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                LED光源在道路照明中的發展和應用

                人氣:529  發布于:2020-11-15

                摘要:近年來,很多廠家相繼推出了大功率LED照明燈具,并作為節能產品越來越多的應用于道路照明中。本文就LED路燈在發展應用中的幾個問題做粗略探討。分析了LED光源在城市道路照明中的發展歷程,以及實際應用中“光學設計、散熱等主要技術、國家標準的制定、產品的標準化和通用性以及應用功效”等問題。


                目前,通過各種渠道,大家對LED光源的優良特性都有了普遍的、概念性的認識,如節能、環保(無汞)、使用壽命長、抗震性好、體積小近似點光源、驅動簡單、光束集中、響應速度快等諸多優點,LED點光源在景觀照明中已有了廣泛應用,這是大家有目共睹,毋庸置疑的事實;在道路照明領域,LED路燈應用發展迅速,正在逐步取代一直在道路照明中起著主導地位的高壓鈉燈與金屬鹵化物燈。

                由于LED發光機理上是冷光源,且輻射中光譜全在可見光范圍內,因而實際效率有望更接近理論值。與傳統光源相比,LED光源體積小,是一個具有一定光分布的微型燈具。白光LED顯色性好,色溫高,用于道路照明有利于提高人們對物體的辨別能力。LED與傳統光源在發光形態上最大的區別在于LED發出的光線是定向的,從LED發出的大部分光線就能直接射向被照面,利用的比例遠要高于傳統的光源。我們相信,在逐步解決了散熱、光衰等一系列關鍵技術難題,并實現造價大幅度降低后,LED光源在道路照明領域同樣有著良好的發展前景。2009年中國科技部組織實施了“十城萬盞”計劃,得到了21個城市的積極響應,創造出龐大的LED路燈市場,應用試點示范正在如火如荼的展開。


                一、為LED道路照明燈具提供平臺


                為了落實國務院節能減排的決定及建設部綠色照明規劃綱要,確保道路照明標準化、系列化、通用化的要求,針對LED道路照明產品質量與現狀,對其進行性能測試與評估,為道路照明建設提供合格的LED路燈制造供應商,以保證道路照明設施高水平建設、高效能運行。


                在測試評估的一年期中,根據相關標準,進行12次路面平均照度(Eav)和均勻度(UE)等數據測試,同時還要進行燈具輸入功率、功率因數、光效、配光曲線、色溫、色坐標、色度容差、顯色指數等特性測試,以及對低壓線路諧波含量、接地措施、介電強度和燈具IP等級的測試。實施半導體照明應用示范工程,是推進中國科技部“十城萬盞”計劃的重大舉措。通過示范工程營造市場環境,帶動市場需求,在現有LED資源的基礎上,引國內外先進的半導體照明技術和產品,鼓勵國內外企業積極參與半導體照明應用示范工程的建設,共同推動半導體照明技術的集成和創新。


                二、LED光源在道路照明應用中存在的問題


                在全球能源危機與環保壓力日益凸顯的形勢下,LED光源在道路照明中的應用已成為近年來半導體照明行業的熱點。LED器件產品應用到路燈上,對技術有什么特殊要求,LED路燈與目前高壓鈉燈相比有哪些優勢,還存在哪些不足,如何解決這一系列問題,都值得我們認真研究和思考。


                (一)光學設計、散熱是LED路燈面臨的主要技術問題


                雖然大功率LED路燈研制發展的速度很快,但在應用中還不同程度的存在著每瓦發光流明低、二次光利用水平較低、系統光效較低、光衰快、壽命短、色溫偏差、光色不一、驅動器故障多等一系列問題。其中二次光學設計、散熱設計和電源驅動器系統設計等主要技術問題,是提高發光效率和延長壽命的關鍵。


