LED道路照明若干技术瓶颈问题探讨.pdf

2 0 1 0年 2月 第 2 l 卷第 1 期 照明工程学报 ZHA0MI NG GONGCHENG XUEBAO Fe b 2 01 0 Vo I 21 No 1 L E D道路照明若干技术瓶颈 问题探讨 术 郭起宏 高京泉 贺孝田 1 深圳高力特通用电气有限公司 广东深圳5 1 8 0 2 6 2 深圳市灯光环境管理 中心 广东深圳5 1 8 0 2 6 摘要 本 文对 L E D路灯 和高压钠灯路灯 进行 比较 客观地对 L E D路灯 在能效 配光 散 热 使用寿命 色温 性价 比 维护性能等方面存在的技术瓶颈问题进行 了探讨 对 L E D路灯的发展现状给 出了客观科学的评价 关键词 L E D路灯 能效 配光 使用寿命 色温 S e v e r a l Te c h n i c a l Bo t t l e n e c k Pr o b l e m 0 f LED Ro a d wa y Li g h t i n g La n t e r n G u o Q i h o n g G a o J i n g q u a n He X i a o t i a n 1 S h e n z h e n G l i t t e r G e n e r a l E l e c t r i c C o L T D S h e n z h e n G u a n g d o n g 5 1 8 0 2 6 2 S h e n z h e n L i g h t i n g En v i r o n me n t Ma n a g e me n t C e n t e r S h e n z h e n G u a n g d o n g 5 1 8 0 2 6 Ab s t r a c t I n t hi s p a p e r we ma k e a c o mp a r i s o n b e t we e n HP S r o a d l i g h t i n g l a n t e r n a n d LED r o a d l i g h t i n g l a n t e r n a n d ma k e a i n q u i r y o b j e c t i v e l y o n t h e e n e r g y e ffic i e n c y d i s t r i b u t i o n o f l i g h t d i s s e mi n a t i o n o f h e a t w o r k i n g l i f e c o l o r t e mp e r a t u r e c o s t e f f e c t i v e ma i n t e n a n c e p e r f o r ma n c e o f LED r o a d wa y l i g h t i n g W e a l s o g i v e o u t o b j e c t i v e a n d s c i e n t i fi c a s s e s s me n t a b o u t t h e d e v e l o p me n t s t a t u s o f L E D r o a d w a y l i g h t i n g l a n t e r n Ke y wo r ds LED r o a d l i g h t i n g l a nt e r n e n e r g y e ffic i e n c y d i s t r i b u t i o n o f l i g h t s e r v i c e l i f e c o l o r t emper at ur e 1 前言 作为一种固体照明光源 L E D以其长寿命 环 保 低功耗 