硕士论文-基于道路照明的LED路灯可行性应用研究.pdf

天津大学 硕士学位论文 基于道路照明的LED路灯可行性应用研究 姓名 宋佳音 申请学位级别 硕士 专业 建筑技术科学 指导教师 马剑 20090801 摘要 L E D 具有节能 环保 寿命长 体积小等特点 L E D 作为新一代光源已经 慢慢进入照明的各个领域 在道路照明领域的L E D 路灯的使用处于起步阶段 因为各种原因使它在道路照明中占有率较低 但是由于其自身的优点和国家节能 减排的需要 使它成为目前推广的目标之一 本文是天津市松江科技发展有限公 司委托L E D 路灯照明可行性研究课题 结合天津松江科技公司的L E D 道路照明 改造工程 通过对L E D 路灯灯具生产厂商和产品的调研 测试 总结了大量的 相关研究成果 通过对L E D 路灯产品针对不同等级和宽度道路的适用性进行分 析 为之后的L E D 路灯的照明设计提供一定的依据 本文内容主要分为七个部分 第一部分 文章的绪论部分 主要阐述了本文的研究背景 研究意义 主要 完成工作和文章的结构等 第二部分 道路照明指标规范及相应技术要求 主要介绍了道路照明的各种 指标及其相应的技术要求 道路照明设计时要满足这些指标的要求 第三部分 L E D 与传统光源对比的性能及优缺点 主要对L E D 光源与传统 的道路照明光源进行了对比 以此来说明L E D 在性能上 寿命上和节能上的优 势 第四部分 道路照明适用L E D 灯具要求 由于L E D 与传统光源的本身配光 有本质的区别所以在对L E D 光源进行灯具设计时与传统的光源也完全不同 例 如 L E D 灯具的散热措施是其设计的重点 第五部分 市场上常见L E D 功能照明灯具及其测试 在这部分阐述了在论 文的过程中分别对天津郁江道上的L E D 路灯和天津市团泊西区项目部的实验 L E D 路灯进行的测试 这些测试为L E D 路灯在道路照明中的使用提供了依据 第六部分 L E D 节能 经济和适用性分析 在本部分中对天津市团泊新城西 区内的一条道路进行使用L E D 路灯的节能和经济分析 并对天津市松江科技公 司拟进行的L E D 道路照明工程进行了适用性分析 第七部分 总结 关键词 道路照明L E D 路灯经济分析适用性分析 A B S T R A C T T h e r ea r eal o to fa d v a n t a g e so fL E D s u c ha se f f i c i e n t e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n l o n gl i f e s m a l ls i z e a n dS Oo n A san e wg e n e r a t i o no fl i g h ts o u r c eL E D h a ss l o w l y e n t e r e dt h ei l l u m i n a t i o ni na l la r e a s f r o ml a n d s c a p el i g h t i n gt Oi n d o o rl i g h t i n g A t p r e s e n t L E Dl i g h ts o u r c eu s e di nt h ef i e l do f r o a dl i g h t i n ga r ea tt h ei n i t i a ls t a g e D u e t ov a r i o u sr e a s o n sm a k ei tal o w e rs h a r ei nr o a dl i g h t i n g b u tb e c a u s eo fi t so w n a d v a n t a g e sa n dt h en e e d so ft h en a t i o n a le n e r g y s a v i n ge m i s s i o n m a k i n gi tb e i n go n e o f t h eg o a l st ob ep r o m o t e d T h i sp a p e ri sap a r to f T i a n j i nS o n g i i a n gT e c h n o l o g y I n c L E Ds t r e e tl i g h t i n gi m p r o v e m e n tw o r k sf e a s i b l er e s e a r c h T h r o u g ht h eL E Ds t r e e t l a m pm a n u f a c t u r e r sa n dp r o d u c tr e s e a r c h t e s t i n g s u m m e du pa l o to fd a t e s T h e s e d a t e sa r eu s e Ai nr o a dL E D l i g h t i n gf e a s i b l er e s e a r c hw i t hd i f f e r e n tw i d e a n dl e v e l T h