                半導體照明的配光系統也有待進一步開發,由于LED光輻射方向性很強,配光曲線很難滿足道路照明蝙蝠翼形的配光要求,高質量的配光系統,成為阻礙LED光源在道路照明領域推廣應用的技術瓶頸。香港理工大學的蔣金波博士介紹過兩種LED路燈的配光設計:第一種LED路燈采用軸對稱的全反射透鏡或反光杯,LED透鏡模組排列于一個弧面上以產生長方形的配光。全反射透鏡的引入可以極大地提高光的利用效率,但是弧形的LED模組的排列使高功率LED的散熱設計和機械結構比較麻煩。第二種LED路燈則采取非對稱的自由曲面透鏡,可以將長方形的配光直接由單個LED光學元件完成。整體燈頭只需將具有長方形配光的LED模組簡單的排列在一個平板上即可,這種LED路燈在機械結構、散熱及電源控制方面比較簡單,不同等級公路和不同燈桿高度的道路照明只需要增加不同數量的LED模組即可。非對稱自由曲面二次光學元件的采用可以使LED路燈的長方形配光直接在單個LED模組上實現。整體路燈只需要將這些LED模組陣列按照相同方向排列即可,從而可以簡化路燈燈具結構、散熱及控制電源的設計。目前LED的輻射形式有朗伯型、側射型、蝙蝠翼型、矩形、蝶翼和聚光型幾種。通過二次光學設計,使得LED的光照范圍、光度曲線符合道路照明的需求。


                因為LED半導體光電器件是熱敏元件,其散發的熱量需要通過燈具有效地排除出去,否則會引起PN結溫度升高,PN結結溫每升高10度,半導體器件的壽命就減少1倍。LED芯片的高溫度導致芯片本身及封裝樹脂性能的惡化,從而最終引起發光效率的降低和壽命的縮短。故散熱是LED燈具設計中亟待解決又一關鍵技術。


                (二)相應的國家標準是LED照明燈具市場健康發展的保障


                LED的光電及熱學特性與傳統光源差異甚大,使現有LED的測量無法完全套用傳統照明光源的測量方法。目前LED無論在產品規格或測量上均缺乏適當的標準,使產品種類繁多,測量無標準,市場不規范,而產品的多樣性也導致企業不可能集中大規模生產。制定相關的LED標準已成為產業的迫切需求。而目前由全國照明電器標準化技術委員會制訂的“普通照明用LED國家標準及行業標準”等陸續頒布實施。相關企業應進行新的市場定位和產品規劃,抓住新機遇,投入必要的質量保障手段。


                (三)產品的標準化和通用性是大規模使用的基礎


                目前市場推出的LED路燈,魚龍混雜。產品外觀、LED的發光顆粒的排布方式與數量、驅動電路的外型尺寸和內部設計多種多樣。如:單顆粒LED的功率、數量各異,1~5瓦不等;光分布情況各異,有蝠形、矩形、蝶翼型等;光學處理方式有自帶透鏡免二次光學處理和進行二次光學處理的;驅動器情況有專用驅動芯片IC和無電解電容;封裝情況有多芯片封裝和單顆芯片封裝;技術線路情況有模、組式大功率、芯片集成式大功率、點陣式大功率等。電源裝配也有自帶一體化和外接電源兩種,散熱技術也各有千秋,這都給普及使用后的運行及維護工作帶來極大不便,也不符合城市照明設施標準化、通用化的設計原則。


                三、LED照明燈具大規模應用  


                目前LED路燈的成本已經接近高壓鈉燈,一款LED路燈價格在500元--2000元,也有更高,而一套進口品牌的高壓鈉燈(含燈具、成套電器光源)價格不超過1500元。  


                經測試,惠普照明hpzmslb-90wLED光源路面平均照度約為Eav=15lx; 路面照度均勻度約為UE=0.37;惠普照明hpzmslb-120wLED光源路面平均照度約為Eav=19lx;路面照度均勻度約為UE=0.39.按CJJ45-2006《城市道路照明設計標準》要求,次干道路面照度應不低于10lx,均勻度不低于0.35。從實際測試的數據可見,采用120w LED光源,既照度能滿足城市道路照明設計標準,也能滿足照明均勻度。在道路的同等條件下,若采用250W高壓鈉燈光源測試,路面照度與均勻度才剛剛滿足。


                從一次性投資情況看120W LED燈具和普通高壓250w鈉燈燈具相近。顯而易見,采用LED光源應用于道路照明,及提高使用壽命年限,又節約電能及費用。


                四、結語


                就目前高品質LED的應用,相對高壓鈉燈光源已有節能效果體現,但在當前推廣應用LED光源路燈時要避免浮躁、急功近利情緒,不要過分擴大它的效能。作為設計人員,我們需要做的工作應當根據每種光源各自的特點,在不同的場所充分發揮其優勢。我們深信LED路燈的發展優勢,一定會廣泛應用于城市照明的建設中。

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