大功率白光LED道路照明探討(深圳)

1、大功率白光LED道路照明探討楊正名、張玉生、何文馨、高光義廣東雪萊特光電科技股份有限公司 白光LED的是一種新型光源； 日本政府首先資助(上世紀(jì)90年代)； 美國(guó)政府資助； 中國(guó)政府資助； 歐洲政府資助； 中國(guó)目標(biāo)2010年光效達(dá)到100 lm/W，大量取代節(jié)能燈。優(yōu)點(diǎn)： 高光效：估計(jì)可達(dá)160 lm/W以上(實(shí)驗(yàn)室報(bào)導(dǎo)未經(jīng)證實(shí))； 無(wú)污染； 長(zhǎng)壽命：5萬(wàn)小時(shí)或稱(chēng)10萬(wàn)小時(shí)(早期理想的理論估算，未經(jīng)證實(shí))； 顯色性好：7080 政府支持，經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚，發(fā)展迅速。 白光及彩色LED在顯示照明中表現(xiàn)突出，無(wú)與論比。分歧很大 在顯示照明方面LED發(fā)展迅速，取得很大成績(jī)，顯示了無(wú)比優(yōu)越性，無(wú)爭(zhēng)議。 在

2、裝飾照明方面有重要作用，勾劃輪廓效果很好，亦無(wú)分歧。 在功能照明方面意見(jiàn)分歧、評(píng)價(jià)不一。LED的發(fā)光過(guò)程載流子復(fù)合發(fā)光導(dǎo)電膜(電極)n型阻擋層p型e e e eVo導(dǎo)(空)帶禁帶滿(mǎn)帶 空穴(受主能級(jí))導(dǎo)帶禁帶費(fèi)米能級(jí)施主能級(jí)e滿(mǎn)帶導(dǎo)電膜(電極)發(fā)光層eehv 在外加電場(chǎng)作用下載流子 e 克服阻擋層電位差Vo，進(jìn)入空穴層（p層）； 截流子e 為空穴俘獲后釋出勢(shì)能eVo并轉(zhuǎn)化為光子hv，其波長(zhǎng)=1234/Vo nm； 雖然截流子復(fù)合時(shí)量子轉(zhuǎn)換效率很高，但是電子運(yùn)動(dòng)時(shí)克服內(nèi)外電阻的能耗以及復(fù)合時(shí)攜帶的動(dòng)能不可能轉(zhuǎn)化為光能。計(jì)入各種能耗后LED的內(nèi)量子效率不超過(guò)90%。內(nèi)量子效率 常規(guī)光源的輻射是各向

3、均勻的，基本都能輻射出去，提取率高； LED輻射只能單向（外向）輸出，向內(nèi)輻射的光子多被吸收； 輻射方向偏離出射窗垂直方向的光子將部分反射并被吸收。 LED分子密度大，光子逸出途程中被吸收的幾率高。 LED的外量子效率即量子提取率較常規(guī)光源低得多，最多為60%。 LED的很大一部分輸入能量消耗在芯片中轉(zhuǎn)化為熱能。量子提取率提高LED量子提取率的措施 超?。嚎偤穸葞资{米，減少光子在介質(zhì)中被吸收的幾率； 在基底表面鍍高反膜，提高量子反射率相當(dāng)于燈具； 輸出窗的內(nèi)界面粗毛，減少光子反射； 采用藍(lán)寶石或多晶氧化鋁陶瓷薄片基底以提高導(dǎo)熱率，降低結(jié)溫度。n型GaNp-n結(jié)高反膜焊料載體(基底)p型GaN