e r ea r es e v e np a r t si nt h i sc o n t e n t T h ef i r s tp a r ti st h ei n t r o d u c t i o np a r to ft h ea r t i c l e T h i sp a r tp r i m a r i l yf o c u s e so n t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e p r i m a r i l yo ft h ew o r ka n ds t r u c t u r eo f a r t i c l e s T h es e c o n dp a r ti st h er o a dl i g h t i n gs t a n d a r d sa n dc o r r e s p o n d i n gi n d i c a t o r so f t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s M a i n l yi n t r o d u c e st h ev a r i o u si n d i c a t o r so fr o a dl i g h t i n ga n d i t sc o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s w h i c hi su s e di nr o a dl i g h t i n gd e s i g n 1 1 b et h i r dp a r ti sL E Dl i g h ts o u r c ec o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ll i g h ts o u r c e s a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s W i t ht h i sc o m p a r et oe x p o s i tL E Da d v a n t a g e s P a r tI Vi sL E Dl a m p sf o rr o a dl i g h t i n gr e q u i r e m e n t s L E Dl i g h ts o u r c ei s d i f f e r e n tt Ot r a d i t i o n a ll i g h tS Ot h a tt h e r ea r el o t so fd i f f e r e n c ei nt h el a m pd e s i g n b e t w e e nt h eL E D l i g h tS O u r c ea n d t r a d i t i o n a ll i g h tS O u r c e s E s p e c i a l l yc o o l i n g m e a s u r e si st h ef o c u so ft h ed e s i g n P a r tVi sa b o u tt e x t i n g T h em a i nw o r ki st ot e x tS O m eL E D l i g h t i n gf i x t u r e s I n t h i sp a r tt h ea u t h o ri st oe x p o s i tt h et e x tt h eL E Ds t r e e tl a m p si nT i a n j i nY uR i v e r R o a dt oa n dt h et e x tL E Ds t r e e tl a m pb e l o n gt oS o n g J i a n gt e c h n o l o g y I n e P a r tV Ii sL E De f f i c i e n t e c o n o m i ca n da p p l i c a b i l i t ya n a l y s i s T h e r et w Op a r t sI n t h i ss e c t i o n F i r s ti st op r o v et h ee f f i c i e n ta n de c o n o m i c s t h r o u g han e wr o a d e n e r g y s a v i n ga n de c o n o l l l i ca n a l y s i s S e c o n dp a r ti st h eL E D s t r e e tl i g h t i n g a p p l i c a b i l i t ya n a l y s i s P a r tV I Ii st os u m m e du p K E YW O R D S S t r e e tl i g h t i n gL E Dr o a dl i g h t i n gE c o n o m i c r e s e a r c hF e