LED路灯现状与技术发展路线.doc

LED 路灯现状与技术发展路线谨以此篇送给奋斗在LED 推广应用第一线的工程师和老板们！一、概述LED 路灯如何节能，实施应用有多么多么大的经济和社会效益，这里不作讨论，任何缺乏实际基础支撑的东西，谈论没多大意义，出于商业炒作需要则另当别论。下面从另一个角度看LED 路灯现状，也许对广大战斗在LED 路灯技术和推广的同仁带来有益的帮助，至少可以更全面地去考量这个问题，清醒认识LED 路灯现状、认识LED 路灯技术发展路线该往哪里去，使LED 路灯的推广应用少走一些弯路，特别是在LED 路灯没有形成统一标准前（广东出了个地方标准），这个显得尤为重要。许多企业都看好这个朝阳产业的发展空间，近2年一哄而上的诸多企业，在还不甚了解半导体道路照明制作的特点情况下，模拟、仿造、沿着现今的常规照明路灯形状制作，一时间“百家争鸣，百花齐放”的产品纷纷推向市场。经过这两年上路实验情况的检验，大部分的产品均存在不同程度的问题。二、决策做LED 路灯前应清醒考虑的问题在决策做LED 路灯前，必须清醒认识到，LED 路灯推广是否成功，有技术方面的因素，也有市场、社会方面的一些因素，基础技术不到位的风险、市场推广的风险等等，作为决策者，必须有清醒的认识。1、LED 路灯光效量产小于90lm/W 光效的LED 用于道路灯具意味着巨大的投资风险及漫长的投资回报期，大家梦想的“合同能源管理模式”在中国操作起来还鲜有成功的案例。诸多企业一致宣传的是如何如何节能，甚至有“节能80%”的，是否真的这么节能呢? 目前商用最好的LED 光源的光通量和光效，根据Cree 提供的资料，Q4级LED 光效标称可达100 lm/W ，实际上，103.5lm 时实际耗能1.155W，即光效实为89.3%，取值90。设电源效率，包括线路损耗为87，光利用率为96%，有：Q4级LED：L =（103.5lm/1.155W）87%95% = 75 lm/W（保修期一年，理论寿命50000h 、相当于12.5 年）：功率流明lm 灯具光效lm/W 28W 2100 75 56W 4200 75 112W 8400 75 168W 12600 75 紧凑型荧光灯（节能灯）的光通量lm/ 光效lm/W( 保修期一年，寿命10000h 、相当于2.5 年-浙江阳光产品样本数据)：功率流明lm 灯具光效lm/W 25W 800 53 20W 1200 60 25W 1550 62 高光效高压钠灯光源的光通量lm/ 光效lm/W( 保修期一年，寿命24000h 、相当于6年上海亚明产品样本数据)：功率流明lm 灯具光效lm/W 28W 6500 93 10W 10400 104 150W 16800 112 250W 32000 128 400W 55000 138 600W 90000 150 按此数据推算：要达到城市道路照明用主流高压钠灯光源的光通量150W 对应的LED 光源将是224W/16800lm、250W 对应的LED 光源将是426W/32000lm、400W 对应的LED 光源将是733W/55000lm！现有的LED 光源制造技术能做到吗？不知LED 路灯标称的光效90%是如何检测来的（混淆成LED 的光效了）？与常规路灯一样有同样的反光器、透光罩(要达到IP65的防护等级是必须要有)，LED 路灯只是由单个1W（目前最可靠商用的LED 功力）集成起来的，自身也带有小型反光器或透镜，用在灯具中如何突显“神奇”的光效呢？LED 路灯样本中标称驱动电源的功耗为光源功率的18%，而高压钠灯中镇流器的功耗仅为光源功率10%以内（国家标准），到底哪个节能？生产商向老百姓宣传推广使用节能灯时通常是说：要得到同样的光通量、节能灯的功率与钨丝白枳灯相比较来说很小很小，这样对比宣传很形象、很节能，老大妈一听就能明白啦！不知“LED 路灯节能80%”的论断从何而来？看到这里，也许你会说：LED 的发光不同于常规路灯，LED 器件具有明显的光的指向性，光只向角度发散，而高压钠灯的发光空间占据了整个空间，如果没有灯壳，光源的上半空间光线全部浪费。好，承认这一点，就基于这一出发点分析说明：以高压钠灯光源150W 为例，高压钠灯150W 的光通量折半为8400lm ，对应的LED 光源将是112W ，于是：（150112）11234。