大功率白光LED道路照明探讨

大功率白光LED道路照明探讨 概述LED的开发迄今已有近30年历史，取得长足进展，白光LED的提出历十余年磨练，发展迅速。在能源短缺、污染严重的时代LED应运而生、倍受重视。为缓解能源紧张、上世纪90年代中叶，日本政府率先、继则美国政府从财政上支持本国技术界和工业界推动固态照明的开发。我国政府(以科技部为首、包括能源部、经贸委、信息产业部等，以及各地方政府)也大力支持和资助LED的研发，并成立了国家半导体产业联盟推进中国的固态照明(中国称之为半导体照明)计划，并预期2010年白光LED的光效可提高到100 lm/W，并可用以大量替代光效约90 lm/W的荧光灯广泛用于普通照明领域，1 2。在这样的形势下我国的大量企业、投资者、研究人员和技术人员纷纷介入，大规模投资开拓LED的研发和生产，迄今估计总共已投入人民币数十亿元，在不到十年的时间中取得了突出的成绩，形成了规模庞大的产业链。全世界对LED特别是白光LED如此的重视有其内在原因，当前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨、特别所造成环境已使得能源节约成为一项十分迫切的任务。各国消耗的能源中很大一部分用于照明。我国以及发达国家照明用电约占发电总量的1213%，这是一项十分可观的能源损耗。而目前全世界使用的光源仍以效率不高的白炽灯类光源为主，从中挖潜是大有可为的。LED领域集中了众多优秀人才，取得了辉煌成绩，一些研究部门宣布他们研发的LED在某些条件下达到了120lm/W甚至150lm/W的光效。因而大部分企业也纷纷宣称自己的产品的光效已达到70lm/W、90lm/W或更高，由于LED的光辐射是定向的，其光利用率比辐射输出各向均匀的普通光源仅靠灯具的定向反射采光的效率要高，因此认定LED是当前最佳功能照明光源，并大力向各个照明领域推广，数年前已有人宣称2010年LED将会大量取代紧凑型荧光灯、大规模进入家庭照明、并断言白光LED是当前最好的道路照明光源。毋庸置疑的是经过20多年的发展，LED在显示领域已取得了完全成功、并已成为无与论比、不可替代的显示器件。在装饰照明方面也充分显示其特色、取得半壁江山，2008奥运会开幕式上LED的出色表现更震撼世界。但是不能不正视的事实是在功能照明方面白光LED仍然存在较大的局限性。中国已经是世界上最大的LED的生产基地和消费市场，LED的应用领域广阔，但由于目前的技术水平和实际性能的限制，将此种器件用于功能照明并非用其所长的。所谓大功率LED，目前市场上能找到最大功率器件也不过3W，即使是研发中的10W器件能大规模生产，但对于常规照明特别是道路照明中使用的数百瓦的光源而言其单粒功率失之过小。采用白光LED设计一项照明工程其用量必定很大，无论是设计难度或是成本都将是得不偿失的。 LED的光效对LED的普遍的评价是高光效和长寿命，很多厂家宣称其产品光效高达90lm/W或更高，但这些数据只是某些实验室在测试初始阶段当LED仍处于冷态时测得的最高数据。所谓5万小时或10万小时寿命只是早期对小功率单色LED的估算结果。从LED的发光机理可以估算其理论光效。如所周知LED是利用载流子复合而发光的，载流子复合时其势能全部转化为光能，单就这一过程而言其内量子效率为100%。但是载流子在介质中与晶格碰撞而损失的能量、复合时载流子所携带的动能、以及为克服外电路电阻而消耗的电能均不可能转化为光能。考虑到各种附加能耗、载流子复合的实际内量子效率不会超过90%。载流子复合时产生的光子有50%的几率为外向辐射，这50%的光子中一部分与晶格碰撞并为晶格吸收转化为热能。部分光子传输时在不同介质交界面处会反射回原介质并被吸收，此外作为输出窗的外电极的金属网膜或透明导电膜也将使部分光子反射并被吸收，这些过程都会降低LED的量子提取率，设这部分光子的量子提取率为80%。