a s i b l er e s e a r c h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果 除了文中特别加以标泣和致谢之处外 论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果 也刁 f o 5 0 7 2 2 3 眩光限韦I J 眩光分为失能眩光和不舒适眩光 其中降低人眼视力的眩光称为失能眩光 使人产生不快之感的眩光称为不舒适眩光 眩光是影响照明质量的重要因素之一 眩光分为直射和反射两种 直射眩光是观察者在正常视觉范围内出现过亮的光源 而引起的 反射眩光是观察者在光滑表面看到光源的反射所引起的 另外一种眩 光是由于空间明度比过大出现的眩光称之为对比眩光 在道路照明中的眩光与灯具的配光 灯杆的间距和安装有关 产生眩光的主 要因素为 光源的亮度 亮度越高 眩光越显著 光源的位置 越接近视线 眩光越显著 光源的外观大小与数量 表观面积越大 光源数目越多 眩光越显著 周围的环境S R 环境亮度越暗 眼睛适应亮度越低 眩光也就越显著 2 2 4 环境比 道路照明的主要目的就是要创造一个亮的路面 并以它为背景可以看见车辆 行人 然而道路上经常会有很高高度的物体或高大的车辆等 在这种情况下这些 车辆和行人的下半部分有时没办法拿路面作为它的环境背景 还有一些靠近路边 的物体也是如此 这种情况下这些物体就更需要以道路周边为背景才能衬托被看 到 道路外面的适当照度也可以使驾驶员及早对道路外可能横穿道路这种情况进 第二章道路照明指标规范及相应技术要求 行判断 所以 对道路外边环境的适度照明有助于机动车驾驶员更有效地观察路 面情况并及时作出判断 环境比的作用是保证道路外有足够的照度能将物体展示出来 环境比的定义 是路边5 m 宽的区域中的平均亮度与道路上自路缘起算的5 m 宽区域内的平均亮 度的比值 如果道路的宽度小于1 0 m 则取道路的一半宽度进行计算 一般情况 下 S R 值不应低于0 5 2 2 5 视觉诱导性 道路照明的诱导性是一项重要的评价指标 它对交通安全和视觉舒适所起的 作用与亮度水平或眩光控制同样重要 但是诱导性不能用光度参数来衡量的 诱 导的方式分为道路设施诱导和光学诱导 前者是通过道路的辅助设施来达到诱导 作用 比如道路的中线 路缘 隔离带 分车带以及路面标线等使驾驶员明确自 身所在的位置和道路前方的走向等 后者是指通过灯杆和灯具的排列 灯具造型 灯光的颜色等方面的变化 来指示道路走向的改变或将要接近交叉路口等特殊地 带 在照明设计上 为了保证更好的诱导性 就应分别进行有针对性的考虑 对于道路设施的诱导来说 应提高路面标线及标志设施的可见度 可以通过 扩大其反光性能及其路面反光性能的差异的方法 另外 还可以采取限制纵向 平 行于路轴的方向 的入射光 大部分光射向道路的横向 与车辆行进方向垂直 的灯具或照明系统 这会有利于看清道路中线或道路边缘等诱导辅助设施 提高 光学诱导性的办法很多 比如 在设置连续照明的道路上 可通过合理选择灯具 的布置方式而获得好的诱导性 如果道路是中间设有分车带的双幅路 则可将灯 杆设在分车带中 在曲线路段上 可将灯杆设在道路外侧 在丁字形路口处 应 在道路的尽端设置灯杆等 对于通向交叉口的道路 可通过改变照明系统的方式 来提高诱导性 如通向交叉口的道路和交叉口处分别用不同的照明灯具 不同的 安装高度 不同的光源颜色等 对于相邻的道路或类别 功能不同的道路 比如 通向道路外边的停车场 加油站等服务设施的支路上可采取与主路上灯具样式 类型不同的灯具 或不同的灯具安装高度 这样 不仅在夜晚 即使在白天 也 能提供良好的诱导性 还可通过改变灯具布置方式来提高诱导性 比如 采用中 心对称位置的道路 当其接近交叉口时可改成道路两侧的对称布置 一次变化作 为一种信号 提示驾驶员正在接近交通繁忙的路口等 6 第二章道路照明指标规范及相应技术要求 2 3 道路照明分类 根据道路使用功能 城市道路照明可分为主要供机动车使用的机动车交通道 路照明和主要供非机动车与行人使用的人行道路照明两类 机动车交通道路照明 应按快速路与主干路 次干路 支路分为三级 2 4 道路照明评价指标 机动车交通道路照明应以路面平均亮度 或路面平均照度 路面亮度均匀 度和纵向均匀度 或路面照度均匀度 眩光限制 环境比和诱导性为评价指标 人行道路照明应以路面平均照度 路面最小照度和垂直照度为评价指标 2 5 机动车交通道路照明标准值 设置连续照明的机动车交通道路的照明标准值应符合表2 1 的规定 在设计道路照明时 应确保其具有良好的诱导性 对同一级道路选定照明标准值时 应考虑城市的性质和规模 中小城市可选 择本标准表2 1 中的低档值 对同一级道路选定照明标准值时 交通控制系统和道路分隔设施完善的道路 宜选择本标准表2 1 中的低档值 反之宜选择高档值 7 第二章道路照明指标规范及相应技术要求 表2 1 机动车交通道路照明标准值 4 道路 路面亮度路面照度 眩 环 别 类型平均亮总纵 平 均光限制境比 度 维持值 均匀向均均照匀度 最大 最 L d c d m 2 度 最匀度度 维 最 初始值 小 小值 最持值 小T l 值 U o 小值 E a l x 值 S R U L U v 快速1 5 2 0O 40 72 0 3 0O 