LED在太阳能照明中的应用(2).doc

LED之太阳能照明应用浅析 麻树礼 周连安北京昌日新能源科技有限公司 北京昌区水库路东 邮编：10020摘要：太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其无可比拟的优势得到迅速的推广应用。LED作为第四代新光源，在城市亮化美化、道路照明、庭院照明、室内照明以及其他各领域的照明和应用中得到了有效的利用。尤其是在偏远无电地区，太阳能LED照明灯具更具有广泛的应用前景。关键词： 太阳能 LED照明 散热 驱动 光学设计简述：（一）、LED太阳能路灯技术简介（1）太阳能LED照明系统经济分析（2）太阳能LED灯的发展现状及发展前景（二）、LED路灯技术的三个关键环节（1）光学设计环节（2）散热设计环节（3）LED路灯的驱动电源环节一、太阳能LED照明系统的经济分析：我们根据2007年大型国家项目与各地区政府采购中标参数价格列出一个表格，命名为太阳能LED灯参照价与市场比例，这个表格能够清晰的反应目前太阳能LED照明系统的应用情况。LED功率 太阳能电池功率 蓄电池容量 价格（） 应用范围 占有率% 15W 60W DC12V80AH 50W 200W 250AH 16500元 路灯 5 目前影响太阳能LED路灯推广的主要一个问题是成本高。与会的专家、同行们都知道，太阳能LED照明系统最起码要保证正确的要求，如前所述，一个是保证八小时，再一个就是阴雨天的正常工作，保质是三年，而且光衰每年是10%，按照我们的基本要求是光通量小于30%。那么要保证它基本执行的配置呢，根据理论和实践大量的资料，总结的经验就是，在北方地区是1：4，在西藏青海地区是1：3，就是说功率和电池有关系的。光源功率决定了太阳能的系统架构。比如说像我们典型的这个配置，只有这个配置才能满足五个阴雨天和每天八小时，所以灯具功率和电池板基本上都是1：4。这都是招标直接打出来的，所以我们能看出来太阳能的电源供应成本每瓦是在320346元人民币，因此这15W的价钱是每一套48005200元（0708年北京市基本招标的价钱）。如上所述，降低成本的方法只有三种途径。第一个途径是最佳化设计提高效率。第二个途径是改变配置降低成本。第三是提高光效减少功率。08年国内常用的规格就是35W。我个人认为大于50W以上的太阳能LED路灯应用价值不太高，因为它的性价比不好。二、太阳能LED灯的发展现状及发展前景：太阳能LED照明涉及光伏、LED、蓄电池、智能控制等多个领域，目前的主要应用产品是太阳能路灯、庭院灯、太阳能黑光杀虫灯、太阳能交通信号灯、建筑一体化光伏产品等，由于它们的美学价值和价格优势得到了越来越多的人的青睐。目前已经存在的太阳能系统有太阳能户外照明系统、并网发电系统、风光互补系统、太阳能电信系统。对于城市的太阳能应用，可以重点发展以下几项应用：广场景观并网系统提供照明用电、遮雨并网型太阳能公交车站、太阳能停车场等。根据2007-2008年各种国际照明灯具展览会产品调查结果显示，国外具有产业化、高性价比、有推广价值的太阳能LED极少，只有德国、美国、马来西亚等不到十家展出，部分还是国内企业OEM生产。有些国外产品虽然设计先进，采用热管散热、多翼片密集型散热等先进技术，只考虑恒流、配光、散热等功能，没有考虑防风沙、蚊虫、灯杆承重、性价比等问题，不适用于国内应用环境。相同功率价格高于国内价格2-3倍。几乎没有推广1000套以上的应用实例。国内太阳能LED灯具发展迅速，它是光机电一体化的高科技集成产品，并不是简单的组合。太阳能系统蓄电池电压每天由10.8V上升到13.6V不断变化，电压上升引起电流急剧增加。如无良好的散热设计及恒流控制，在短时间内（3-5个月）有可能光衰达到80%。2008年起开始采用功率LED做光源，在设计、制作中重点解决LED光衰、配光、恒流控制、散热灯影响寿命的技术问题。目前国内较专业的企业已基本解决寿命问题。有30%的灯具带有二次配光设计，较好的改善了道路照明均匀度。截止到2008年10月，初步统计，全国总计安装太阳能LED功能性照明灯具5万只以上，经北京地区三年内就安装了4万只以上，早期产品光衰严重。采用1W大功率LED光源的由于热量分散，使用效果较好。采用10-30W组件为光源的，热量集中、光衰明显较大。许多技术问题亟待解决。