高光效 多光色 可调光 响应迅速 可连续开关闪断 可在安全低 电压下工作等诸多优 势 日渐朝着成 为新一代照明光源的方 向发展 从 最初的指示灯 到近几年的交通信号 大屏幕显示 景观照明 目前则越来越多的应用到道路照明和隧 道照明等功能性照明领域 但是 L E D路 灯现状并 不是 十分 乐 观 技 术 上还 存在许多瓶颈问题 和现在广泛应用的高压钠灯路 灯相 比较在许 多 方 面还存 在 差距 下 面结合 国 内外 的有关研究和笔者多年实践的体会 对 L E D路灯和 高压钠灯路灯进行 比较 从而客观地分析 L E D路灯 在能效 配光 散热 使用寿命 色温 性价 比和 维护性能等方面存在的技术瓶颈问题 2 L E D路灯 若 干瓶颈 问题 2 1 L E D 路灯 的能效 问题 我们都知道 L E D灯是一种高效节能光源 理 论光效可达 2 0 0 L m W 以上 事实上 L E D生产 工 艺还在不断改善 中 目前发光效能较低 最大效能 才能达到 I O O L m W 其发光能效还是低于高压钠灯 的能效 因此 L E D路灯 的能 效 问题 是 制约 其广 泛 国家科技支撑计划课题 城镇人居环境改善与保 障关键技术研究 项 目编号 2 0 0 6 B A J O 2 A 0 3 支持 第 2 1 卷第 1 期 郭起宏等 L E D道路照明若干技 术瓶 颈问题研究 6 5 应用 于路灯 的关键 瓶颈 问题 另 外 L E D是定 向发 光 L E D路 灯 还要 利 用 外 加的光学玻璃进行二次配光而损耗部分光通量 加 上 电源 驱动器耗 电 这就 使得 目前 L E D路 灯灯 具 综 合能效还是低于大功率高压钠灯路灯 下面分别 对 大功率路灯与小功率路灯作分析 I 大功率 2 5 0 W 路 灯 根据 高压钠 灯能耗限定值及能效等级 G B 1 9 5 7 3 2 0 0 4 对 4 0 0 W 2 5 0 W 高压钠灯来说 初始光效必须分别达 1 1 0 l m w和 1 0 0 l m w才可以使用 而 目前国内一些 优质产 品如飞利浦 欧司朗 G E等几家公司生产的 高压钠灯光效 已达 1 3 5 l m w或更高 考虑镇流器损 耗 灯具效率以及光通利用率等三个 因素 综合效 率若按 0 5 5计 则钠灯的有效光效约为 7 0 7 5 l m W 而 L E D路灯的有效光效 目前在美 国约为 6 2 l m w 国内最好 的企业 已达 5 6 5 8 l m W 因此 对大功率路灯 目前 L E D比钠灯的能效要低一些 2 小功率 1 5 0 W 路灯 钠灯的有效光效 计人 综 合效 率 0 5 5 约 为 4 5 5 5 l m w 而 L E D 路灯仍按 5 6 5 8 l m W 计 则 L E D比钠灯可实现节 能 1 0 2 0 最高可 达 3 0 因此 国内最好企业生产 的小功率 1 5 0 W L E D路 灯 用 于 支 路 时 比钠 灯 可 节 能 达 1 0 3 0 而大功率 路灯 目前 L E D 比钠灯 的 能效 要低 一 些 所以 那些笼统宣称 L E D路灯 比高压钠灯节 能 甚至可节能 5 0 6 0 等说法 显然有夸大和 炒作之嫌 但是 L E D光源在光效上还有很大的提 高潜力 因此随着 L E D生产工艺 的进一步成熟和对 L E D的研究进 一步深 入 L E D光 源 的节能 优 势将 进 一 步 凸现 2 0 0 9年 深圳市灯光环境管理 中心与深圳市科 技和信息局 深圳电子产品质量检测 中心联合组织 L E D路灯测试 经对 2 7家产品测试 发现一些优秀 企业进步很大 部分型号 L E D路灯相 比高压钠灯路 灯 已有节 能空 间 结 论 认 为 L E D路灯 应 用 的 临界 点到了 与高压钠灯 比较 1 5 0 W 或 以下 L E D已有 节能空间 2 5 0 W 