41 00 5 级路 主干 路 迎宾 路 通向政 府机关和 大型公共 建筑的主 要道路 位 于市中心 或商业中 心的道路 次干0 7 5 1 0O 4O 51 0 1 50 3 51 0O 5 级路 支路0 5 0 7 5O 48 1 00 31 5 级 注 表中所列的平均照度仅适用于沥青路面 若系水泥混凝土路面 其平均照度值可相应降 低约3 0 根据本标准附录A 给出的平均亮度系数可求出相同的路面平均亮度 沥青路面和 水泥混凝土路面分别需要的平均照度 计算路面的维持平均亮度或维持平均照度时应根据光源种类 灯具防护等级和擦拭周期 按照本标准附录B 确定维护系数 表中各项数值仅适用于干燥路面 表中对每一级道路的平均亮度和平均照度给出了两档标准值 的左侧为低档值 右侧为高档值 8 第 二章道路照明指标规范及相应技术要求 2 6 交汇区照明标准值 交汇区照明宜采用照度作为评价指标 交汇区的照明标准值应符合表2 2 的 规定 表2 2 交汇区照明标准值 4 1 路面平均照度照度均匀度 眩光限制 交汇区类型 E a v 1 x 维持 U E 值 主干路与主干 路交会 主干路与次干在驾驶员观看 3 0 5 0 路交会灯具的方位角上 主干路与支路灯具在8 0 和 交会9 0 高度角方向 次干路与次干 O 4 上的光强别不得 路交会超过3 0 c d l O O O l m 2 0 3 0 次干路与支路 和l O c d 1 0 0 0 1 m 交会 支路与支路交 1 5 2 0 会 注 灯具的高度角是在现场安装使用姿态下度量 表中对每一类道路交会区的路面平均照度给出了两档标准值 的左侧为低档照度 值 右侧为高档照度值 当各级道路选取低档照度值时 相应的交会区应选取本标准表3 4 1 中的低档照度值 反之则应选取高档照度值 2 7 人行道路照明标准值 主要供行人和非机动车混合使用的商业区 居住区人行道路的照明标准值应 符合表2 3 的规定 9 第二章道路照明指标规范及相应技术要求 表2 3 人行道路照明标准值 4 路面平均照度路面最小照度最小垂直照度 夜间行人流量 区域 E a v 1 x 维持E m i n 1 x 维持E v m i n 1 x 维 区域 值值持值 商业区2 07 54 流量大的道路 居住区 l O 32 商业区1 553 流量中的道路 居住区 7 5 1 51 5 商业区1 032 流量小的道路 居住区5 l 1 注 最小垂直照度为道路中心线上距路面1 5 m 高度处 垂直于路轴的平面的两个方向 上的最小照度 机动车交通道路 N 或两侧设置的与机动车道没有分隔的非机动车道的照 明应执行机动车交通道路的照明标准 与机动车交通道路分隔的非机动车道路的 平均照度值宜为相邻机动车交通道路的照度值的1 2 机动车交通道路一侧或两侧设置的人行道路照明 当人行道与非机动车道混 用时 人行道路的平均照度值与非机动车道路相同 当人行道路与飞机动车道路 的分设时 人行道路的平均照度值宜为相邻非机动车道路的照度值的1 2 但不 得小于5 1 x 1 0 L E D5 传统光源H 的 能指标殷忧映点 第三章L E D 与传统光源对比的性能指标及优缺点 3 1 道路照明常规光源 7 1 3 1 1 荧光灯 荧光灯是一种低气压蒸汽弧光放电灯 荧光粉而发光 荧光灯通常为长 管状 两瑞各封有一个电极 灯 管内充填了低气压的汞蒸气和 少量的惰性气体 灯管内表面涂 有荧光粉 灯内的低气压汞蒸气 放电时将输入的电自E 转变为波 长为2 5 37 n m 的紫外线辐射 紫 外线辐射激发荧光粉产生了可 见光 如图3 l 荧光灯有直管型荧光灯和 蟹凑型荧光的两种 荧光灯可咀 它主要是由放电产生的紫外辐射激发 圈3 1 T 5 荧光灯 h t t p 一a l i g h t i n g c W E n t e r p n s 嚣 通过改变荧光粉的成分柬得到不同的光色 色温和显色指数 不同配方的二基色 稀土荧光粉可以得到不同的光色 其显色指数为8 0 8 5 线光谱较多 荧光灯的 发光效率较高一般可达到4 5 h n W 有的甚至达到7 0 1 m W 以上 且其表面亮度 低 可避免强烈的弦光 它的寿命较长 一般为1 5 0 0 5 0 0 0 h 有的灯管可达到 1 0 0 0 0 h 咀上 而且在使用过程中光通量的衰减和光色变化都很小 但是荧光灯 有 定的频闪效应 3 1 2 高压汞灯 荧光高压汞灯的发光原理与荧光灯相同 只是构造不同 高压汞灯的放电管 由石英玻璃制成 内充汞和少量的惰性气体 一般为氢气 咀降低启动电压和 保护电极 内管为放电管 发出紫外线 激投涂在玻璃外壳内壁的荧光物质 使 其埕出可见光 如图32 荧光高压汞灯具有以下优点 发光效率较高 一般可达5 0 h r d w 左右 j L E D5 传统 据 比 性能 标珏忧R 直 寿命较长 一般可达 6 0 0 0 h 甚至可达到1 6 0 0 0 h 以 荧光高压汞灯缺点有 光 色差 主要发绿 蓝光 3 I 3 金属卤化物灯 图3 2 高压汞灯 地m 三丝g 丑 g 连匦丝幽 金属卤化物灯在结构上与高压汞灯租相似 两种光源最主要区别在于金属卤 化物灯的电弧管中除了充入汞之外还充八 善光色的作用 如图3 3 金属卤化物灯具有以下优点 艘光效率较高 1 0 0 0 w 的钪一一 钠灯可达1 1 0 1 m w 