2007年5月北京市起草了地方标准太阳能光伏室外照明装置技术规范标准号DB11/T542-2008，已于2008年5月1日起执行，同时也作为北京市08年政府采购太阳能LED路灯招标技术条件。那未来太阳能LED照明的国内外市场前景如何？国内太阳能LED照明制造商目前面临着哪些问题？ 根据拓扑产业研究所（Topology Research Institute）的报告指出，虽然LED路灯尚未平民化，还无法普及，但新兴国家的路灯需求量大增，在全球厂商的积极努力下，2009年将是LED路灯快速发展成长的一年，全球出货规模可从2008年的90my万盏急速攀升至2009年的210万盏，据估计2010年更可达到440万盏。在全球2009年210万盏的增加量中，中国所占量会达到50%。我们相信半导体照明产业具有充分潜力的同时，除寄希望于LED发光效率的不断提高，还应充分从理论到实践扎扎实实的掌握好LED路灯的光学、散热、驱动等关键技术，并认真做好试验和推广应用工作。三、光学设计环节：一般功率LED都带透镜，所以灯具的光学设计又称为二次光学设计。就每个LED单元来说，二次光学设计可根据路灯照明要求采用反射镜、折射透镜进行配光。也有的是利用LED路灯多光源的特点对安装面角度调节进行简单的调整，简单的说，LED路灯光源由于是朗伯体分布，二次配光较传统光源如高压钠灯或金卤灯路灯配光容易，配光后达到的效果也好，均匀度也可小幅度提升，还减少了无谓的光损失，增加到达路面的光通量。一般而言，希望二次配光后能够实现宽角度的“蝙蝠翼”配光。当然，如果在功率LED封装时直接在一次透镜上完成这种设计，则无需进行二次配光，但目前来说这种一二次合一的透镜设计效果均不是特别理想。根据我们的经验，这种一二次透镜合一的功率型LED欧司朗做的较好，可过回流焊。我们公司目前也有采用这种合一透镜功率LED的产品设计，但效果不如采用自由曲面二次透镜的效果好。 总之，二次配光的设计原则是在考虑达到路面指标的情况下，尽可能的增加灯杆之间的距离，进而减少灯的数目，从而降低安装LED路灯的总成本。二次光学设计是LED路灯设计第一步，二次光学设计的好坏直接决定灯具照明效果。四、采用自由曲面设计方法实现LED路灯矩形配光目前，也有很多厂商提出LED路灯配光呈现矩形分布，即通常所说的“光毯”效果。采用机械式配光或采用自由曲面二次透镜配光方式均能很好的实现矩形配光。主要设计方法是采用非成像光学的设计方法。与传统的成像光学不同，非成像光学(Nonimaging Optics)并不试图在目标面上构建清晰的光源像，而是试图在光源与目标面间找到一种经过优化的光线传递路径。非成像光学主要用于解决光线收集(Concentration)和照明(lumination)两类问题。特定地，在解决照明问题时，如果从光线追迹的角度看，可以发现光源与照明目标面上的点并不存在一一对应的关系，相反，扩展光源上的每一个点可能都与整个照明目标面相对应，形成类似“柯拉照明”的多重照明模式，最终实现目标面的特定照度分布(最简单的情况为均匀照明)。基于非成像光学理论的照明系统，主要包括CPC、自由曲面等照明系统。所谓自由曲面，是指这样一类光学面，它们不像传统成像光学面那样具有精确的表达式和对称轴，整个面型完全由面上的离散点定义并拟合而成。通过一个或者多个自由曲面的配合，基于光学扩展量守恒原理，则由光源发出的光学与照明目标面上希望的光强分布进行匹配，自由曲面的设计方法有很多，最为常用的自由曲面设计方法包括两种：数值优化法(Numerical Optimization Method)和直接法(DirectMethod )，其中直接法又包括SMS法(Simultaneous Multiple Surface ) 、M-A等式法(Monge-Ampere Type Equation)，剪切法(Tailored Lens ) 等。除了自由曲面透镜设计方法外，还有一些其他的方法实现均匀矩形光斑，如复眼透镜阵列照明系统。具体系统由准直系统和复眼透镜两部分组成，LED发出的光线经准直系统调制成平行系统主光轴的平行光，再经复眼透镜以一定的角度发散出去。准直系统由反射器和中央准直透镜两部分组成，复眼透镜的每个面元内面为平面，向外一面为非球面，边缘形状为矩形。五、散热设计环节LED器件的发光效率和寿命与其工作时的结温有密切关系。