逐渐逼近 4 0 0 W 或 以上产品差距 较 大 2 2 L E D路灯 的配 光 问题 灯具 的配光应 较宽 灯杆 的间距 应尽 可能 的大 而不只是点亮灯具下方的区域 同时又必须严格控 制眩光 还要考虑环境系数 对道路照明来说 光 效和配光曲线是两个重要参数 L E D光效相对高压 钠灯并无优势 能否节能主要取决于灯具的配光设 计 但是 L E D路灯企业多从 电子产 品厂商转型而 来 对配光既不 了解也不重视 因此 L E D路灯的 配光设计 也是制约其广泛应用于路灯的瓶颈问题 之一 L E D灯 具在 功能照 明上需 进行合 理的二次配 光 将这些集 中的光分散开来 L E D灯具光线发散 不开 均匀度和环境比会低 发散开 眩光会变大 均会影响交通安全 高压钠灯灯具经过几十年的实 践应 用 其产 品生产 工艺 成熟 产 品性能稳 定 各种 产品配光形式多样 能适合不同场合的需要 j 目前 L E D路灯 的配光技术 已经有 了很大发展 有些厂家已经开发出二次配光 系统 而不再是单纯 依靠芯片排列来配光 但灯具的二次配光设计复杂 配光还不能做到完全合理 满足各类不同照明设计 要求是不容易的 L E D的二次光 学元 件设计 对 L E D路灯 的配 光及 光学输出效率至关重要 蒋金波等介绍了 L E D路灯 的二 次光 学设计 方 法 即非对 称 自由曲 面二 次光 学 元件的采用可以使 L E D路灯的长方形配光直接在单 个 L E D模组上实现 整体路 灯只需要将这些 L E D 模组 阵列按 照相 同方 向排列 即 可 从 而 可 以简 化 路 灯结构 散 热及 控制 电源 的设计 从深圳的实测情况来看 单颗 1 5 W 芯片配透 镜的方 式较易 获 得 蝙蝠 翼形 的配 光 曲线 说 明该技 术有发展前景 而采用单颗多晶芯片 3 0 1 2 0 W 通过反射配光的灯具 道路纵向截面的最大光强往 往 出现在 0 方 向 而 非 6 0 左 右 很 难 获 得 蝙蝠 翼 形 的配光 曲线 同时 眩光 问 题较 难 解 决 上海 三 思公 司研 发 的新 型 L E D路 灯 于 2 0 0 9年 5月 1 4日通 过 了国家 电光 源 监 督 检 验 中 心 上 海 分 中心 的 检 验 检验 结 果 表 明 其 灯 具 光 效 为 8 5 3 1 m W 配 光 曲 线 图为 蝙蝠翼 型 这 在 同行 看 来 是一 个 非 常值 得 惊 喜 的重 要指标 数据 2 3 L E D 路灯 的散 热 问题 由于 目前 L E D芯 片发展 所处 的技 术 阶段 只 能 使输入的 3 0 左右 也有 文章说 1 5 2 5 的 电能转化为光能 7 0 6 5 8 5 的电能仍然 是以热的方式存在于芯片上 但 L E D发光效率与工 作温度成反比性能特性 每升高 1 0 就会导致光 衰 5 8 寿命减半的严重后果 6 6 照 明工程学报 2 0 1 0年 2月 L E D芯片 P N结 的热量散热不是通过辐射 而 是 通过热传 导到 L E D封 装 的散热 金属 小块 上 由于 L E D产生的热量是热传导方式散发 如何将 P N结 产生的热量及时传导出去 使得 P N结结温保持在 一 个 较低 的水 平 是 保 证 光 源 稳 定 可 靠 工 作 的 前 提 因此 目前大功率 L E D照明的一个最大商业化障碍 就 是其散热 问题 这 些 热量 需 要 一个 更 长 更 昂贵 的路 径才能 完全散 发 到 空气 中去 所 以说 L E D路 灯的散热问题成为制约其广泛应用于路灯 的关键瓶 颈 问题 之一 大功率 L E D路灯的散热片由于道路照明的应用 环境 比较恶劣 尘埃较大且金属表面腐蚀氧化等原 因 在安装初期 尚能满足需求 维持较低的工作温 度 但长期使用后 散热片之间难免积聚灰尘且散 热片高低不平无法被天然雨水冲走 必然在一定程 