LED 照明工程与施工 大功率白光 LED 道路照明探讨

1. LED照明工程与施工大功率白光LED道路照明探讨

2. 白光LED的是一种新型光源； • 日本政府首先资助(上世纪90年代)； • 美国政府资助； • 中国政府资助； • 欧洲政府资助； • 中国目标2010年光效达到100 lm/W，大量取代节能灯。

3. 优点： • 高光效：估计可达160 lm/W以上(实验室报导未经证实)； • 无污染； • 长寿命：5万小时或称10万小时(早期理想的理论估算，未经证实)； • 显色性好：70~80 • 政府支持，经济实力雄厚，发展迅速。 • 白光及彩色LED在显示照明中表现突出，无与伦比。

4. 分歧很大 • 在显示照明方面LED发展迅速，取得很大成绩，显示了无比优越性，无争议。 • 在装饰照明方面有重要作用，勾划轮廓效果很好，亦无分歧。 • 在功能照明方面意见分歧、评价不一。

5. LED的发光过程载流子复合发光

6. 内量子效率 • 在外加电场作用下载流子 e 克服阻挡层电位差Vo，进入空穴层（p层）； • 截流子e 为空穴俘获后释出势能eVo并转化为光子hv，其波长λ=1.24*1000/eVo nm； • 虽然截流子复合时量子转换效率很高，但是电子运动时克服内外电阻的能耗以及复合时携带的动能不可能转化为光能。计入各种能耗后LED的内量子效率不超过90%。

7. 量子提取率 • 常规光源的辐射是各向均匀的，基本都能辐射出去，提取率高； • LED辐射只能单向（外向）输出，向内辐射的光子多被吸收； • 辐射方向偏离出射窗垂直方向的光子将部分反射并被吸收。 • LED分子密度大，光子逸出途程中被吸收的几率高。 • LED的外量子效率即量子提取率较常规光源低得多，最多为60%。 • LED的很大一部分输入能量消耗在芯片中转化为热能。

9. 提高LED量子提取率的措施 • 超薄：总厚度几十纳米，减少光子在介质中被吸收的几率； • 在基底表面镀高反膜，提高量子反射率——相当于灯具； • 输出窗的内界面粗毛，减少光子反射； • 采用蓝宝石或多晶氧化铝陶瓷薄片基底以提高导热率，降低结温度。

10. LED总量子效率的估算 • 内量子效率90%，量子提取率60% • 单色LED的理论量子效率为0.9×0.6=0.54 • 即LED最高可有54%的能量转化为光能 • 其效率远远高于当前实际光源的电—光转换效率。

11. 白光LED的量子效率估算 • 蓝光LED＋黄色荧光粉构成白光LED； • 过程中部分光子能量下转移，470nm→560nm 若20%蓝光光子保持波长不变。 80%蓝光光子下转移，平均能量损失8.75%。 总量子效率降低约7%。 • 荧光粉对光子的吸收率超过20%； • 经黄色荧光粉涂层后光能降低27%以上； • 白光LED的理论估算能效不超过40%。

12. 白光LED的光输出估算 • 光功当量= 683 lm/W； 1W功率全部转化为555nm的黄光的流明数； • 1W功率转化为在380～780nm之间均匀分布的光能时的光通量为260lm/W——白光； • 1W功率能谱按视见函数曲线分布时的光通量为360lm/W。 • 1W“白光”LED的辐射光通量不可能超过140lm/W。

13. 这是估算的白光LED的光效，目前远未达到，以后也很难突破。这是估算的白光LED的光效，目前远未达到，以后也很难突破。 • 当前达到的实际光效<70 lm/W，不足估算值的一半。 • 某大公司制成白光LED路灯及灯具（水平非很高的公司），宣称初始光效为70 lm/W，正常运转时因温升降至为50 lm/W； • 为降低结温度、减缓光衰、常常降低功率使用(1W LED 按0.7W~0.8W设计)； • 2007年日本报导白光LED光效已达到55 lm/W，但Ra(平均演色性指数 )为82的LED光效只有20 lm/W。

14. 使用时结温度上升，辐射光谱红移，强度下降，激发荧光粉的效率降低，输出光通量下降。使用时结温度上升，辐射光谱红移，强度下降，激发荧光粉的效率降低，输出光通量下降。

15. 结温度上升、量子效率下降、引起光衰、寿命缩短。(摘自Cree LED照明方案简介)

16. 结温升、量子效率快速下降； • 结温升、寿命快速缩短； • 结温升、阻挡层电势差下降，光子红移； • 结温升、光量子红移，荧光粉激发效率下降。

17. 大比例自身能耗是难以制成大功率LED和光效低的原因大比例自身能耗是难以制成大功率LED和光效低的原因 • 常规光源需要以60%~95%能量维持高温发光体，否则不能正常发光； • LED的发光中心必须是低温的，高温将破坏P-N结功能、危害发光机制； • 70%以上的能量消耗在P-N结，对于大功率LED P-N结温升过大，这是LED不能做大、光效低、光衰大、寿命短的内在原因； • 关键在于降低结温度；