结论：LED 路灯节能34% 也许你还会说，根据明暗视觉函数修正2.5 倍，于是有：34X2.585，从而得出“LED 路灯节能80%”的结论啊，原来是这样来的。但，这是没有考虑高压钠灯反射光等其它因素的呢，明暗视觉函数修正2.5 倍的依据从哪来呢？它是否经得起推敲？下一节就来讨论这个问题。2、“明暗视觉函数修正2.5倍”是否经得起推敲？翻开任何一本色度学、光度学或电光源、照明电气类的教科书，明暗视觉函数（光谱光效函数）的概念恐怕连小学生都能看懂，说的是人类眼睛中有二种感光细胞：柱状细胞和锥状细胞，前者灵敏度高，能感受极其微弱的光线；后者灵敏度低，但能很好地区分颜色，它们对于不同的波长的光，灵敏度各不相同。为统一电光源和灯具的光学参数测量标准，1942年国际照明委员会（CIE）公布了人眼睛在明暗不同情况下的灵敏度函数（明视觉函数：主要是锥状细胞起作用，亮度在3坎得拉/平方米，波长峰值在555毫微米；暗视觉函数：主要是柱状细胞起作用，亮度在0.03坎得拉/平方米，波长峰值在507毫微米），又称为明暗视觉函数，在现代光学测量仪器（照度计和分布光度计）中光电探测器的光谱灵敏度早就通过了光学手段都能很好地匹配人眼的灵敏度函数，在380-780毫微米的可见光范围内对电光源和灯具产品进行光学参数的准确测量（光通量、光效、显色指数、相对色温和配光曲线）。其实，明暗视觉函数主要指在不同环境亮度下人眼的灵敏度函数，于是就有人提出来：“现代光度学、色度学及电光源测量学的基础都是明视觉环境下的测量结果，而道路照明实际应用的场合是中间视觉函数（介于明暗视觉函数之间），所以，电光源的光度学测量结果全是错误的，要进行修正！即LED 路灯的测量结果在中间视觉情况下要修正2.5倍，所以在中间视觉函数条件下LED 路灯节电40%！”，也有人说：“高速公路道路照明是暗视觉环境，城市道路照明是中间视觉环境”等等，经反复查询其论断的依据，原来竟是美国某位学者有关道路照明里有关中间视觉环境下心理评价论文中的观点。中间视觉函数的争论已经有N 个年头了，众说纷纭，至今并没有被CIE 接受，虽然LED 光源在光参数测量和心理评价方面存在不少疑问，但是科学家目前并没有找到比原先理论更合乎逻辑、统一的评价测量方法。某知名教授利用中间视觉函数的概念有意贬低HID 光源的低成本、高光效的事实优势已经不是第一次了，如当年为推广无极灯，就故意将无极灯的光效在中间视觉函数下说成有246lm/W! 依据仍然也是美国某位学者有关道路照明里有关中间视觉环境下心理评价的论文！综观中间视觉函数方面的论文，学者们提出了不少人眼心理评价的模型，但是都有缺陷，很难作为CIE 在LED 光源方面的测量标准进行统一推广，作为学术论文无可厚非，但是如果作为唯一宣传推广使用的理由就让人留有话柄啦！毕竟，老师“LED 科学”的理论也要能经得起学生们小小的推敲啊！事实上，任何一种电光源发明出来到大面积推广使用都需要很长一段时间的产业商业化进程，其推广使用的主要障碍是产品价格，而不是寿命！如节能灯、高压钠灯和金卤灯在中国大面积推广使用代替钨丝灯、汞灯已经有超过20个年头了，高光效节能是它们主要的卖点。现在采用光电探测器模拟人眼的光谱灵敏度已经很容易，光度、色度测量仪器在浙江大学已经做得很先进啦！大家普遍采用的分布光度计测量计算灯具（光源）的光效、配光曲线事实上是只能在暗视觉环境下测量、而不可能在明视觉环境下测量，看看国家标准就明白啦！中国在照明行业的国家标准基本上是参照采用CIE 等国际标准，行业内的学者、专家都有义务在企业宣贯国家标准，而不应该在无极灯、LED 路灯等方面混淆基本概念、误导公众啊！3、满足道路照明设计标准要求的现状常规设计的150W 以下LED 路灯用于双向四车道以上的城市道路照明还很难达到中国城市道路照明标准里的硬指标，散热问题将一直是困扰大功力LED 路灯的核心，短期内比二次光学设计将更难以解决，中小企业投入过多的精力自行开发将要付出高昂的代价。选择5W以下的LED标准化模块作为景观型路灯的光源来设计是较为明智的，成本也会降低很多，30-60WLED 模组随着其标准化程度越来越高、将作为150W 以下城市步道灯具可替代HID 的光源。路灯设计中一定要发挥LED 的优势如方向性好、体积小、无级调光容易实现智能化等等，任何忽略道路灯具眩光及维修便捷性问题的LED 路灯产品将会遭遇路灯处的“无情抵制”。