度上影 响灯具 内光 源 及 电器 散 热 从 而 导 致 大功 率 L E D路灯使用光效大幅下降 实际寿命的缩短 针对目前最常见 的散热方式是通过灯具结构散 热片的设计 杨军鹏总结 了散热设计的原则 使芯 片 器件 灯具结构具有低热阻 同时采用高效的 散热器能使芯片上产生的热量通畅地传到散热器上 并有效地散发到空气 中去 具体设计原则有 1 结 构层越 少越好 2 层 的厚度 越 薄越 好 3 层 的面积越 大越好 4 面积 一 定 时 长 方 形和 环形 较好 5 材料的热导系数越大越好 目前 L E D 热阻大约在 8 W 左右 随着电光转换效率的不断 提高 L E D热阻也将会继续下降 大大降低 了采用 自然散热路灯的设计难度 自然散热方式才能真正 体现出制造方便 价格低廉 性能可靠 的优势 也 必将是 未来 L E D路 灯散热 的主 流方式 另外 也 有热 管散热 热管 广 泛用 于 C P U的散 热 效率高 但需配带热管和运动介质 还需要配 合灯具结构作弯 压加工 制作和安装复杂 比较 适合集成 L E D模组光 源 中使 用 上 海三思公 司研 发的新 型 L E D路 灯 采用 大功 率 L E D照明光源单元与散热器一体的密封结构设计的 自散热和配光单元组成的具有通透型模块化结构的 照明灯具 克服 了传统结构散热 和配光设计 问题 提高了灯具寿命 发光效率及节能效果 目前已用 于多项道路照明工程 台湾万仕达研发的直接使用钛镁铝合金制成 的 散热材 料 结 合约 1 0多种不 同加 温设定 的材料 做成 灯罩 以灯罩作为唯一散热装置 不需其 它散热装 置 在户外温度 6 8度 环境下 使 L E D路灯温度维 持在 5 0度左右 S G S瑞士通用检验以及工研院认证 报告 达到节省成本 重量轻且散热效果佳 的成 效 以同 瓦数 相 比 较 其 他 家 厂 商 节 省 约 3 0 价 格 灯具本 体 的散 热 材 质 已在美 国 日本 中国 台 湾 中国大陆申请专利 2 4 L E D路灯 的光 衰 寿命 问题 高压钠灯标称寿命 目前 已经超过 2 8万小时 实 际应用包 括光 源 电器附 件 主 要是 镇 流器 触 发器 和灯具 钠灯 用于路灯平 均寿命 3 5年 节能 型电感镇 流 器 不 会低 于 2 0年 灯具 也 是 如此 这已经是市场产品的普遍水平 也是路灯业 内的共 识 而 L E D路灯的使用寿命暂无使用经验 现有 的 企业号称 5万 6万小时 尚无可靠依据 既无使 用的实践经验数据也没有实验室试验数据来支撑 虽然半导体器件 P N结在常温状态工作 时 理论寿 命可以达到 1 0 0 0 0 0小时 但 由于散热问题无法得到 完全有效的解决 从而使其实际寿命大打折扣 使 L E D路灯的光衰 寿命 问题也成为制约其广泛应 用 于路灯 的关 键瓶 颈问题之 一 现在有的商家 为了降低成本 就采用几百只 p 5的小功率 L E D 然而这种小功率的 L E D的光衰 是非常严重的 光衰至 8 0 时的寿命只有 1 0 0 0小 时 所以 作为需要长期使用 的路灯是绝对不能允 许采用这种小功率 L E D的 作为大功率 L E D 其光 衰 就要好 很多 然而 国 内不 少 厂 家也 还 是 只能 做到 1 0 0 0 0小时下降 1 0 远远不能满足使用要求 美国能 源之星 制订 的寿命要 求 分为 不低 于 3 5 0 0 0 h和 2 5 0 0 0 h两 档 主 要 原 因就 是 L E D芯 片 寿命虽然很长 元 件封装后的温度 散热等诸多因 素将直接降低寿命 作为 L E D路灯的使用寿命不能 和 L E D芯片寿命 混淆 L E D驱动电源质量直接关系到 L E D路灯的寿命 和能耗 大功率 L E D驱动电源质量不过关成为阻碍 大功率 L E D照明发展的短板 驱动器中的电子元器 件寿命问题 