显色性好 金属卤化物灯的显色 指数可达到8 5 多种光色类型 金属卤化物灯由 定的金属卤化物 从而提高光效 改 于其中充入的卤化物的不同其光色 也是有多种的 其色温分别由3 0 0 0 k 图3 金属卣化物灯 4 2 0 0 k 4 5 0 0 k 5 6 0 0 k 等 c n m m i nc h i n 8 o m 金属卤化物灯的缺点有 电压波动对光源的影响很大 甚至会缩短灯的寿命 3 1 4 钠灯 钠灯根据钠蒸气放电时压力的高低 把钠灯分为高压钠灯和低压钠灯 高压钠灯是利用在高压蒸气巾放电 时 辐射出可见光的特征制成的 其辐 射光的波长主要集中在人眼最灵敏的黄 绿色光范围内 因此 它的光效高 寿 命长 透雾能力强 所以是目前户外和 街道照明的首选 如图3 4 高压钠灯具有以下优点 事拳 李 图3 A 高压钠灯 i m g s r c b a i d uc o i n 第i 章L E D 统光M 能指标厦 B 发光效率高 一般可运1 0 0 1 2 0 l 耐w 长寿句 性能稳定 高压钠灯缺点有其显色性芹 低压钠灯是利用在低压钠蒸气中放电 钠原子被激发而产生主要是5 8 9 n m 的 黄色光 低压钠灯虽然透雾能力强 但显色性极差 3 1 5 无机荧光灯 无机荧光灯的放电管是一个内涂有荧光粉的玻璃球泡 管内充八汞和氢等惰 性气体 汞在放电时产生的紫外线辐射经过荧光粉转化为可见光 如图35 无机荧光灯的寿命很长 一体化 的无机荧光灯寿命大约为1 0 0 0 0 h 而采用分离式结构的Q L 灯其寿命 可咀达到6 0 0 0 0 h 阻上 无机荧光灯 没有频 J 能瞬时启动和再启动 无机荧光灯所具有的良好的光学性 能和长寿命使其特别适合于使用在 不便于维护和更换光源的场所 比 如隧道熙明 3 2L E D 发展背景和特点 9 1 1 2 3 2 1L E D 应用的发展 固3s 无极荧光灯 f w w y i c k k w a nc o r p m a l a l L E D 是发光二极管 L i g h t E m i t t i n g D i o d e L E D 的简称 也被称作发光二报管 这种半导体组件发展以来一般是作为指示灯 显示板 但目前随着技术增加 已 经能作为光源使用 它节但能够高教率地直接将电能转化为光能 而且拥有最长 达数万小时一一1 0 万小时的使用寿命 同时具备传统灯泡易碎的特点 并且比 其他光源更省电 同时拥有环保无汞 体积小 可应用在低温环境 光源具方向 性 造成光害少与色域丰富等优点 随着白光L E D 的出现与更多科技的导入 目前在家用电器及笔记本电脑的 指示灯 汽车防雾灯 室内照明等照明设备E l 渐蓬勃 L E D 的应用越来越普遍 第三章L E D 与传统光源对比的性能指标及优缺点 3 2 1 1L E D 的发明 在1 9 5 5 年时 美国无线电公司 R a d i oC o r p o r a t i o no f A m e f i c a 的R u b i n B r a t m s t e i n 发现了砷化镓 G a A s 与及其他半导体合金的红外线放射作用 而1 9 6 2 年美国通用电气公司 G E 的N i c kH o l o n y a kJ r 则开发出可见光的L E D 不过 L E D 真正的起飞是在1 9 9 0 年代白光L E D 出现后 才开始渐渐被重视 而应用 面越来越广 3 2 1 2L E D 的发光原理 L E D 是一种可以将电能转化为光能的电子零件 并同时具备二极体的特性 也就是具备一正极一负极 L E D 最特别的地方在于只有从正极通电才是会发光 故一般给予直流电时 L E D 会稳定地发光 但如果接上交流电 L E D 会呈现闪 烁的形态 闪亮的频率依据输入交流电的频率而定 L E D 的发光原理是外加电 压 让电子与电洞在半导体内结合后 将能量以光的形式释放 目前全球产业所 发展出的不同种类L E D 能够发出从红外线到蓝之间不同波长的光线 而业界也 有紫色 紫外线的L E D 近年来L E D 最吸引人的发展是在蓝光L E D 上涂上萤 光粉 将蓝光转化成白光的白光L E D 产品 L E D 之所以被称为世纪新光源 原 因在于L E D 具备点光源与固态光源的特性 能够节省能源 高耐震 寿命长 体积小响应快速 并且色彩饱和度高 3 2 1 3L E D 的应用 除了我们熟知的各种电子产品上面的L E D 指示灯外 L E D 屏幕 L E D 照明 液晶屏幕用的L E D 背光源 手机上按键的L E D 背光 新世代的O L E D 屏幕 P L E D 屏幕等等各式各样关于L E D 的应用正逐渐稳定的发展中 部份领域的L E D 应用 因为市场发展趋于成熟 普及的速度开始加快 也无形中创造出惊人的商机 目前高亮度白光L E D 光源 是目前美欧日L E D 大厂竟相研发的重点 预估 到了2 0 1 1 年后 L E D 将在一般照明市场中大规模普及 虽然亚洲在2 0 0 6 年高 亮度的生产规模占全球7 6 市估率 不过白光L E D 光源专利为日本的日亚化 N i c h i a 和T G 美国的C r e e 以及欧洲的P h i l i p sL u m i l e d s 和O s r a m 五大厂所 掌握 