大功率白光LED道路照明探討

大功率白光LED道路照明探討白光LED的是一種新型光源；日本政府首先資助(上世紀(jì)90年代)；美國政府資助；中國政府資助；歐洲政府資助；中國目標(biāo)2010年光效達(dá)到100lm/W，大量取代節(jié)能燈。優(yōu)點(diǎn)：高光效：估計可達(dá)160lm/W以上(實驗室報導(dǎo)未經(jīng)證實)；無污染；長壽命：5萬小時或稱10萬小時(早期理想的理論估算，未經(jīng)證實)；顯色性好：70~80政府支持，經(jīng)濟(jì)實力雄厚，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，顯示了無比優(yōu)越性，無爭議。在裝飾照明方面有重要作用，勾劃輪廓效果很好，亦無分歧。在功能照明方面意見分歧、評價不一。LED的發(fā)光過程

載流子復(fù)合發(fā)光在外加電場作用下載流子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能eVo并轉(zhuǎn)化為光子hv，其波長λ=1234/Vonm；雖然截流子復(fù)合時量子轉(zhuǎn)換效率很高，但是電子運(yùn)動時克服內(nèi)外電阻的能耗以及復(fù)合時攜帶的動能不可能轉(zhuǎn)化為光能。計入各種能耗后LED的內(nèi)量子效率不超過90%。內(nèi)量子效率常規(guī)光源的輻射是各向均勻的，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。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0.9×0.6=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)前實際光源的電—光轉(zhuǎn)換效率。白光LED的量子子效率率估算算藍(lán)光LED＋黃色色熒光光粉構(gòu)構(gòu)成白白光LED；過程中中部分分光子子能量量下轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移，，470nm→560nm若20%藍(lán)光光光子保保持波波長不不變。。80%藍(lán)光光光子下下轉(zhuǎn)移移，平平均能能量損損失8.75%?？偭孔幼有事式档偷图s7%。熒光粉對光光子的吸收收率超過20%；經(jīng)黃色熒光光粉涂層后后光能降低低27%以上；白光LED的理論估算算能效不超超過40%。白光LED的光輸出估估算光功當(dāng)量=683lm/W；1W功率全部轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為555nm的黃光的流流明數(shù)；1W功率轉(zhuǎn)化為為在380～780nm之間均勻分分布的光能能時的光通通量為260lm/W———白光；1W功率能譜按按視見函數(shù)數(shù)曲線分布布時的光通通量為360lm/W。1W“白光”LED的輻射光通通量不可能能超過140lm/W。這是估算的的白光LED的光效，目目前遠(yuǎn)未達(dá)達(dá)到，以后后也很難突突破。當(dāng)前達(dá)到的的實際光效效<70lm/W，不足估算算值的一半半。某大公司制制成白光LED路燈及燈具具（水平非非很高的公公司），宣宣稱初始光光效為70lm/W，正常運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時因溫升升降至為50lm/W；為降低結(jié)溫溫度、減緩緩光衰、常常常降低功功率使用(1WLED按0.7W~0.8W設(shè)計)；2007年日本報導(dǎo)導(dǎo)白光LED光效已達(dá)到到55lm/W，但Ra為82的LED光效只有20lm/W。使用時結(jié)溫溫度上升，，輻射光譜譜紅移，強(qiáng)強(qiáng)度下降，，激發(fā)熒光光粉的效率率降低，輸輸出光通量量下降。結(jié)溫度上升升、量子效效率下降、、引起光衰衰、壽命縮縮短。(摘自CreeLED照明方案簡簡介)結(jié)溫升、量量子效率快快速下降；；結(jié)溫升、壽壽命快速縮縮短；結(jié)溫升、阻阻擋層電勢勢差下降，，光子紅移移；結(jié)溫升、光光量子紅移移，熒光粉粉激發(fā)效率率下降。大比例自身身能耗是難難以制成大大功率LED和光效低的的原因常規(guī)光源需需要以60%~95%能量維持高高溫發(fā)光體體，否則不不能正常發(fā)發(fā)光；LED的發(fā)光中心心必須是低低溫的，高高溫將破壞壞P-N結(jié)功能、危危害發(fā)光機(jī)機(jī)制；70%以上的能量量消耗在P-N結(jié)，對于大大功率LEDP-N結(jié)溫升過大大，這是LED不能做大、、光效低、、光衰大、、壽命短的的內(nèi)在原因因；關(guān)鍵在于降降低結(jié)溫度度；160lm/W的報導(dǎo)是實實驗室中冷冷態(tài)樣品瞬瞬間的測試試數(shù)據(jù)，這這對正常運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)的白光光LED已經(jīng)超過極極限了，不不可能長期期保持這樣樣的光效。。