4、輸出窗LED總量子效率的估算 內(nèi)量子效率90%，量子提取率60% 單色LED的理論量子效率為0.90.6=0.54 即LED最高可有54%的能量轉(zhuǎn)化為光能 其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前實(shí)際光源的電光轉(zhuǎn)換效率。白光LED的量子效率估算 藍(lán)光LED黃色熒光粉構(gòu)成白光LED； 過(guò)程中部分光子能量下轉(zhuǎn)移，470nm560nm 若20%藍(lán)光光子保持波長(zhǎng)不變。 80%藍(lán)光光子下轉(zhuǎn)移，平均能量損失8.75%。 總量子效率降低約7%。 熒光粉對(duì)光子的吸收率超過(guò)20%； 經(jīng)黃色熒光粉涂層后光能降低27%以上； 白光LED的理論估算能效不超過(guò)40%。白光LED的光輸出估算 光功當(dāng)量= 683 lm/W； 1W功率全部轉(zhuǎn)化為

5、555nm的黃光的流明數(shù)； 1W功率轉(zhuǎn)化為在380780nm之間均勻分布的光能時(shí)的光通量為260lm/W白光； 1W功率能譜按視見(jiàn)函數(shù)曲線分布時(shí)的光通量為360lm/W。 1W“白光”LED的輻射光通量不可能超過(guò)140lm/W。 這是估算的白光LED的光效，目前遠(yuǎn)未達(dá)到，以后也很難突破。 當(dāng)前達(dá)到的實(shí)際光效T2T1nmLED輸出光譜使用時(shí)結(jié)溫度上升，輻射光譜紅移，強(qiáng)度下降，激發(fā)熒光粉的效率降低，輸出光通量下降。結(jié)溫度上升、量子效率下降、引起光衰、壽命縮短。(摘自Cree LED照明方案簡(jiǎn)介) 結(jié)溫升、量子效率快速下降； 結(jié)溫升、壽命快速縮短； 結(jié)溫升、阻擋層電勢(shì)差下降，光子紅移； 結(jié)溫升、光量

6、子紅移，熒光粉激發(fā)效率下降。大比例自身能耗是難以制成大功率LED和光效低的原因 常規(guī)光源需要以60%95%能量維持高溫發(fā)光體，否則不能正常發(fā)光； LED的發(fā)光中心必須是低溫的，高溫將破壞P-N結(jié)功能、危害發(fā)光機(jī)制； 70%以上的能量消耗在P-N結(jié)，對(duì)于大功率LED P-N結(jié)溫升過(guò)大，這是LED不能做大、光效低、光衰大、壽命短的內(nèi)在原因； 關(guān)鍵在于降低結(jié)溫度； 160lm/W的報(bào)導(dǎo)是實(shí)驗(yàn)室中冷態(tài)樣品瞬間的測(cè)試數(shù)據(jù)，這對(duì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的白光LED已經(jīng)超過(guò)極限了，不可能長(zhǎng)期保持這樣的光效。 200lm/W白光的設(shè)想是毫無(wú)根據(jù)的。 多量子井或三基色LED芯片的白光LED的光效可以再提高一些。 5萬(wàn)小時(shí)、10

7、萬(wàn)小時(shí)的壽命是早期單色超小功率LED的估計(jì)壽命，這樣的LED不存在結(jié)溫度上升的問(wèn)題。 白光LED中熒光粉的壽命通常不可能超過(guò)3萬(wàn)小時(shí)，在高溫烘烤下光衰很大。 LED配套電器的壽命不可能超過(guò)3萬(wàn)小時(shí)。我們的試驗(yàn) 購(gòu)某大公司的藍(lán)光LED，發(fā)射光譜中心波長(zhǎng)為470nm； 黃色熒光粉主發(fā)射波段為540620nm； 在最佳熒光粉厚時(shí)光效38lm/W，顯色指數(shù)78(c圖)。abcd不同熒光粉涂層厚度的白光LED的發(fā)射光譜熒光粉涂層相對(duì)厚度a（很薄）b（?。ヽ（中厚）d（較厚）色溫300001461075443666相對(duì)光通量0.180.2510.16顯色指數(shù)48.3597843不同熒光粉涂層厚度的白光LE

