驶人员也感觉更安全。而高压钠灯光谱窄,显色性差(20~40),感觉昏暗。

  存在的不足主要如下:

  第一,发光效率还不够高:目前虽然试验室水平大功率白光LED的发光效率已经超过了100lm/W,但量产的、性价比高的大功率白光LED发光效率还在60lm/W左右,节能优势还没有充分发挥出来。

  第二,地面对LED光的反射率低:由于目前白光LED 光谱特征,路面及周边物体对其反射率低,所以路面的亮度较低,与钠灯的黄光相比,这是它的一个弱点。

  大功率白光LED光源目前的发光效率还在约70lm/W~80lm/W的阶段,理论其发光效率可以达到300lm/W左右,因此在技术上还有非常大的发展空间。同时半导体光源路灯目前正处于产业发展的开始阶段,在提高散热效率、驱动控制系统优化、配光设计方面还有非常大的提升空间,还有大量的研发工作需要深入开展。

  目前一盏LED路灯平均需要100颗左右的1W白光LED,以全国每年路灯需求300万盏来计算,每年对白光大功率LED的需求将达到3亿颗。

  标准规范欠缺无法全面推广

  中国光学光电子行业协会光电器件分会秘书长彭万华

  由于LED路灯有两个突出优点:节能(据报道可节电能50%以上)、长寿命(可减少维修和延长更换时间),所以目前国内有关LED路灯的开发、应用发展很快。很多大、中城市均有一些道路在试用LED路灯,但均未大批量采用。

  LED路灯目前主要问题是无标准规范,无法全面推广,其中LED用于路灯的几个主要参数如:色温、显色性(显色指数)和眩光等尚未确定。

  另外,LED路灯的价格过高,目前根据不同功率和安装高度,其价位在3000元~5000元/只,大面积推广应用有困难。

  路灯的城市管理体制是多头负责,这给LED路灯推广应用带来很大困难。

  建议相关部门尽早组织制定LED路灯的相关标准和建立相关的检测机构。

  建设部新制定的路灯设计标准“城市道路照明设计标准”(CJJ45-2006)于2007年7月1日开始执行,其中未提到使用LED路灯的问题。在此,相关部门要组织有关人员认真讨论,采用LED路灯是否可符合上述设计标准或需要提出哪些补充修改意见作为正式的标准规范要求。

  另外,尽快制定采用LED路灯的道路路面测试方法标准,制定LED路灯的灯具(含LED灯)标准,提出LED路灯的主要参数包含色温、显色指数、眩光、发光强度(或照度)、角度以及热阻和可靠性等指标要求,制定LED路灯的灯具测试方法标准,建立公正的权威的LED路灯相关检测机构。

  要不断提高LED技术水平,降低LED路灯成本。随着LED技术的不断突破,特别是LED发光效率的不断提高以及LED封装和灯具设计水平的提高,将可减少使用LED的个数和其他元器件数,即可大大降低LED路灯的成本。

  希望城市道路的路灯管理能由一个部门统一管理,这样在推广LED路灯应用时会顺利些。

  初始安装成本高制约推广应用

  华刚光电(上海)有限公司技术部经理邵嘉平

  LED路灯的初始安装成本仍旧是传统高压钠灯、金卤灯的2-3倍,这是因为目前LED的光源成本较高,并且需要较复杂的光学、热学及驱动设计。

  但近一两年来,国内外均已出现大量LED路灯的应用案例,其主要优势在于:寿命长、灯具整体光效高,因而可实现运行状态下的总体节电效果。

  LED光源本身光效提升空间大,半导体技术的特点使其发光光效(相应的外量子效率)有望在现有基础上翻番,目前行业内高功率LED光效的顶级水平在 100lm/W,研发水平已可大于130lm/W,将来有望实现大于200lm/W的水平。LED光源具有绿色环保特性,不含汞等重金属,更方便回收。 LED光源系统易维护,总体运行成本低,产品品质高。以上诸多优点,使得LED路灯的市场前景被广泛看好。