18. 160lm/W的报导是实验室中冷态样品瞬间的测试数据，这对正常运转的白光LED已经超过极限了，不可能长期保持这样的光效。160lm/W的报导是实验室中冷态样品瞬间的测试数据，这对正常运转的白光LED已经超过极限了，不可能长期保持这样的光效。 • 200lm/W白光的设想是毫无根据的。 • 多量子井或三基色LED芯片的白光LED的光效可以再提高一些。 • 5万小时、10万小时的寿命是早期单色超小功率LED的估计寿命，这样的LED不存在结温度上升的问题。 • 白光LED中荧光粉的寿命通常不可能超过3万小时，在高温烘烤下光衰很大。 • LED配套电器的寿命不可能超过3万小时。

19. 试验 • 购某大公司的蓝光LED，发射光谱中心波长为470nm； • 黄色荧光粉主发射波段为540~620nm； • 在最佳荧光粉厚时光效<38lm/W，显色指数78(c图)。

20. a b c d 不同荧光粉涂层厚度的白光LED的发射光谱

21. 不同荧光粉涂层厚度的白光LED的辐射参数 • 荧光粉涂层厚度的偏差对光参数影响很大，所以白光LED的光效、色温、显色性零散很大。 • 为获得高光效，LED总做成高色温光源。 • 常规光源的实际辐射效率远低于LED的理论效率。 • 白炽灯——<5% • 陶瓷金卤灯≈40% • 国内70lm/W、90lm/W或更高光效的数据大多为未经仔细测试的不准确的说明书数据。

22. 关于路灯照明 • 当前路灯照明大多采用最高光效的传统光源高压钠灯，这也是当前信价比最高的道路照明光源之一； • 高压钠灯的辐射光谱集中在589nm二侧的较窄范围内，其特点是： • 高光效：90~130lm/W； • 长寿命：12000小时～20000小时 • 辐射波长长、穿透雨雾力强。 • 显色指数低：<30

23. 暗视觉 明视觉 人眼的明视觉、暗视觉视见函数曲线及高压钠灯光谱

24. 作为道路照明光源高压钠灯的不足之处 • 高压钠灯光谱集中在长波长段，光色昏黄，视物不清； • 光谱光效虽高，但夜晚视觉灵敏度下降； • 显色性太差，色彩分辨不清，图象模糊； • 在实际道路照明中采用高压钠灯时总是超标准设计、耗电偏多。

25. 大功率白光LED向道路照明猛烈挺进 近年来大功率 (1W、3W)白光LED积极介入道路 照明的理由： • LED为定向辐射，光利用率远比高压钠灯高； • 一些企业家和专家声称:LED光效高达90~160lm/W； • LED寿命长(5万~10万小时)，用于路灯时维护费用低； • LED为最新最好光源，暗视觉较高压钠灯好，是道路照明最佳灯选； • 政府节能任务，指令性地建立了多条样板道路照明工程，并拟积极推广。 • “十城万盏半导体照明”应用介绍推广宣传起了很大作用，人人都想分一杯羹。

26. 白光LED道路照明工程的实际效果 • 本人所考察的十多条道路照明(包括光伏照明)的白光LED样板工程全都惨败； • 前仆后继仍有不少地区指定用LED作道路照明工程，以显示首长们对“新鲜事物”的“敏感”和“追求”。 • 美国能源部(DOE)从2006~2008年对市场LED照明器具的调查报告，2008年9月公布——基本否定。 • 最有发言权的是路灯管理部门——一片否定声！

27. 几个案例 案例 I:LED路灯在道路照明中的应用 南通市城市照明管理处 刘承东 （中国照明电器 2009/3 P.30）

28. 1：北海路LED路灯照度现场测量结果 由上表可见在使用8个月后 • 路面最大水平照度降低为原来的1/8 • 路面最小水平照度降低为原来的1/15 • 路面平均水平照度降低为原来的1/10 • 原装364盏LED路灯，8个月时已完全损坏21盏，闪烁12盏，计33盏，损坏率9.07%。

29. 2：常州市3条路的LED路灯照度现场测量结果 • 上表可见LED路灯路面平均照度远低于高压钠灯； • LED路灯的照度均匀度是不能接受的。

30. 案例Ⅱ:大功率LED路灯产品的现状与问题分析 苏州城市照明管理处 叶峰、林海阔 （ 2009中国道路照明论坛论文集(会刊) P.182 ） 对4种灯具进行试验，结论如下： • 同样照度并不节能 • 三个月试点 三种灯具光衰分别为8.77%，15.5%，20.4% 第四种灯具运行一个多月即已损坏 • 价格贵、维护费用高、工作量大 • 无统一标准、无互换性

31. 案例Ⅲ: LED路灯在道路照明中的试用和探讨 宁波市政照明管理所 赖益萍 （ 2009中国道路照明论坛论文集(会刊) P.186） 对5家LED路灯产品进行试验，各八盏灯