中游模组虽无标准规格 但仍为国际大厂包括N a t i o n a l L a m i n a r O s r a m L u m i l e d V i s h a y 所主导 美国与日本也开始积极制订照明应用器具安规及能源 标准 L E D 现阶段最大的应用是手机按键的背光源 各种电子展品的指示灯 而最 近应用在广告看板的大型L E D 屏幕 还有应用在液晶屏幕的背光源也越来越受 到瞩目 L E D 的应用面日趋广泛 预估在2 0 0 7 下半年可以看到更多L E D 产品 1 4 第互章L E D 与传统光源对比的性能指标及优缺点 的问世 而2 0 0 8 年L E D 照明产品能够进 步地下降到部份消费者能接受的程度 未来的发展端看各国政府积极应用L E D 于公共事业的速度 可望加速L E D 价格 的下滑 当消费者采用的程度也提高 届时产生的经济效益与节能效益很可观 3 214L E D 的全球市场发展 在2 0 0 5 年时 全球高亮度L E D 市场规模达5 8 亿美元 2 0 0 6 年达到6 6 亿美 元 预估2 0 11 年可增加到1 0 6 亿美元 平均年增长率 A A G R 为1 0 2 高 亮度L E D 的出货量2 0 0 5 年达到4 8 亿个 计2 0 0 6 年增加到6 5 亿个 预估2 0 11 年达到8 8 亿个 平均年增长率为1 0 3 2 0 0 5 年L E D 的基板材料销售额超过 1 0 亿美元 2 0 0 6 达到1 1 亿美元 预估2 0 11 年1 8 亿美元 平均年增长率为9 7 我国的L E D 发展最好的地区是台湾省 台湾的L E D 芯片产值是全世界排名 第一的 台湾方面在2 0 0 6 年的L E D 照明光电产值为新台币2 1 0 亿元 2 0 1 0 年 将提升到9 3 0 亿元 2 0 1 5 年更可达到5 4 0 0 亿元 在上游光源部分 台湾产量为 全球第一 2 0 0 6 年高亮度L E D 产值不含手机应用高达新台币1 5 0 亿元 台湾上 游L E D 光源产业居全球重要地位 因为在红 绿光L E D 技术上处于领先位置 下游应用台湾照明生产品质佳 价格与全球通路是优势 台湾厂商在液晶面板 L C D 的背光模组全球市估率达到4 8 故台厂藉此切入开发L E D 背光模组 也是一项优势 而车用L E D 产品也被视为重点项目之一 大陆方面 国家的在 十五 计划时就把L E D 列为大力发展的产业 在2 0 0 3 年6 月 我国由科技部 在 8 6 3 计划的支持下 在照明领域及时启动了 国家半导体照明工程 2 0 0 4 年4 月 科技部确定工作重点一一发展新型照明行业 并确定福建厦门 上海 大连和江西南昌为首批四个国家半导体照明产业基地 通过 8 6 3 计划等科技 计划的支持 我国已经初步形成从外延片生产 芯片制各 器件封装集成应用的 比较完整的产业链 3 2 2L E D 自身特点 3 2 2 1L E D 的颜色 由于随着L E D 的制造材料不同 产生出来的光子拥有的能量也不同 故业 界透过制造材料来控制L E D 发光的波长 进而产生拥有不同光谱与颜色的各种 L E D 全球第一颗L E D 采用的材料是砷 A s 化鲸 G a 工作电压为1 4 2 4 V 其发出 的光线为红外光谱 之后 业界发展出以磷 P 化镓 G a 作为L E D 的材料 工作 电压为2 2 6 1 V 发出的光为绿光 业界早期就透过这2 种型态L E D 所需的材料 调配出从红外线到绿色光范围内所有波长的L E D 产品 发展出常见的红光L E D 第三章L E D 与传统光源对比的性能指标及优缺点 黄光L E D 橙光L E D 等等 这3 大类L E D 因为使用了镓 砷 磷3 种元素 故 被称为3 元素L E D 而蓝光L E D 绿光L E D 与红外光L E D 则被称为2 元素L E D 业界后来发展出采用混合铝 砧 钙 C a 铟 I n 和氮m 共4 种元素的4 元素L E D 就能够发出所有可见光范围与部份紫外线光谱的光线 3 2 2 2L E D 的亮度 在讨论L E D 产品会看的发光度量有3 种单位 分别是照度单位勒克司 1 u x 光量单位流明 L u m e n l m 发光强度单位烛光 C a n d l ep o w e r c d 3 种 单位各自有适合使用的领域 但是在数值上是互相通用的 l e d 表示完全辐射的 物体 在白色凝固点温度下 每六十分之一平方公分面积的发光强度 适合使用 在主动发光灯具领域 如白炽灯泡 l l m 表示l c d 光照射在距离为1 厘米 面积 为1 平方厘米平面上的光通量 适合用在反射灯具与透射灯具领域 如投影机 1 l u x 表示指l l m 光量均匀分布在1 平方米面积上的照度 厂商在表示L E D 单一 产品时 其发光强度是说L E D 在2 0 m A 电流下点亮时 最佳视角上和中心位置 上发光强度最大点的发光强度 3 223L E D 的节能效益 在世界环保和节能的大氛围下 各国政府重视L E D 与节能灯具带来的经济 与社会效益 相应的各个厂商也同样看好这次照明革命 纷纷投入资金去研发和 生产L E D 相关产品 欧盟与美国国会均一开始进行阶段性禁止白炽灯泡的使用 除此之外目前加拿大宣布2 