尤其是恒流驱动器为 了完善保护功能 提高工作 可靠性使 它具 有浪涌保 护 防冲击保护 防过热等 多项保 护 功 能 将 过 去无 条 件恒 流 供 L E D 灯改成有条件恒流 随环境温度升高 恒流值 自动 下降 防止 L E D过热及迅速老化 这些都增加 了 第 2 1 卷第 1 期 郭起宏等 L E D道路照 明若干技术瓶颈问题研究 6 7 电路的元器件数量 从 而降低了可靠性 如路灯 的 功率在 1 2 0 W 以上 驱 动 器 在 电源 设 计 上 必 需考 虑 功率因数的校正 问题 对于小功率驱动器 由于同类 负载太集中 会对 电网产生较严重 的污染 从 长远 来看供电系统也许会要求考虑功率因数的校正问题 目前市面上常用的具有功率因数校正功能的 I c 其 典型电路交流电源经桥式整流后经过 功率 因素校正 I c的调频或脉宽调整后成为稳定的电压输出 增加 电容器 元件其 寿命 可能更短 所 以整体说 目前 L E D路灯使用寿命不能和高压钠灯路灯相比拟 2 5 L E D 路灯 光源 色温 问题 高压钠灯 的色温 T c p 为 2 1 0 0 K左 右 属暖 色温 在这方 面 的一些 研 究证 明 低 于 3 0 0 0 K的 黄 光或暖 白光是 比较 适合道 路照 明的 其显 色指 数 R a 只有 2 3 2 5 而 大功率 L E D路 灯 为 了追 求 高 光 效 使 用 的色 温 大 多 在 5 0 0 0 K 6 0 0 0 K 的 白光 作 为道路照明光源 在视觉感觉上过分 阴冷 同时远 视时眼睛的观察能 力会下 降 属冷色 温 但其 R a 可 达 7 0 8 0 显 色性 好 作为 机动 车行 驶 的 快 速路 主 干 路 偏 黄 色光 的钠 灯对 看 清 前 方 9 0 1 6 0 m 左 右 距 离 路 面 状 况 效果优于 白色光 特别是在有雾多尘的空气条件下 钠灯较有优势 对于人行道 商业步行街 居住小 区等道路 L E D的显色性优于高压钠灯 分辨人 的 状况更 清晰 较有 优势 深圳的测试表明 L E D路灯色温仍集中在较高 区间 没有小于 4 5 0 0 K的报告 各企业仍需继续努 力 生产不同色温的产 品 满足市场不同需要 不 过 通过实物 观察 较低 色温的 L E D路 灯仍不理 想 除光效较低外 更严重 的是光 色有 问题 较低 色温产 品容 易 出现 黄色偏绿 的情形 感觉 很不 自 然 因此 L E D路 灯光 源 色温 问 题也 成 为 制 约其 广泛应用于路灯的瓶颈问题之一 2 6 L E D路灯 的性 价 比问题 L E D路灯 比高压钠灯贵很多是公认的 贵多少 众 说不 一 原 因也 很 复 杂 取一 个 出现 频率 较 多 的 价格 高压钠灯灯具每套约为 1 2 0 0 1 5 0 0元 目前 L E D路灯 按功率大小不同价格相差较大 大约在 4 0 0 0 8 0 0 0元 左 右 L E D 路灯 明显 太 贵 目前 L E D路灯价格是 国际品牌普通 光源路 灯的 4倍 左 右 是一般品牌普通光源路灯的 8倍左右 如前面 所述小于 1 5 0 W 的 L E D可以节能 1 0 3 0 每年 每灯节 电约 5 0 1 5 0 K Wh 在寿命期 内根本无法回 收多 花 费 的购灯 费用 只 能期 望 在未 来若 干 年 L E D价格会逐步下降 能效进一步提高 再比较其 经 济性 能 有 专家 指 出 L E D光 源路 灯虽 可 节 省 2 0 电 费 但却需要增加 5 1 0倍的灯具投资 因此大大阻碍 了 L E D照明在城市道路领域中的推广应用 特别是 高 压钠灯 也是节 能 照 明 产 品 中的 一 员 所 以急 于采 用 L E D光源更换替代高压钠灯光源 尚不是 时候 专家指出 要想与传统的 HI D光源相 比或替代传统 光 源必须 在性 价 比上 做 文 章 