载流子复合时产生的光子中有50%的几率为内向辐射，这部分光子在到达兼作反射镜的底层导电膜时将部分反射转化为外向输出光，然而此部分光子在向内或向外传输过程中将与晶格碰撞并被部分吸收，而在经过不同介质交界面时也将部分反射或折射回原介质最终被吸收。基底反射镜的反射效率和上述过程的限制而使得内向辐射的光子转化为输出光的量子提取率不会超过40%。根据以上分析可以估算出LED总的电光转换效率约为54%，这是非常理想的情况下的估计结果。制造工艺中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均将造成其能量转换效率的下降。与可见光转换效率不足5%的白炽灯相比，甚至与当前转换效率最高的高压钠灯、陶瓷金卤灯相比(电光转换效率约为30%)也是非常高的，这正是LED有十分诱人前景的原因所在。如所周知，将1W能量全部转化为555nm波长的黄光时产生的光通量可达683lm/W(683lm/W即光功当量)，若全部转换为白光则约为360lm/W。如本文前面的估计，在十分理想情况下发555nm黄光的LED最高可能达到约300lm/W的最高光效，目前上述估计还远未实现。目前所报导的LED的最高光效实际只达到这一理想值的一半，而实际上还不足其1/4，这也正是人们论为LED尚有巨大潜力可挖、对之寄以厚望的原因所在。提高LED发光效率的关键在于提高量子提取率，亦即尽可能减少光子的内部吸收，这就是LED向超薄型发展的原因。目前最高光效的超薄型(厚度数十纳米)GaN LED、其下导电膜采用了高反光镜膜、并将输出窗内表面制成粗糙构造、以减少光子的内向反射，然而即使如此目前报导的最高光效不过150lm/W。3以上分析的是对单色光LED的进行的，将单色光转化为白光还须再经过一次量子转换，目前大都采用发射光谱的中心波长约470nm的蓝光LED来激发辐射光谱中心波长为560nm的宽带黄光荧光粉，从而制成蓝黄光混合的白光LED，但是这将使LED的光效近一步降低。其光子效率可以估算如下：如果保留LED辐射中的约20%蓝光输出，用剩余的80%的蓝光激发黄光荧光粉，在最佳情况下这80%的蓝光中约有20%以上的光子将为荧光粉吸收，其余80%下转移为以560nm为中心波长的宽带黄光辐射，这一过程平均产生16.1%的量子能量损失。结合前面的数据可以估计白光LED的总能效不会超过40%，换算为白光时白光LED的总光效最多不过150lm/W。如果没有其他突破，这是当前白光LED可能达到最高光效，这一光效与当前最高光效的光源如HID灯中的高压钠灯或陶瓷金卤灯相比还高一些。但是目前实际达到的光效尚未及此一半。我们曾对此进行了实验研究，我们利用某公司生产的1W高亮度蓝光LED，其光谱的中心辐射波长为470nm见Fig.3，去除外封装后分别涂敷不同厚度的辐射的中心波长为560nm的黄光荧光粉涂层，经处理后测量其发射光谱。从二十余种不同厚度的样品中选择了四种典型情况，其结果见Fig.4 a,b,c,d及附表。最佳情况下(Fig.4 c)的光通输出为38lm(初始冷态约50lm)，显色指数为78。某著名跨国公司技术人员介绍他们的1W白光LED的初始光效达到了70lm/W，正常运转时因p-n结温度上升，光效降为50lm/W。2007年日本材料科学研究所纳米陶瓷中心得到的结果是最高的3，他们采用中心波长为450nm的InGaN蓝光LED和光子转换效率高、在450nm蓝光范围 有强吸收峰、温度系数低的三种荧光粉进行了试验，这三种荧光粉分别为：-sialon: Yb2+、-sialon: Eu2+和Sr2Si5 N8: Eu2+。这些荧光粉的特点是发光效率的热衰减较小，在150时仍保持初始值的85%。这三种荧光粉的发射光谱示如Fig.5。以InGaN蓝光LED和1号荧光粉制成的白光LED的发射光谱示如Fig.6，其光效为55lm/W，色温4500K。