8、D的輻射參數(shù) 熒光粉涂層厚度的偏差對(duì)光參數(shù)影響很大，所以白光LED的光效、色溫、顯色性零散很大。 為獲得高光效，LED總做成高色溫光源。 常規(guī)光源的實(shí)際輻射效率遠(yuǎn)低于LED的理論效率。 白熾燈5% 陶瓷金鹵燈40% 國(guó)內(nèi)70lm/W、90lm/W或更高光效的數(shù)據(jù)大多為未經(jīng)仔細(xì)測(cè)試的不準(zhǔn)確的說(shuō)明書(shū)數(shù)據(jù)。關(guān)于路燈照明 當(dāng)前路燈照明大多采用最高光效的傳統(tǒng)光源高壓鈉燈，這也是當(dāng)前信價(jià)比最高的道路照明光源之一； 高壓鈉燈的輻射光譜集中在589nm二側(cè)的較窄范圍內(nèi)，其特點(diǎn)是：高光效：90130lm/W；長(zhǎng)壽命：12000小時(shí)20000小時(shí)輻射波長(zhǎng)長(zhǎng)、穿透雨霧力強(qiáng)。顯色指數(shù)低：30人眼的明視覺(jué)、暗視覺(jué)視見(jiàn)函

9、數(shù)曲線及高壓鈉燈光譜暗視覺(jué)明視覺(jué) 高壓鈉燈光譜集中在長(zhǎng)波長(zhǎng)段，光色昏黃，視物不清； 光譜光效雖高，但夜晚視覺(jué)靈敏度下降； 顯色性太差，色彩分辨不清，圖象模糊； 在實(shí)際道路照明中采用高壓鈉燈時(shí)總是超標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、耗電偏多。作為道路照明光源高壓鈉燈的不足之處大功率白光LED向道路照明猛烈挺進(jìn) 近年來(lái)大功率 (1W、3W)白光LED積極介入道路照明的理由： LED為定向輻射，光利用率遠(yuǎn)比高壓鈉燈高； 一些企業(yè)家和專(zhuān)家聲稱(chēng):LED光效高達(dá)90160lm/W； LED壽命長(zhǎng)(5萬(wàn)10萬(wàn)小時(shí))，用于路燈時(shí)維護(hù)費(fèi)用低； LED為最新最好光源，暗視覺(jué)較高壓鈉燈好，是道路照明最佳燈選； 政府節(jié)能任務(wù)，指令性地建立了

10、多條樣板道路照明工程，并擬積極推廣。 “十城萬(wàn)盞半導(dǎo)體照明”應(yīng)用介紹推廣宣傳起了很大作用，人人都想分一杯羹。白光LED道路照明工程的實(shí)際效果 本人所考察的十多條道路照明(包括光伏照明)的白光LED樣板工程全都慘?。?前仆后繼仍有不少地區(qū)指定用LED作道路照明工程，以顯示首長(zhǎng)們對(duì)“新鮮事物”的“敏感”和“追求”。 美國(guó)能源部(DOE)從20062008年對(duì)市場(chǎng)LED照明器具的調(diào)查報(bào)告，2008年9月公布基本否定。 最有發(fā)言權(quán)的是路燈管理部門(mén)一片否定聲！案例案例 I:I: LED路燈在道路照明中的應(yīng)用南通市城市照明管理處 劉承東（中國(guó)照明電器 2009/3 P.30）幾個(gè)案例由上表可見(jiàn)在使用8個(gè)月

11、后路面最大水平照度降低為原來(lái)的1/8路面最小水平照度降低為原來(lái)的1/15路面平均水平照度降低為原來(lái)的1/10原裝364盞LED路燈，8個(gè)月時(shí)已完全損壞21盞，閃爍12盞，計(jì)33盞，損壞率9.07%。1：北海路LED路燈照度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)行道初裝測(cè)試結(jié)果路面最大水平照度（Emax)16.50lx運(yùn)行8個(gè)月后測(cè)試結(jié)果路面最大水平照度（Emax)2.3lx路面最小水平照度（Emin）3.10lx路面最小水平照度（Emin）0.20lx路面平均水平照度（Eav）8.76lx路面平均水平照度（Eav）0.89lx水平照度均勻度（U）0.35水平照度均勻度（U）0.22測(cè)量?jī)x器QZ-CZ照度計(jì) 精度