近几 年 来 如 果光 效 进一步提高 达到在使 用结温时 有 8 0 l m W 的水平 时 看来可以靠投资回收期 的经济分析方法就能奏 效 因此价格必将成为推广应用 中的重要 问题 相 信这些问题会在不远的将来解决 综上所述 L E D路灯 的性价 比也成为制约其广 泛应用 于路 灯 的瓶 颈 问题 之一 2 7 L E D 路灯 的维修 问题 以城 市路 灯 管理 部 门为代 表 的用户 更 关 心路 灯 的维 护性 能 事 实 上 高 压 钠 灯 的维 护 性 能 好 灯具只要擦洗 不必更换 镇流器很少更换 光源 3 5年更换一次 更换也很方便 而 L E D路灯 涉 及 L E D管 模组 含透镜等 驱 动电源装置等 发光元器件 组件损坏 维修更换也有困难 按 目 前 L E D路灯结构 芯片和灯具捆绑在一起 维护时 必须使用原厂产 品 一旦出现故 障时 只能整个灯 具进行更换 除 了高额成本外 维护的时间也要大 大延长 无法保证高的亮灯率 这对使用单位来说 是非常不利的 L E D路灯维修更换困难还在于 L E D路灯产品 性能本身离散性很大 L E D产品的升级换代速度很 快 许多接 口又没有 国标约束 随着更大功率 性 能更好 的 L E D芯 片的 出现 一 般 厂 家很 难 保证 在 1 年或若干年后是否还会生产现有的产 品 届时产 品 的备品就成为运行维护部门棘手的问题 目前各 生产 厂 家 的驱 动 电路方 式 有 恒 流 恒 压 等 以恒压驱动 电路为例 大多采用开关 电源方案 由于各家使用的开关电源 电压均不尽相同 这使得 使用单位将来在维修电源方面面临标准不一 2 0 0 8年 1 1月 2 9日中国照明学会室外照明专业 委员会及交通运输照明和光信号专业委员会及 中国 照明网在广州市举行 的 大功率 L E D路灯应 用现 6 8 照明工程学报 2 0 1 0年 2月 状 辩论会上 广州市及上海市路灯处都建议 L E D 路灯的电源驱动电路应该标准化 以利使用者维修 因此 L E D路灯的维修也成为制约其广泛应用 于路灯 的瓶颈 问题之 一 3 结束语 综合上述分析可知 作为新兴产品的 L E D路灯 由于配光设计 散热 色温 维护 性价 比等方面 的不足限制了其大规模的应用 目前要取代传统高 压钠灯作为路灯照明还不是时候 所以在建设部颁 发的 十一五 城市绿色照明工程规划纲要 城 市道路照明专业委员会 贯彻 十一五 城市绿色 照明工程规划纲要实施细则 等政策性文件里 明确 路灯 节能光 源还是 以高压 钠灯为 主 随着世 界范 围内 L E D技术 的不 断发 展 各 产 商 将逐渐熟悉理解 L E D的特性 理解路灯照明的各种 需求 散热问题的不断解决 大功率 L E D光源光效 不断提高 我们期待着 L E D路灯在各项指标 中达到 并超过传统路灯 随着 L E D照明技术 日趋成熟 城 市道路照明 L E D路灯替换传统高压钠灯将成为现实 参 考 文 献 1 吴春海 评测报告 L E D路灯测试分析评价与应用对 策 J 照明工程 师社 区 2 0 0 9 0 6 2 刘磊实 冀 晓健 L E D光源 在 城市 道路 功 能照 明 中的 试验与分析 J 照 明工程 学 报 2 0 0 8 1 9 4 8 5 9O 3 蒋金波 杜雪 李荣彬 L E D路灯透镜的二次光学设计 介绍 J 照 明工程学报 2 0 0 8 2 9 4 5 9 6 4 4 杨军鹏 L E D道路灯具 设计探讨 J 中国照明 电器 2 0 0 9 4 2 2 2 7 5 李秋红 L E D光源在道 路照 明中应 用的功效 分析 J 中国市政工程 2 0 0 9 2 5 2 5 3 6 章海骢 L E D成 为道 路 街 路 照 明 用光 源 的几 点 看 法 J 2 0 0 8中国半导体 照明应用 技术论 文集 2 0 0 8 7 5 8