  LED在照明应用中,本质上也属于点光源,因此其光学设计,包括初级透镜或反光装置的设计和二次光学的设计等是一大应用难点。

  此外,LED路灯照明系统的散热方案,如基于金属壳体的整体化设计、风扇及热管等辅助散热装置、有效防尘(尘土将极大妨碍散热)等,这些都是较之传统路灯所需特别注意的地方。

  另外,LED所特需的恒流驱动电源,是保证其正常工作的一大基石,简单开关电源的方案常会带来LED器件的损伤。因此,LED路灯的进一步推广,有赖于光、热、电等方面整体解决方案的日益成熟。

  2010年大规模应用市场将启动

  复旦大学教授方志烈

  目前路灯应用市场已经启动,原因有五,第一,在中间视觉条件下,目前路灯大量采用的钠灯,效率比明视觉条件测量效率要低30%,而LED由于是全光谱效率会提高40%,目前取代钠灯已能节电30%-40%,符合节电、减排国家政策。第二,考虑到寿命较长,可免维护费用。由于驱动电流小、电缆、变压器和工程费用也在减少。第三,白光下视感和分辨能力都有提高。第四,由于耗电少和驱动电压低,可与光伏电池组成太阳能路灯。第五,路灯均为政府部门建设和管理,较易推广。

  目前许多城市乃至小镇,都有路灯示范工程,少则几十盏,多则成千上万盏,国内已有多张2万盏路灯的订单,可以说这是通用照明中冒出的一匹黑马。随着效率的进一步提高和技术的日趋完善,将有很快的发展。考虑到我国约有2亿盏路灯这一广阔市场,理应特别重视,加上已有部分企业产品出口,市场前景更为看好,2010年大规模应用市场将启动。

  目前产品属初始阶段,良莠不齐,主要问题是散热问题解决不好,不仅发光效率下降,而且光衰问题较严重,甚至失效。有关部门要抓紧标准制定,出厂前要进行光衰试验,减小灯具热阻,充分散热,真正做到高效、长寿命,以利市场的培育和健康发展。

  LED替换高压钠灯节能40%

  科锐公司市场副总裁Chris James

  LED的性能现在已超过普遍采用的荧光灯,可以预见,LED照明技术将进入多种环境中。除了节能之外,LED灯的使用寿命比传统灯泡要长得多,并且不采用普通灯泡中常见的汞、水银、铅等有害物质,LED灯要更环保。

  LED城市照明行动(LED City社区)于2007年2月启动,在北卡罗来纳州罗利推行停车库照明试行项目,得到Cree(科锐)、Lighting Science Group、AmTech Lighting Services和Progress Energy的支持。该社区的目标是促使各个城市在部署节能照明时加强合作和提高效率,以便尽快达到节约成本与环保的目的。该试行项目是用LED灯具替换高压钠灯具,据Progress Energy评估,节能效果达到40%。

  LED城市照明行动旨在满足当地需求。从美国的得克萨斯到加拿大的多伦多,LED照明已经成功部署在整个北美地区,每个示范区都为当地带来巨大的能源节约,并满足其经济需求。例如,密歇根大学所在的密歇根州阿恩阿波尔市有12.5万人,最近该市安装1000多个LED路灯。这在中国看似不起眼的一个数目,但对像阿恩阿波尔市这样规模的美国城市来说却具有重大意义。每个耗电56瓦的LED灯可以连续使用10年,来代替耗电120瓦且使用寿命只有两年的灯泡,这使阿恩阿波尔市的公共照明能耗减半,每年的温室效应气体排放减少2425吨,这相当于400辆汽车上路一年排放的尾气数量。

  科锐公司在天津经济技术开发区等LED City合作伙伴的帮助下,作为新一代照明的倡导者共同推动这一转型。应用节能环保的LED技术将帮助解决世界能源短缺的难题,是我们迄今能够采取的最有效的节能举措之一。

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