12、4%測(cè)量日期初裝測(cè)試運(yùn)行測(cè)試2006年12月8日2007年8月10日 上表可見(jiàn)LED路燈路面平均照度遠(yuǎn)低于高壓鈉燈； LED路燈的照度均勻度是不能接受的。2：常州市3條路的LED路燈照度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果項(xiàng)目岷江路案例梅花路案例新科路案例常規(guī)高壓鈉燈案例路寬（m）9142314光源150W LED150W LED125W LED400W高壓鈉燈路燈布置方式單側(cè)雙側(cè)對(duì)稱(chēng)雙側(cè)對(duì)稱(chēng)單側(cè)安裝高度（m）98810路燈間距（m）33275035燈臂長(zhǎng)度（m）211.51.5仰角1210121015平均照度（lx）18.9827.504.7229.70照度均勻度0.070.090.040.35測(cè)試時(shí)間初裝時(shí)55天

13、6個(gè)月案例案例:大功率LED路燈產(chǎn)品的現(xiàn)狀與問(wèn)題分析蘇州城市照明管理處 葉峰、林海闊（ 2009中國(guó)道路照明論壇論文集(會(huì)刊) P.182 ）對(duì)4種燈具進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)論如下： 同樣照度并不節(jié)能 三個(gè)月試點(diǎn) 三種燈具光衰分別為8.77%，15.5%，20.4% 第四種燈具運(yùn)行一個(gè)多月即已損壞 價(jià)格貴、維護(hù)費(fèi)用高、工作量大 無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、無(wú)互換性案例案例: LED路燈在道路照明中的試用和探討寧波市政照明管理所 賴(lài)益萍（ 2009中國(guó)道路照明論壇論文集(會(huì)刊) P.186）對(duì)5家LED路燈產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，各八盞燈功率(W)電壓(V)初始平均照度(lx)初始均勻度一個(gè)月后平均照度(lx)4個(gè)月后亮燈情況(每

14、家各8盞燈)第一家1202389.920.529.67一盞其中一顆30W閃爍二盞其中二顆30W不亮一盞四顆30W都不亮第二家150235.512.850.4111.84五盞都不亮第三家12023315.180.3313.65三盞其中三條不亮一盞六條都不亮第四家11022412.850.2210.4一盞不亮第五家160225.316.630.413.58全亮高壓鈉燈(100W)115218.314.190.4414.04高壓鈉燈(150W)176218.624.410.4424.19 以上數(shù)據(jù)表明LED路燈沒(méi)有節(jié)能效果 失效率極高，分別為50%、62.5%、50%、12.5%、100% 照明效果

15、很差，光衰太大，第四家和第五家在4個(gè)月內(nèi)（400小時(shí)）光效分別下降19.1%、18.3%，實(shí)際上已全部失效。 對(duì)照組高壓鈉燈照明效果遠(yuǎn)甚LED，400小時(shí)光衰1%以下。 目前一個(gè)LED路燈燈頭（20150W）成本在20003000元之間，售價(jià)4000元以上。 所見(jiàn)的最好的之一華晶LED路燈產(chǎn)品采用了熱導(dǎo)管，成本近5000元，售價(jià)8000元； 一些很快就壞的產(chǎn)品售價(jià)也在4000元以上； 一套高壓鈉燈照明裝置（燈、電感鎮(zhèn)流器、燈具）總售價(jià)約800元，三年內(nèi)極少損壞，光衰較小。 一套陶瓷金鹵燈照明裝置包括燈具，1200元以下，可以保證三年內(nèi)損壞率在10%以下。LED道路照明的信價(jià)比太低LED道路照明