这是本人所知道白光LED的最高光效报导(据测试国内1W白光LED的光通量大多在40lm以下)。采用2号和3号混合荧光粉试制的白光LED的发射光谱示如Fig.7，其显色指数提高到82，色温4200K，但光效确降低到20lm/W。如前所述，LED的发光是由n型半导体中的负载流子(电子)在外电势作用下克服阻挡层电势进入p型半导体并为空穴俘获产生复合发光的。通常半导体的温度系数较大，随温度上升其电阻率下降，阻挡层电势也将降底，与此同时其辐射的中心波长将向长波方向漂移(红移)而使荧光粉的发光效率下降。目前白光LED运转时最多20%的能量以光子形式辐射，其余80%的能量均转化为热能使芯片和荧光粉涂层加热。对于小功率LED， 80%的输入功率的加热作用不会使芯片温度上升太多，对LED的光效、寿命和运转状态影响不大。但是0.5W或更大功率的白光LED，其功耗的80%以上集中发生在非常小的p-n结区，必将使芯片和荧光粉涂层大幅升温，这不仅影响光效，而且会造成快速光衰并使寿命缩短。5万或10小时的长寿命判断是在LED发展初期对小功率单色LED估算的，对于大功率LED，特别是白光LED，由于芯片和荧光粉长期在高温下烘烤，必将使寿命大幅下降。这就是设计不良的LED照明工程在运转34个月后急剧的光衰使设计者不得不常常更换光源的原因。 LED和道路照明由于对白光LED的巨大投资和过分的宣传，至使这一领域的部分人员对白光LED寄以过高期望，急于将白光LED推向常规功能照明，很多这一领域的人员并将之直接推广到道路照明方面，数年来全国完成的LED道路照明和LED光伏道路照明样板工程不下数十处(作者考察过多条采用LED作光源的道路照明工程)已经取得了足够多的经验和教训有待总结。本人认为这一试验应当暂时放缓，待条件成熟后再重新启动。目前我国和发达国家的道路照明的主要光源仍然是高压钠灯、少数用金属卤化物灯，前者光效为100120lm/W，但显色指数仅为20或更低，后者的光效80100lm/W，显色指数80左右，考虑到电器配件的能耗，采用此类光源实际的系统光效在75lm/W90lm/W之间。由于道路照明所用灯具的光反射率不高，通常均在60%以下。采用此类灯具时有约40%光直射地面，其余60%的光则需经灯具反射后射向地面。粗略估算去除各种损耗后常规道路照明的总光利用率不超过76%，由此估计最终的光效约为60lm/W70lm/W。此外由于灯具设计的不合理以及高压钠灯特殊的细长柱状发光体而造成光分布不均匀，为使道路中线和二灯之间的暗区达到照明标准，设计时不得不采用更大功率、更高光通量的光源以满足暗区的照度要求，从而更造成了电能的浪费。基于上述情况LED道路照明设计者认为利用LED的定向辐射性能进行道路照明设计、可以大幅减少能量的浪费，他们认为白光LED比高压钠灯更节能。他们设计了若干利用大功率(1W、3W)白光LED的道路照明方案，并做成样板工程。但是这些样板工程大都并未经过仔细测试和认证。其中一种照明设计方案是将120只1W白光LED矩阵式分布在200250mm的矩形平面电路板上，板后为接线，然后整体安装在常规路灯灯具中。这种设计是极不科学的，该方案选用的LED单只发光量不超过40lm，估以40lm论之，考虑到配套电器损耗(10%)以及90%的光利用率，其实际系统光利用率不足32lm/W，120只 LED的总有效光通量约4300lm。假如LED的光发射角为120，按这一设计4300lm的光将以120的发射角射向下方。可以想象这样的设计将使地面光分布极不均匀，街心及灯杆之间完全黑暗。加以这些设施中并未考虑对LED基片采取有效降温措施，如此多的LED集中在如此小的空间，80多瓦的功耗持续积累将使芯片温度过高，阻挡层压降下降，所发蓝光向长波方向漂移，这必然造成其光效的严重下降。