0 1 0 年将全面禁止使用白炽灯泡 包括美国加州在内 的部份州 也要在2 0 1 2 年禁止白炽灯泡的使用 澳洲则宣布在2 0 1 0 年全面禁止 贩售白炽灯泡 中国 日本也有L E D 的奖励方案在规划中 L E D 单管功率0 0 3 叫 0 6 瓦 采用直流驱动 单管驱动电压1 5 3 5 伏 电流1 5 1 8 毫安 反应速度快 可在高频操作 同样照明效果的情况下 耗 电量是白炽灯泡的八分之一 荧光灯管的二分之一 日本估计 如采用光效比荧 光灯还要高两倍的L E D 替代日本一半的白炽灯和荧光灯 每年可节约相当于6 0 亿升原油 就桥梁护栏灯为例 使用一只4 0 多瓦的T 5 日光灯和每只的功率只有 8 瓦的L E D 灯的效果是一样的 而且可以七彩变化 虽然目前市面上已经有另一种节能灯具产品省电型萤光灯 C F L 但由于 其照明品质没有达到一定要求而且启动时间较一般白炽灯泡长 而且不能调整光 源输出亮度 所以普及度仍不够高 L E D 则具备更多的节能效益 并且藉由技 术的提升 亮度已经达到让人满意的程度 但价格高昂仍是一大问题 未来随着 1 6 第i 章L E D 与传统光源对比的性能指标及优缺点 全球L E D 厂商的量产脚步加快和产业化水平的提高其价格的降低可加速L E D 灯 具的普及 3 2 2 4L E D 的寿命 一般L E D 的发光寿命很长 产品大多标明为1 0 0 0 0 0 小时以上 但事实上 L E D 的亮度是会衰减的 在运用一段时间后 亮度会衰减到原本的一半或甚至 更少 但所幸的是随着L E D 成产技术的进步 减少L E D 亮度衰减问题的方案很 多 例如 在生产过程中 选用如4 元素L E D 材料能够拥有更久的亮度衰减周 期 而厂商使用的L E D 工艺与成品究竟能耐用多久是和L E D 寿命有很大的关系 的 配色也是L E D 厂家的生产关键 L E D 的使用寿命 比起一般白炙灯泡的1 0 0 0 小时 日光灯的1 万小时 L E D 使用寿命可达5 万小时 可以大幅降低光源替换的成本 这种特性可帮助L E D 灯具在价格竞争上具有很大优势 有了将一般灯泡替换成L E D 的好理由 更可 基于L E D 的这项优势 使许多因为经济原因而不能全天开启的环境中 用L E D 照明使公共或私人空间拥有更良好的光环境 例如公共停车场等范围内应用 美 国最大零售业商沃尔玛百货 W a l M a r t 日前就已经将该公司的冷冻设备照明 改为省电的L E D 产品 L E D 较明显的缺点就是散热问题 不当的散热将导致L E D 灯具的发光强度 与使用寿命衰减 但是随着新型L E D 的研发和散热技术的开发 这个问题将得 到很大的改善 3 2 2 5L E D 发光效率高 L E D 经过几十年的技术改良 其发光效率有了较大的提升 白炽灯 卤钨灯 光效为1 2 2 4 l m w 荧光灯5 0 7 0 l I n w 钠灯9 0 1 4 0 l m w 大部分的 电能转化为热能损耗掉了 L E D 光效经改良后将达到达5 0 2 0 0 l m w 而且其 发出光的色纯度高 光谱窄 无需过滤可直接发出有色可见光 而且可以瞬时启 动 3 2 2 6 安全可靠性强 有利于环保 发热量低 无热辐射 冷光源 可以安全触摸 能精确控制光型及发光角度 光色柔和 无眩光 不含汞 钠元素等可能危害健康的物质 内置微处理系统可 以控制发光强度 调整发光方式 实现光与艺术结合 1 7 第三章L E D 与传统光源对比的性能指标及优缺点 L E D 为全固体发光体 耐震 耐冲击不易破碎 废弃物可回收 没有污染 光源体积小 可以随意组合 易开发成轻便薄短小型照明产品 也便于安装和维 护 因为它具有寿命长 启动时间短 结构牢固 节能 反应速度很快 体积小 功耗小 适合量产 高可靠度 在公共环境中使用更加安全等特点 再加上L E D 光源的生产可实现无汞化 对于环境保护和节约能源具有重要意义 3 3L E D 与传统光源性能对比 L E D 作为新一代的光源正逐渐受到研发和生产厂家的重视 相对于传统光源 它拥有诸多优点和继续发展改进的前景 下面就用一些传统光源和L E D 进行比 较来说明L E D 的优势所在 如表3 1 所示 表3 1L E D 与其他传统常见光源对比唧1 2 1 3 第五章L E D 与传统光源对比的性能指标及优缺点 普通自 炽灯 卤钨灯 荧光灯 荧光高 压汞灯 金属卤 化物灯 高压钠 灯 L E D 大小 大 较差无 差无 无 无 有 有 较大较小较好整流器有 较大较小较好 整流器有 较大抗低温好 不抗高 温 转换器无 等 最低最高 中低 中低 中高 中高 中 高 高低 由此表可以看到L E D 光源相对于传统光源来说具有寿命高 光效好 显色 性好 无启动时间 抗低温 耐震动 无频闪 节省电能 运行费用低等优点 其缺点为价格比较贵 发光效率与高压钠灯比较相对较小 运行后有一定光衰 目前市场上产品质量参差不齐等 器器器器容流辉流电整起整 好较 好小 大 较 大 大 一 较 较 镕口章道路n 明 月L E D 4 9 m 第四章道路照明适用L E D 灯具要求 L E D 光源具有很强的指向性 与传统光源的全空间发光小同 所咀在灯具设 计上也要依据L E D 本身的特点进行设计 4 1L E D 