LED 路灯不容易在短期内大面积推广使用，不仅仅是成本太高的问题，LED 路灯首先是要满足道路照明的功能性需要，其次还要满足城市道路照明总体景观性规划的要求，任何片面性的开发将可能是“无功而返”。4、LED 路灯的市场究竟在哪里？LED 路灯应用基本都是政府工程，一旦听说哪里有LED 路灯工程的招投标，就会有至少30家以上的企业蜂拥而至，就跟中国股市里头打新股“赌博”的高涨热情差不多啊！其竞争的“惨烈”程度真让人“不寒而栗”呀，有1/3以上是注册资金1000万以上的有芯片封装能力的大企业正规军投标团队；1/3是专门做LED 路灯组装的下游中小企业，基本上是助阵的投标选手；还有1/3不到的是传统路灯制造企业也来凑个热闹、混个脸熟吧！前二类企业都是新进入道路照明行业的新企业，压根儿就没有照明工程或则经销商的成熟渠道来销售LED 路灯。每家企业其实都是有点“关系”才会去投标的，产品之间价格甚至相差一倍以上，谁能中标呢？LED 路灯的现在连个评价的标准都没有怎么评呀？那就只能比比谁财大气粗咯！比比关系啰！再看大家投标的LED 路灯样品，造型像是同一个人设计的，雷同的很多，难有让人眼睛一亮的LED 路灯产品，它们不但忽视了道路灯具的基本功能性安装、维修的要求，更没有想到在城市规划中领导对路灯景观性审美的苛刻要求。哈哈！LED 路灯造型大家相互仿冒，LED 小颗粒的进货渠道基本一样，你用Cree 的，我的也是，有什么不同？天底下真有这么又简单又发财、不需要花费任何产品设计精力、轻易Copy 的路灯产品吗？所以，必然是LED 路灯价格的恶性竞争！所谓“十城万盏”LED 路灯推广拉动内需的计划，难道就没有“节能减排”的考核指标？LED 路灯的最大客户路灯处为何是要保持沉默？还是现阶段LED 路灯质量还不太过关他们根本没办法推广呀？在试探呀？说到LED 在节能、光色方面的优势，同样是暖白光，为何不采用Philips、Ge 等已经在大规模市场推广的CHM 陶瓷金卤灯（寿命15000h、光效在90lm/W、显色指数80以上）？LED 路灯的“疯狂”投资近期是否是吹大了城市道路照明内需的泡沫？是多了一个“上市”炒作的题材。对这么一个“乌托邦”的市场（高度垄断）行业为何如此青睐？慎重哦？LED 路灯冲动式的投资将是一场噩梦的开始！对于大企业而言，对新兴行业进行风险投资砸上几千万即使失败了也没什么大不了的，股市里有的是银子呀！而对于大多数中小企业而言，LED 路灯的风险可是连接着一家人的幸福与性命忧关的大事，还有大量任劳任怨工程师的前途与命运；你要知道：很多工程师就是在你老板的鼓动下才决定将LED 路灯作为毕生追求发财的目标呀！你要是走进了“死胡同”？方向都搞错了、大家即使再努力有啥用哈？结果不就惨透了嘛！LED路灯推广使用的主要障碍是产品价格，三年前就有企业在鼓捣LED路灯，但令人沮丧的是三年来LED 光源技术进步并不大，大家心存疑问的LED 致命缺陷并没有得到解决。但是有人却不以为然的说，要从发展的眼光来看LED 光源的潜力，但是大家不要忘了：LED 光源在中国企业并没有多少关键技术专利！中国大部分灯具企业的财务现状也并不乐观，工程师们能等到老板发财的那一天吗？三、大功率LED 路灯技术问题具体表现在那里？1、由于对LED 光源工作条件的要求不甚了解造成光衰减严重甚至于死灯。2、对道路照明要求感悟不足，科学性点光源光学配光难点及对色温在道路照明中的重要性忽略，易造成眩光，斑马效应和在空气污染严重，下雨有雾天气的环境中，造成灯亮地面不够亮的现象。3、对保证LED 工作条件和对电源技术性的认知程度不足，造成产品在电源上的故障层出不穷。4、对当今LED 路灯实用性道路的应用概念不清，盲目的与大功率气体放电灯“媲美”不计成本的制作超大功率LED 路灯，造成不切合实际的价格昂贵的路灯产品难以推广。5、对道路照明要求模糊，实际使用维护的欠考虑，造成直接使用业主的抵制。四、技术发展路线与对策1、了解LED 的特性如果连自己要应用的核心LED 基本的知识都不清楚，这里我劝你不要再玩下去了，免得害了老板又害了自己。必须很清楚大功率白光LED 的结温TJ 与寿命的关系（在亮度衰减70时）、结温TJ 与出光率的关系，在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax，实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax，即TJTJmax。