32. 以上数据表明LED路灯没有节能效果 • 失效率极高，分别为50%、62.5%、50%、12.5%、100% • 照明效果很差，光衰太大，第四家和第五家在4个月内（400小时）光效分别下降19.1%、18.3%，实际上已全部失效。 • 对照组高压钠灯照明效果远甚LED，400小时光衰1%以下。

33. LED道路照明的性价比太低 • 目前一个LED路灯灯头（20～150W）成本在2000～3000元之间，售价4000元以上。 • 所见的最好的之一华晶LED路灯产品采用了热导管，成本近5000元，售价8000元； • 一些很快就坏的产品售价也在4000元以上； • 一套高压钠灯照明装置（灯、电感镇流器、灯具）总售价约800元，三年内极少损坏，光衰较小。 • 一套陶瓷金卤灯照明装置包括灯具，1200元以下，可以保证三年内损坏率在10%以下。

34. LED道路照明目前的条件尚不成熟 LED本身性能指标尚难满足要求； LED的光学系统尚不成熟； LED的配套控制电路可靠性太低； LED的冷却系统太贵，效率不高； 整个LED照明系统的成本太高，无法推广。 没有统一标准、各家产品各不相同无互换性，维修困难、成本高昂。

35. 对白光LED应有实事求是的评价 • LED是一种极有前途的光源； • 单色LED和小功率白光LED在显示照明、装饰照明、小功率局部照明方面（手电筒、矿灯、台灯、草坪灯、应急灯等）已显示出其优越性，并将发挥更强势的作用，但不少方面仍有待完善。 • 对大功率白光LED的过分夸张的宣传使得很多人对LED产生了迷信和盲目乐观的估计，目前重点应着重技术参数、性能和可靠性提高，开发应用放在下一步，推广更宜慎重。

36. 专家们！教授们！暂停你们自己不花本钱的呼吁吧！把注意力集中到道路照明系统的光效和可靠提高、成本降低方面，为LED做一点实实在在的研发工作。专家们！教授们！暂停你们自己不花本钱的呼吁吧！把注意力集中到道路照明系统的光效和可靠提高、成本降低方面，为LED做一点实实在在的研发工作。 • 本人对白光LED路灯照明的前景估计是：再花5~10年时间使其光效真正达到80lm/W以上，单粒功率5~10W，每流明成本降至3分钱、免维修时间基本一年时则可向道路照明进军。 • LED道路照明的样板太多，损失太大，不能再搞了。 • 很多企业家已在哀叹“乐观过度、投入太大、血本无归、走投无路、欲罢不能！”“不仅血本、连骨髓都赔上了”。

37. 陶瓷金卤灯是高压钠灯最好的换代产品 • 陶瓷金卤灯是新一代光源。 • 陶瓷金卤灯性能优异，全部性能均居其他各种光源之首。 • 高光效110—130lm/W，达到或超过高压纳灯； • 高显色：常规型Ra 85-95，特别高效型约80； • 有很高的红色比，透雨雾能力强； • 长寿命：12000小时，与高压纳灯相当； • 宽广色温范围：2800K—6000K或更高； • 参数稳定，无钠泄漏问题。

38. 暗视觉 明视觉 雪莱特陶瓷金卤灯的典型光谱 • 明视觉、暗视觉效果均佳

39. 用 途 • 商业照明：用于商店、酒楼、宾馆、候机楼……； • 工业照明：车间照明 • 道路照明：透雾力强、高光效、长寿命，用于道路、港口、隧道照明。 150W代替250W高压纳灯、250W代替400W高压纳灯； • 家用照明：无紫外、高光效、高显色、小功率、超小型化、单端自镇流； • 办公照明：用于办公室、会议室、试验室。

40. 商业照明

41. 雪莱特厂房照明（2007年11月安装）70W陶瓷灯代替原125W紧凑型荧光灯雪莱特厂房照明（2007年11月安装）70W陶瓷灯代替原125W紧凑型荧光灯 用灯70W×106盏灯 厂房面积：60×60m2 用灯70W×106盏灯 厂房面积：60×60m2

42. 雪莱特150W陶瓷灯代替250W高压钠灯的道路照明改造（2008年6月）雪莱特150W陶瓷灯代替250W高压钠灯的道路照明改造（2008年6月）

43. 雪莱特道路照明样板测试结果 • 灯功率：150W（代替原250W高压钠灯） • 杆高：7米 • 杆距：22米 • 路宽：7米 佛山质检中心测量 ：平均照度25 lx，均匀度0.676完全符合道路照明标准要求，视觉清晰、色彩明锐； 一年来变化不大。

44. 雪莱特光伏照明案例1旧县双头太阳能道路照明雪莱特光伏照明案例1旧县双头太阳能道路照明 路宽：18米 杆高：8米 灯功率：35W

45. 雪莱特光伏照明案例2 • 版面尺寸：20 m×5 m • 地点：沪宁高速无锡出口 光源: 8×39W 镇流器：南京聚诚

46. 雪莱特家用小功率单端一体化荧光陶瓷金卤灯（无紫外）雪莱特家用小功率单端一体化荧光陶瓷金卤灯（无紫外）

47. 谢 谢！