对于给定功率的LED来说，结温上升带来的是效率的下降和寿命的缩短。因此散热是 LED 路灯要重点解决的问题。LED 是冷光源，不象白炽灯那样产生灼热的高温，但是， LED 本身耐温能力比较差，所以必须将发光管工作时产生的热量有效地散发到空气中去，保证芯片工作在安全的温度环境下， 这样 LED 灯才能真正的体现出长寿命的优势。 由于发光管生产技术的进步，大功率发光管内部的热阻越来越低，目前 1W 的发光管的热阻普遍在 15/W 以下，也就是说，给 1W 的发光管加 1W的电功率，管芯比管壳的温度只高 15。按照目前发光管管芯材料的耐温水平，管芯温度不超过150就能长期安全的工作。这样推算，外壳温度135时可以安全使用。但是，由于外壳封装材料的限制，实际使用中的管壳温度最好不超过 70，这样管芯温度只有 85，发光管的透明封装材料也不会快速老化。因此，没有必要将半导体灯工作时的温度降得很低，但必须减小发光管外壳和灯体外壳之间的热阻，这样就可以以比较小的体积和比较低的成本生产稳定工作的半导体灯。LED路灯散热设计总的思路就是要热通道中的过程尽可能短，热阻又尽可能小，使热尽快的导出，然后散出去，以使器件的结温上升值尽可能小。 目前，LED散热方式主要分为主动式散热和被动式散热。主动散热方式主要采用热管传热，将热量迅速导出至壳体。主要应用与100W以上LED路灯，热管中尤以回路热管导热效率最高。它不像单管热管那样因重力因素造成放置位置对导热效率有影响，成本较低，是最适合采用的技术。被动式散热是采用不同形状的AA6063铝散热片，通过LED芯片与散热片的密合连接进行散热。 散热分析的方法可采用热阻计算法和有限元法分析瞬态热流。六、LED路灯的驱动电源环节 由于LED是电流控制器件，所以应该用恒流电源驱动。LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。 目前市面上的驱动电源主要有两种：一种是单级的直流恒流驱动，比较简单，效率可接近90%。另一种是标准的AC/DC开关电源和DC/DC恒流驱动电路串联驱动。只要选用质量较好元器件，就可以做出效率达到90%以上的恒流驱动电源。 在驱动电源中还应具有防浪涌保护电路。 在制成LED灯后，还应按国家半导体照明工程研发及产业联盟于2008年9月开始实施的推荐性技术规范LB/T001-2008整体式LED路灯的测量方法，进行基本的电性能、电流谐波测量、电磁兼容试验、光通量和光效测量、光强分布和光束角测量、颜色测量、光通量温度特性曲线测试、最高允许环境温度试验和寿命、发光维持特性试验。 参考文献【1】. Juan, C. J. and Tsai, M. J., “An Area Look-Up-Table Based Controller for Improving Performance of Luminanceon Lighting Passive Matrix Organic Light Emitting Diodes Panels,” Proceedings of The 5th International Meeting on Information Display (IMID 2005), July 1923,Seoul, KOREA (2005).【2】.Juan, C. J., Tsai, M. J., and Chou, C. H., “A Controllerwith an Area Compensated Look-Up-Table for Improvingthe Luminance Uniformity on Lighting Passive Matrix Organic Light Emitting Diode Panels,” Proceedings of 2006 IEEE InternationalConferenceon Mechatronics and Automation (ICMA), LuoYang, China (2006).【3】。Nguyen, F., “Challenges in the Design of a RGB LED Display for Indoor Applications,” Synthetic Metals, Vol.122, No 1,