2、导热散热处理温度的控制，即导热散热设计对产品性能有直接影响的重要性。特别值得一提的是，首先对散热材料的热传导系数、热阻（包括LED 的）以及热平衡速度设计要求有足够的重视度，由于光源的热得不到有效的处理是引起光衰减严重的重要原因之一。导热散热设计循着热传导方向从LED 的选择开始，现在许多生产厂家大功率LED 的热沉散热壳体应用基本采用不同的合金铝材料，其导热系数不一，一些材料的散热速率难以满足LED 工作条件。不可忽略铝基板及导热硅胶，硅脂材料的导热环节，使用材料的实际寿命质量等，这都将直接影响LED 的工作散热条件。如何减少中间环节，直接与热沉散热近距离接触将热量快速达到平衡的有效散热，是现今高质量的LED 灯具产品开发需考虑的方向。增加散热面保证散热效果固然是办法之一，在这个基础上，还必须考虑解决不同方向的风和雨的自然冲刷可易性和清除灰尘的粘敷性的问题，保证了热沉壳体的散热效果不受恶劣环境的影响。具体如何进行导热散热设计，请参看本人另外专辑LED 照明产品导热散热设计（基础篇）和LED 照明产品导热散热设计（设计应用篇）。3、加强对路灯应用要求和相关标准的认识，不跟风从国内现有参与制作LED 路灯的企业厂家来看，大部分是没有制作过路灯，对路灯制作的技术具体要求较模糊，互相参照模仿，以常规传统“蛇头”形状制作具多。当今LED 路灯矩形状的重量与风阻影响着路灯的改造安装，在光学配光和维护要求上与其常规气体放电灯灯具相比难度较大，特别是直接的使用方业主反应强烈，给应用推广带来了困难。我从国家电光源检测中心得到的相关信息，在诸多厂家送检产品中就在IP 防护这一项目上，绝大多数存在问题，而且意识不到问题的所在，认为我们的产品在水里都浸泡过也没有问题，怎么到检测中心就出问题？相信也有些产品在使用一段时间暴露出光源腔体存有水气。我看到许多厂家在检测中心排队送检的产品，感到心痛，很多弯路是可以避免的。在灯体密封结构上，在密封圈的材料选用上,飞利浦的灯具在这方面就做了专门的研究。在路灯造型结构设计上，不要跟着传统路灯的模样走。路灯的功能是要达到道路照明的要求，可以发挥LED 光源的任意组合强项，可制作成“变形金刚”的特点，能真正做到“白天观景，夜晚观灯”的城市景观效果。道路照明要求的是；一定的照度和路面均匀度与平均照度，常规照明灯具反射器的缺憾在路面平均照度上难以达到标准要求。在灯具出光效率的有效利用上，传统路灯的效率标准应70为合格，但实际上有一部分溢散光不能准确地控制在照射面上并且无法利用，造成光污染，有效利用率约50%，而LED 方向性特点，可有效地改善这一点。从当今大功率LED 路灯点光源及光效的特点来看，要满足道路照明的要求，必须要把有效的光强利用到有效的照明范围，道路照明的灯杆间距基本在3040m，要保证道路的平均照度要求，其点光源LED 灯具配光要使得路面没有斑马效应，需进行相应的二次光学系统配套设计。4、二次光学系统配套设计高质量的大功率LED 路灯用模块化配套的二次光学系统可以有效控制路灯照明的平均照度，10米高时为34米12米近似矩形光斑，光斑形状与均匀度均能满足道路照明要求。只要LED 路灯二次光学设计合理，投向目标照射面的有效光通量和传统路灯基本接近。目前LED 路灯的配光技术已经有了很大的发展，有些厂家已经开发出良好的二次配光系统，而不再是单纯依靠光源排列来配光，但综合看，配光还不能做到完全合理，有些在道路内侧的配光较亮，均匀度也能满足要求，但人行道侧环境光的亮度明显不足，SR 值明显不符合要求，还是厂家设计人员对道路照明标准的要求理解不够。5、维护问题当今LED 路灯在产品规格方面缺少统一的技术标准，目前还没有统一的LED 路灯生产技术标准，每个厂家按自己的标准生产自己的产品，彼此间是很难通用的，另外LED 路灯生产厂家的灯具自成体系，光源电器组装和灯具捆绑在一起，各自不同的工作特性难以维护，维护时必须使用原厂产品。而高压钠灯由于技术标准的统一，灯具、光源、电器方面通用性较强，不同厂家之间的产品可以互用，从维护角度考虑，这是非常重要，而维护对于路灯管理单位来说则又是重中之重，只有这样才可以及时对故障路灯进行维护，保证完好的亮灯