200lm/W白光的設(shè)想想是毫無根根據(jù)的。多量子井或或三基色LED芯片的白光光LED的光效可以以再提高一一些。5萬小時、10萬小時的壽壽命是早期期單色超小小功率LED的估計壽命命，這樣的的LED不存在結(jié)溫溫度上升的的問題。白光LED中熒光粉的的壽命通常常不可能超超過3萬小時，在在高溫烘烤烤下光衰很很大。LED配套電器的的壽命不可可能超過3萬小時。購某大公司司的藍(lán)光LED，發(fā)射光譜譜中心波長長為470nm；黃色熒光粉粉主發(fā)射波波段為540~620nm；在最佳熒光光粉厚時光光效<38lm/W，顯色指數(shù)數(shù)78(c圖)。abcd不同熒光粉粉涂層厚度度的白光LED的發(fā)射光譜譜熒光粉涂層相對厚度a（很薄）b（?。ヽ（中厚）d（較厚）色溫300001461075443666相對光通量0.180.2510.16顯色指數(shù)48.3597843不同熒光粉粉涂層厚度度的白光LED的輻射參數(shù)數(shù)熒光粉涂層層厚度的偏偏差對光參參數(shù)影響很很大，所以以白光LED的光效、色色溫、顯色色性零散很很大。為獲得高光光效，LED總做成高色色溫光源。。常規(guī)光源的的實際輻射射效率遠(yuǎn)低低于LED的理論效率率。白熾燈——<5%陶瓷金鹵燈燈≈40%國內(nèi)70lm/W、90lm/W或更高光效效的數(shù)據(jù)大大多為未經(jīng)經(jīng)仔細(xì)測試試的不準(zhǔn)確確的說明書書數(shù)據(jù)。關(guān)于路燈照照明當(dāng)前路燈照照明大多采采用最高光光效的傳統(tǒng)統(tǒng)光源高壓壓鈉燈，這這也是當(dāng)前前信價比最最高的道路路照明光源源之一；高壓鈉燈的的輻射光譜譜集中在589nm二側(cè)的較窄窄范圍內(nèi)，，其特點(diǎn)是是：高光效：90~130lm/W；長壽命：12000小時～20000小時輻射波長長長、穿透雨雨霧力強(qiáng)。。顯色指數(shù)低低：<30人眼的明視視覺、暗視視覺視見函函數(shù)曲線及及高壓鈉燈燈光譜暗視覺明視覺高壓鈉燈光光譜集中在在長波長段段，光色昏昏黃，視物物不清；光譜光效雖雖高，但夜夜晚視覺靈靈敏度下降降；顯色性太差差，色彩分分辨不清，，圖象模糊糊；在實際道路路照明中采采用高壓鈉鈉燈時總是是超標(biāo)準(zhǔn)設(shè)設(shè)計、耗電電偏多。作為道路照照明光源高高壓鈉燈的的不足之處處大功率白光光LED向道路照明明猛烈挺進(jìn)進(jìn)近年來大功功率(1W、3W)白光LED積極介入道道路照明的理由由：LED為定向輻射射，光利用用率遠(yuǎn)比高高壓鈉燈高高；一些企業(yè)家家和專家聲聲稱:LED光效高達(dá)90~160lm/W；LED壽命長(5萬~10萬小時)，用于路燈燈時維護(hù)費(fèi)費(fèi)用低；LED為最新最好好光源，暗暗視覺較高高壓鈉燈好好，是道路路照明最佳佳燈選；政府節(jié)能任任務(wù)，指令令性地建立立了多條樣樣板道路照照明工程，，并擬積極極推廣?！笆侨f盞半半導(dǎo)體照明明”應(yīng)用介紹推推廣宣傳起起了很大作作用，人人人都想分一一杯羹。白光LED道路照明工工程的實際際效果本人所考察察的十多條條道路照明明(包括光伏照照明)的白光LED樣板工程全全都慘??；；前仆后繼仍仍有不少地地區(qū)指定用用LED作道路照明明工程，以以顯示首長長們對“新鮮事物”的“敏感”和“追求”。美國能源部部(DOE)從2006~2008年對市場LED照明器具的的調(diào)查報告告，2008年9月公布——基本否定。。最有發(fā)言權(quán)權(quán)的是路燈燈管理部門門——一片否定聲聲！案例I:LED路燈在道路路照明中的的應(yīng)用幾個案例由上表可見見在使用8個月后路面最大水水平照度降降低為原來來的1/8路面面最最小小水水平平照照度度降降低低為為原原來來的的1/15路面面平平均均水水平平照照度度降降低低為為原原來來的的1/10原裝裝364盞LED路燈燈，，8個月月時時已已完完全全損損壞壞21盞，，閃閃爍爍12盞，，計計33盞，，損損壞壞率率9.07%。1：LED路燈燈照照度度現(xiàn)現(xiàn)場場測測量量結(jié)結(jié)果果機(jī)動車車行道初裝測試結(jié)果路面最大水平照度（Emax)16.50lx運(yùn)行8個月后測試結(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測量儀器QZ-CZ照度計精度±4%測量日期初裝測試運(yùn)行測試2006年12月8日2007年8月10日上表表可可見見LED路燈燈路路面面平平均均照照度度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低低于于高高壓壓鈉鈉燈燈；；LED路燈燈的的照照度度均均勻勻度度是是不不能能接接受受的的。。