考察了北京郊区某光伏照明样板路(光源总功率为105W)灯下照度只有3.5 lux，据云此前二个半月、该工程刚完工时灯下照度为7 lux。而灯下直径15米以外的地方则根本没有任何照明效果。在江苏、浙江、山东、广东不乏此类工程样板，例如广东顺德某处和深圳某处的LED道路照明示范街不仅灯光昏暗，而且每隔35个月必需更换光源。LED道路照明试验必须在专家指导下、经过严格认证和设计后才能施行。广东某些专门从事LED道路照明工程的企业从中接取了教训，他们采取的措施是使1W LED工作在0.50.6W状态，或是将3W LED设计为1W使用，这样虽然成本很高、光效很低，照明效果不佳，但基本解决了光衰和寿命问题。某跨国公司鉴于中国的白光LED很热、专门为中国研发出了一种用于道路照明的白光LED，他们将1W LED前端的封装材料设计为特定的凸透镜结构，据称采用此种LED不需二次、三次光学设计就可得到均匀的道路照明，使用方便。该公司宣称此种LED的冷态光效为70lm/W，正常使用时则为50lm/W。浙江某公司设计了用于道路照明的集成式白光LED，他们将多个蓝光LED芯片组装在同一基板上，用一只专门设计的较大凸透镜作输出窗、在输出窗内壁涂敷荧光粉，使所有LED芯片共同激发同一荧光粉涂层。这种组合式LED的发光特征被改造得与常规球形光源相近，使用较为方便，但这种结构LED的基板散热问题仍然存在。需要注意的是将多个LED集中在一起进行道路照明设计时、除足够的光通量和合理的光学设计以保证合理的光分布外、更为重要的是散热问题。如前所述，目前LED的能耗中约80%以上转化为热量，而半导体器件是不耐高温的，如果不能将所产生的热量即时导走则必将引起严重后果。用LED进行的道路照明条件目前尚未成熟，这既有待于LED光效的提高和功率的加大，更有待于有效的LED散热方案和措施的解决，当然更合理的光学设计也是非常重要的。 美国能源部对商用LED产品有效性的评估(CALiPER)在LED光效和寿命指标方面，目前存在较大的意见分歧，其中一个重要原因是没有统一的标准和测试方法，例如照明行业向来以稳定运转时的光通量输出和光效作为其产品参数指标，而LED业者则普遍以初始(冷态)的最大光通和光效为标准，在显色指数的测量方法和标准上亦存在不少差异，寿命标准和测量方法也是不同的，相关数据相差甚远，评价也大相径庭。这一问题不仅我国，在国外也是同样严重的，美国能源部早已发现，他们从2006年12月到2008年9月共进行了7轮市场产品调查，仅在2008年就连续分别在1月、5月和9月进行了三次抽查，并于9月份公布了“商用LED产品有效性的评估和报告”CALiPER(Commercially Available LED Product Evaluation & Reporting)，他们公布的数据和结论是负面的，在所检测的24类产品中只有二类(下射筒灯)数据与产品说明书吻合，除少数LED光效达62lm/W外，平均只有32lm/W，低的不足10lm/W，远远不能达到能源之星的标准。对于宣传上的混乱和数据的夸大作了十分严厉而否定的结论，其中包括光效、色温、颜色质量、光分布以及照明系统的功率因数。特别是光效，他们发现宣传上往往夸大23倍以上，而一般用户对此并不了解。美国能源部的一个结论是必须建立统一的标准来规范产品质量和指标，在我国上述问题更为突出而重要。 结论LED是一种优良的有前途的光源，其特定的发光机理赋予它一系列特征和特点。由于它的发光体小、介质密度大、发光非常集中、亮度很高。即使功率很小、光通量不大的LED也能给人眼以清晰、明亮、无误的光信号，用于指示、显示时具有无与论比的优越性，所以在显示领域其应用已极为广泛，无所不在。小功率单色LED还在装饰照明和艺术照明方面显示了特有功能和魅力，2008年北京奥运更充分发挥了LED的此种功能。白光LED是LED家族中的杰出成员，具有