路灯灯具的结构 组成结构 L E D 路灯由铅台金压铸灯体 L E D 模块 L E D 配光光学器件 钢化玻璃透光罩 A C D C 匣流驱动器 电器室盖板六部分组成 如图4 所示 M 目 7 7 o j7 L 镕 轧 J 国4lL E D 路灯结构图示 功能结构 散热灯体 光源室 电器室三部分组成 如图4 2 所示 图4 2L E D 灯县功能结构 n v w k d i B s i d e c o m l 第四章道路照明适用L E D 灯具要求 4 2L E D 道路灯具的几种常用配光解决方案 1 5 4 2 1 V 形排列 由于L E D 的指向性很强 并且投射方向上的光通量很强 道路照明时需要 一定的纵向均匀度 所以L E D 光源是很适合 V 字型配光的灯具的 L E D 路 灯灯具通过将L E D 颗粒安装在 V 形底板上 来达到增大纵向照明区域 提 高纵向均匀度的目的 4 2 2 利用反光器的反射凹槽 反射器的反射凹槽可以有效的使光能够更好的指向性传播 每一个凹槽对应 一个L E D 光源 提高出光效率 控制出光角度和光强分布 从而达到较好的光 学分布 提高路面的照度均匀度 4 2 3 采用透镜 透镜是L E D 路灯配光经常使用的光学器件之一 利用透镜可以改变L E D 的 出光角度 来实现L E D 光线传播到需要的地方 从而实现对L E D 光源二次配光 的目的 4 2 4 采用模组定向安装 多个模组安装在一个灯具支架上 每一个模组根据需要按照不同的角度投射 从而达到对L E D 光线的有效控制 这4 种配光方式都能起到一定的配光作用 在一定程度上都能提高照度的均 匀度 但是离标准的要求还有一定差距 因此 在配光设计中可能需要几种配光 方案的综合使用 或者需要其他更好的方式来解决 2 l 第四章道路照明适用L E D 灯具要求 图4 3 蝙蝠翼 形配光曲线 1 5 0 I f l 烈 jlij7 ilIL jJj t 0 40 图4 4 经过一次配光的光强曲线 目前我们常见的主干道灯杆间距多在3 0 m 左右 要实现标准中规定的平均照 度2 0 3 0 1 x 均匀度0 4 环境比0 5 的要求 那么L E D 道路灯具的光强输出曲线 必须是 蝙蝠翼 形的 如图4 3 但是通常L E D 光源经过一次透镜输出的光强 曲线如图4 4 所示 4 3 光学设计 1 6 L E D 光学系统设计即属于非成像光学系统的设计 包括器件内的光学设计和 器件外的光学设计 器件内的光学设计涉及芯片 和封装芯片的光学透镜 因此 器件内光学设计主要影响L E D 芯片的光提取效率和出射的光能量分布 外光学 设计即指封装结构之外的光学系统设计 也称L E D 的二次光学设计 其目的是 在封装结构外增加反射或投射等结构使得空间光强分布满足实际需求 照明光学系统属于非成像光学系统 必须考虑物方空间的亮度分布 光源的 形状以及像方亮度分布特性 成像光学系统在像方一般是成一个平面像 照明光 学系统需要照亮的往往是一个立体空间 成像光学系统的物象空间有点对称的共 轭关系 故可以在视场中心和边缘选取几个抽样点 追迹光线到相应的像点 用 垂轴像差 点列图或光学传递函数对系统的成像质量进行评价 而照明光学系统 没有物象共轭关系 照明区域中任意一点的照度都是由光源上许多点发出的光能 通过照明系统分配后叠加形成的 故而无法套用成像系统的分析和评价方法 因 此一般来说照明光学系统包括 光源 光学系统 照明平面 1 光源 在照明光学系统中引入计算机模拟 光源可以用光线数量 单位立体角内 光线长度 光线方向矢量和光线与光轴的夹角来表示 2 光学系统 光学系统用来重新分配光源光通量在空间的分布 光源发出的光线通过光学 p n n P 妁 钟 孙 两 聊 蛳 第四章道路照明适用L E D 灯具要求 系统后在照明平面上产生特定分布 3 照明平面 用户对照明平面提出一定的要求 设计者通过光源的选定和光学系统的设计 来达到要求 这是一个反复比较 反复修改的过程 计算光源发出的光线通过光 学系统后在目标面上产生的照度分布 然后与用户要求的照度分布相对照 根据 比较结果来修改光学系统 在此基础上 结合计算机软件进行照明光学系统设计的基本步骤包括 根据系统的应用领域 要求来进行照明光学系统的实体建模 包括系统的发 光部分和非发光部分 模型的复杂程度取决于具体的应用 定义系统几何模型中各个面的属性 即对系统进行光学定义 包括 模型中发光部分的光线分布 光通量大小以及非发光部分各个面的反射 折 射 吸收 散射等光学属性 定义完毕后 该模型即成为实际系统的光学模型 它具有几何造型和光学属性的双重功能 对己经构造的系统光学模型进行非序列光线追迹 光线追迹完毕后 所追迹 的每条光线经过系统中各个面时的位置 行进方向等数据都可以获得 这些数据 就是进一步分析 评价的依据 对所追迹的光线进行分析 分析的方式有空间光强分布 在某一平面上的照 度分布 照度叠加分析等 在此基础上 结合计算计模拟要将灯具的光强输出曲线改造成 蝙蝠翼 形 就必须通过二次配光 甚至三次配光 以下是几种设计方案 4 3 1 利用L E D 在灯具内 V 形排列 进行二次配光 反光器辅助 三次配光 L E D 灯具设计时可利用L E D 光源的最大特点是具有定向发射光的功能 L E D 在封装时带有透镜自身实现一次配光 可按