大功率白光LED道路照明探討
上傳人:姜軍鵬 上傳時間: 2011-03-15 瀏覽次數: 304 |
目前白光LED運轉時最多20%的能量以光子形式輻射,其余80%的能量均轉化為熱能使芯片和熒光粉涂層加熱。對于小功率LED,80%的輸入功率的加熱作用不會使芯片溫度上升太多,對LED的光效、壽命和運轉狀態影響不大。但是0.5W或更大功率的白光LED,其功耗的80%以上集中發生在非常小的p-n結區,必將使芯片和熒光粉涂層大幅升溫,這不僅影響光效,而且會造成快速光衰并使壽命縮短。
5萬或10萬小時的長壽命判斷是在LED發展初期對小功率單色LED估算的,對于大功率LED,特別是白光LED,由于芯片和熒光粉長期在高溫下烘烤,必將使壽命大幅下降。這就是設計不良的LED照明工程在運轉3-4個月后急劇的光衰使設計者不得不常常更換光源的原因。
三、LED和道路照明
由于對白光LED的巨大投資和過分宣傳,致使這一領域的部分人員對白光LED寄予過高期望,急于將白光LED推向常規功能照明,很多這一領域的人員并將之直接推廣到道路照明方面,數年來全國完成的LED道路照明和LED光伏道路照明樣板工程不下數十處(筆者考察過多條采用LED作光源的道路照明工程),已經取得了足夠多的經驗和教訓。筆者認為,這一試驗應當暫時放緩,待條件成熟后再重新啟動。
目前我國和發達國家道路照明的主要光源仍然是高壓鈉燈、少數用金屬鹵化物燈,前者光效為100-120lm/W,但顯色指數僅為20或更低,后者的光效80-100lm/W,顯色指數在80左右,考慮到電器配件的能耗,采用此類光源實際的系統光效在75lm/W-90lm/W之間。由于道路照明所用燈具的光反射率不高,通常均在60%以下。采用此類燈具時約有40%的光直射地面,其余60%的光則需經燈具反射后射向地面。粗略估算,去除各種損耗后常規道路照明的總光利用率不超過76%,由此估計最終的光效約為60lm/W-70lm/W。此外,由于燈具設計的不合理以及高壓鈉燈特殊的細長柱狀發光體而造成光分布不均勻,為使道路中線和二燈之間的暗區達到照明標準,設計時不得不采用更大功率、更高光通量的光源以滿足暗區的照度要求,從而造成了更大的電能浪費。
基于上述情況,部分LED道路照明設計者認為,白光LED比高壓鈉燈更節能,利用LED的定向輻射性能進行道路照明設計可以大幅減少能量的浪費。他們曾經設計出若干利用大功率(1W、3W)白光LED的道路照明方案,并做成樣板工程。但是這些樣板工程大都并未經過仔細測試和認證。其中一種照明設計方案是將120只1W白光LED矩陣式分布在200mm×250mm的矩形平面電路板上,板后為接線,然后整體安裝在常規路燈燈具中。這種設計是極不科學的,該方案選用的LED單只發光量不超過40lm,估以40lm論之,考慮到配套電器損耗(10%)以及90%的光利用率,其實際系統光利用率不足32lm/W,120只LED的總有效光通量約4300lm。假如LED的光發射角為120°,按這一設計4300lm的光將以120°的發射角射向下方。可以想象這樣的設計將使地面光分布極不均勻,街心及燈桿之間完全黑暗,加之這些設施中并未考慮對LED基片采取有效降溫措施,如此多的LED集中在如此小的空間,80多瓦的功耗持續積累將使芯片溫度過高,阻擋層壓降下降,所發藍光向長波方向漂移,這必然造成其光效的嚴重下降。筆者曾考察了北京郊區某光伏照明樣板路(光源總功率為105W),其燈下照度只有3.5lux,燈下直徑15米以外的地方則根本沒有任何照明效果,而據云此前二個半月該工程剛完工時燈下照度為7lux。在江蘇、浙江、山東、廣東不乏此類工程樣板,甚至有的LED道路照明示范街不僅燈光昏暗,而且每隔3-5個月均需更換光源。
LED道路照明試驗必須在專家指導下,經過嚴格認證和設計后才能施行。
廣東一些專門從事LED道路照明工程的企業從中吸取了教訓,他們采取的措施是使1WLED工作在0.5-0.6W狀態,或是將3WLED設計為1W使用,這樣雖然成本很高、光效很低,照明效果不佳,但基本解決了光衰和壽命問題。
某跨國公司鑒于中國的白光LED很熱、專門為中國研發出了一種用于道路照明的白光LED,他們將1WLED前端的封裝材料設計為特定的凸透鏡結構,據稱采用此種LED不需二次、三次光學設計就可得到均勻的道路照明,使用方便。該公司宣稱此種LED的冷態光效為70lm/W,正常使用時則為50lm/W。
浙江某公司設計了用于道路照明的集成式白光LED,他們將多個藍光LED芯片組裝在同一基板上,用一只專門設計的較大凸透鏡作輸出窗、在輸出窗內壁涂敷熒光粉,使所有LED芯片共同激發同一熒光粉涂層。這種組合式LED的發光特征被改造得與常規球形光源相近,使用較為方便,但這種結構LED的基板散熱問題仍然存在。
需要注意的是將多個LED集中在一起進行道路照明設計時、除足夠的光通量和合理的光學設計以保證合理的光分布外、更為重要的是散熱問題。如前所述,目前LED的能耗中約80%以上轉化為熱量,而半導體器件是不耐高溫的,如果不能將所產生的熱量即時導走則必將引起嚴重后果。
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