16、目前的條件尚不成熟 LED本身性能指標(biāo)尚難滿(mǎn)足要求； LED的光學(xué)系統(tǒng)尚不成熟； LED的配套控制電路可靠性太低； LED的冷卻系統(tǒng)太貴，效率不高； 整個(gè)LED照明系統(tǒng)的成本太高，無(wú)法推廣。 沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、各家產(chǎn)品各不相同無(wú)互換性，維修困難、成本高昂。對(duì)白光LED應(yīng)有實(shí)事求是的評(píng)價(jià) LED是一種極有前途的光源； 單色LED和小功率白光LED在顯示照明、裝飾照明、小功率局部照明方面（手電筒、礦燈、臺(tái)燈、草坪燈、應(yīng)急燈等）已顯示出其優(yōu)越性，并將發(fā)揮更強(qiáng)勢(shì)的作用，但不少方面仍有待完善。 對(duì)大功率白光LED的過(guò)分夸張的宣傳使得很多人對(duì)LED產(chǎn)生了迷信和盲目樂(lè)觀的估計(jì)，目前重點(diǎn)應(yīng)著重技術(shù)參數(shù)、性能和可靠

17、性提高，開(kāi)發(fā)應(yīng)用放在下一步，推廣更宜慎重。專(zhuān)家們！教授們！暫停你們自己不花本錢(qián)的呼吁吧！把注意力集中到道路照明系統(tǒng)的光效和可靠提高、成本降低方面，為L(zhǎng)ED做一點(diǎn)實(shí)實(shí)在在的研發(fā)工作。 本人對(duì)白光LED路燈照明的前景估計(jì)是：再花510年時(shí)間使其光效真正達(dá)到80lm/W以上，單粒功率510W，每流明成本降至3分錢(qián)、免維修時(shí)間基本一年時(shí)則可向道路照明進(jìn)軍。 LED道路照明的樣板太多，損失太大，不能再搞了。 很多企業(yè)家已在哀嘆“樂(lè)觀過(guò)度、投入太大、血本無(wú)歸、走投無(wú)路、欲罷不能！”“不僅血本、連骨髓都賠上了”。 陶瓷金鹵燈是新一代光源。 陶瓷金鹵燈性能優(yōu)異，全部性能均居其他各種光源之首。 高光效11013

18、0lm/W，達(dá)到或超過(guò)高壓納燈； 高顯色：常規(guī)型Ra 85-95，特別高效型約80； 有很高的紅色比，透雨霧能力強(qiáng)； 長(zhǎng)壽命：12000小時(shí)，與高壓納燈相當(dāng)； 寬廣色溫范圍：2800K6000K或更高； 參數(shù)穩(wěn)定，無(wú)鈉泄漏問(wèn)題。陶瓷金鹵燈是高壓鈉燈最好的換代產(chǎn)品暗視覺(jué)明視覺(jué)雪萊特陶瓷金鹵燈的典型光譜 明視覺(jué)、暗視覺(jué)效果均佳用 途 商業(yè)照明：用于商店、酒樓、賓館、候機(jī)樓； 工業(yè)照明：車(chē)間照明 道路照明：透霧力強(qiáng)、高光效、長(zhǎng)壽命，用于道路、港口、隧道照明。 150W代替250W高壓納燈、250W代替400W高壓納燈； 家用照明：無(wú)紫外、高光效、高顯色、小功率、超小型化、單端自鎮(zhèn)流； 辦公照明：用于辦公室、會(huì)議室、試驗(yàn)室。商業(yè)照明雪萊特廠房照明（2007年11月安裝）70W陶瓷燈代替原125W緊湊型熒光燈用燈用燈70W106盞燈盞燈廠房面積：廠房面積：6060m2用燈用燈70W106盞燈盞燈廠房面積：廠房面積：6060m2雪萊特150W陶瓷燈代替250W高壓鈉燈的道路照明改造（2008年6月）雪萊特道路照明樣板測(cè)試結(jié)果 燈功率：150