2：常常州州市市3條路路的的LED路燈燈照照度度現(xiàn)現(xiàn)場場測測量量結(jié)結(jié)果果項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150WLED150WLED125WLED400W高壓鈉燈路燈布置方式單側(cè)雙側(cè)對稱雙側(cè)對稱單側(cè)安裝高度（m）98810路燈間距（m）33275035燈臂長度（m）211.51.5仰角12°10°12°10～15°平均照度（lx）18.9827.504.7229.70照度均勻度0.070.090.040.35測試時間初裝時55天6個月案例例Ⅱ:大功功率率LED路燈燈產(chǎn)產(chǎn)品品的的現(xiàn)現(xiàn)狀狀與與問問題題分分析析對4種燈燈具具進(jìn)進(jìn)行行試試驗驗，，結(jié)結(jié)論論如如下下：：同樣樣照照度度并并不不節(jié)節(jié)能能三個個月月試試點(diǎn)點(diǎn)三種種燈燈具具光光衰衰分分別別為為8.77%，15.5%，20.4%第四四種種燈燈具具運(yùn)運(yùn)行行一一個個多多月月即即已已損損壞壞價格格貴貴、、維維護(hù)護(hù)費(fèi)費(fèi)用用高高、、工工作作量量大大無統(tǒng)統(tǒng)一一標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)、、無無互互換換性性案例例Ⅲ:LED路燈燈在在道道路路照照明明中中的的試試用用和和探探討討對5家LED路燈燈產(chǎn)產(chǎn)品品進(jìn)進(jìn)行行試試驗驗，，各各八八盞盞燈燈功率(W)電壓(V)初始平均照度(lx)初始均勻度一個月后平均照度(lx)4個月后亮燈情況(每家各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以上上數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)表表明明LED路燈燈沒沒有有節(jié)節(jié)能能效效果果失效效率率極極高高，，分分別別為為50%、62.5%、50%、12.5%、100%照明明效效果果很很差差，，光光衰衰太太大大，，第第四四家家和和第第五五家家在在4個月月內(nèi)內(nèi)（（400小時時））光光效效分分別別下下降降19.1%、18.3%，實實際際上上已已全全部部失失效效。。對照照組組高高壓壓鈉鈉燈燈照照明明效效果果遠(yuǎn)遠(yuǎn)甚甚LED，400小時時光光衰衰1%以下下。。目前前一一個個LED路燈燈燈燈頭頭（（20～150W）成成本本在在2000～3000元之之間間，，售售價價4000元以以上上。。所見見的的最最好好的的之之一一華華晶晶LED路燈燈產(chǎn)產(chǎn)品品采采用用了了熱熱導(dǎo)導(dǎo)管管，，成成本本近近5000元，，售售價價8000元；；一些些很很快快就就壞壞的的產(chǎn)產(chǎn)品品售售價價也也在在4000元以以上上；；一套高壓鈉燈燈照明裝置（（燈、電感鎮(zhèn)鎮(zhèn)流器、燈具具）總售價約約800元，三年內(nèi)極極少損壞，光光衰較小。一套陶瓷金鹵鹵燈照明裝置置包括燈具，，1200元以下，可以以保證三年內(nèi)內(nèi)損壞率在10%以下。LED道路照明的信信價比太低LED道路照明目前前的條件尚不不成熟LED本身性能指標(biāo)標(biāo)尚難滿足要要求；LED的光學(xué)系統(tǒng)尚尚不成熟；LED的配套控制電電路可靠性太太低；LED的冷卻系統(tǒng)太太貴，效率不不高；整個LED照明系統(tǒng)的成成本太高，無無法推廣。沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)、各家產(chǎn)品品各不相同無無互換性，維維修困難、成成本高昂。對白光LED應(yīng)有實事求是是的評價LED是一種極有前前途的光源；；單色LED和小功率白光光LED在顯示照明、、裝飾照明、、小功率局部部照明方面（（手電筒、礦礦燈、臺燈、、草坪燈、應(yīng)應(yīng)急燈等）已已顯示出其優(yōu)優(yōu)越性，并將將發(fā)揮更強(qiáng)勢勢的作用，但但不少方面仍仍有待完善。。對大功率白光光LED的過分夸張的的宣傳使得很很多人對LED產(chǎn)生了迷信和和盲目樂觀的的估計，目前前重點(diǎn)應(yīng)著重重技術(shù)參數(shù)、、性能和可靠靠性提高，開開發(fā)應(yīng)用放在在下一步，推推廣更宜慎重重。本人對白光LED路燈照明的前前景估計是：：再花5~10年時間使其光光效真正達(dá)到到80lm/W以上，單粒功功率5~10W，每流明成本本降至3分錢、免維修修時間基本一一年時則可向向道路照明進(jìn)進(jìn)軍。LED道路照明的樣樣板太多，損損失太大，不不能再搞了。。很多企業(yè)家已已在哀嘆“樂觀過度、投投入太大、血血本無歸、走走投無路、欲欲罷不能！”“不僅血本、連連骨髓都賠上上了”。陶瓷金鹵燈是是新一代光源源。陶瓷金鹵燈性性能優(yōu)異，全全部性能均居居其他各種光光源之首。高光效110—130lm/W，達(dá)到或超過過高壓納燈；；高顯色：常規(guī)規(guī)型Ra85-95，特別高效型