大功率白光LED道路照明探讨

大功率白光LED道路照明探讨白光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100lm/W，大量取代节能灯。优点：高光效：估计可达160lm/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，无与论比。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。LED的发光过程

载流子复合发光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=1234/Vonm；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%。内量子效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。量子提取率提高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。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。白光LED的量子子效率率估算算蓝光LED＋黄色色荧光光粉构构成白白光LED；过程中中部分分光子子能量量下转转移，，470nm→560nm若20%蓝光光光子保保持波波长不不变。。80%蓝光光光子下下转移移，平平均能能量损损失8.75%。总量子子效率率降低低约7%。荧光粉对光光子的吸收收率超过20%；经黄色荧光光粉涂层后后光能降低低27%以上；白光LED的理论估算算能效不超超过40%。白光LED的光输出估估算光功当量=683lm/W；1W功率全部转转化为555nm的黄光的流流明数；1W功率转化为为在380～780nm之间均匀分分布的光能能时的光通通量为260lm/W———白光；1W功率能谱按按视见函数数曲线分布布时的光通通量为360lm/W。1W“白光”LED的辐射光通通量不可能能超过140lm/W。这是估算的的白光LED的光效，目目前远未达达到，以后后也很难突突破。当前达到的的实际光效效<70lm/W，不足估算算值的一半半。某大公司制制成白光LED路灯及灯具具（水平非非很高的公公司），宣宣称初始光光效为70lm/W，正常运转转时因温升升降至为50lm/W；为降低结温温度、减缓缓光衰、常常常降低功功率使用(1WLED按0.7W~0.8W设计)；2007年日本报导导白光LED光效已达到到55lm/W，但Ra为82的LED光效只有20lm/W。使用时结温温度上升，，辐射光谱谱红移，强强度下降，，激发荧光光粉的效率率降低，输输出光通量量下降。结温度上升升、量子效效率下降、、引起光衰衰、寿命缩缩短。(摘自CreeLED照明方案简简介)结温升、量量子效率快快速下降；；结温升、寿寿命快速缩缩短；结温升、阻阻挡层电势势差下降，，光子红移移；结温升、光光量子红移移，荧光粉粉激发效率率下降。大比例自身身能耗是难难以制成大大功率LED和光效低的的原因常规光源需需要以60%~95%能量维持高高温发光体体，否则不不能正常发发光；LED的发光中心心必须是低低温的，高高温将破坏坏P-N结功能、危危害发光机机制；70%以上的能量量消耗在P-N结，对于大大功率LEDP-N结温升过大大，这是LED不能做大、、光效低、、光衰大、、寿命短的的内在原因因；关键在于降降低结温度度；160lm/W的报导是实实验室中冷冷态样品瞬瞬间的测试试数据，这这对正常运运转的白光光LED已经超过极极限了，不不可能长期期保持这样样的光效。。200lm/W白光的设想想是毫无根根据的。多量子井或或三基色LED芯片的白光光LED的光效可以以再提高一一些。5万小时、10万小时的寿寿命是早期期单色超小小功率LED的估计寿命命，这样的的LED不存在结温温度上升的的问题。白光LED中荧光粉的的寿命通常常不可能超超过3万小时，在在高温烘烤烤下光衰很很大。LED配套电器的的寿命不可可能超过3万小时。购某大公司司的蓝光LED，发射光谱谱中心波长长为470nm；黄色荧光粉粉主发射波波段为540~620nm；在最佳荧光光粉厚时光光效<38lm/W，显色指数数78(c图)。abcd不同荧光粉粉涂层厚度度的白光LED的发射光谱谱荧光粉涂层相对厚度a（很薄）b（薄）c（中厚）d（较厚）色温300001461075443666相对光通量0.180.2510.16显色指数48.3597843不同荧光粉粉涂层厚度度的白光LED的辐射参数数荧光粉涂层层厚度的偏偏差对光参参数影响很很大，所以以白光LED的光效、色色温、显色色性零散很很大。为获得高光光效，LED总做成高色色温光源。。常规光源的的实际辐射射效率远低低于LED的理论效率率。白炽灯——<5%陶瓷金卤灯灯≈40%国内70lm/W、90lm/W或更高光效效的数据大大多为未经经仔细测试试的不准确确的说明书书数据。关于路灯照照明当前路灯照照明大多采采用最高光光效的传统统光源高压压钠灯，这这也是当前前信价比最最高的道路路照明光源源之一；高压钠灯的的辐射光谱谱集中在589nm二侧的较窄窄范围内，，其特点是是：高光效：90~130lm/W；长寿命：12000小时～20000小时辐射波长长长、穿透雨雨雾力强。。显色指数低低：<30人眼的明视视觉、暗视视觉视见函函数曲线及及高压钠灯灯光谱暗视觉明视觉高压钠灯光光谱集中在在长波长段段，光色昏昏黄，视物物不清；光谱光效虽虽高，但夜夜晚视觉灵灵敏度下降降；显色性太差差，色彩分分辨不清，，图象模糊糊；在实际道路路照明中采采用高压钠钠灯时总是是超标准设设计、耗电电偏多。作为道路照照明光源高高压钠灯的的不足之处处大功率白光光LED向道路照明明猛烈挺进进近年来大功功率(1W、3W)白光LED积极介入道道路照明的理由由：LED为定向辐射射，光利用用率远比高高压钠灯高高；一些企业家家和专家声声称:LED光效高达90~160lm/W；LED寿命长(5万~10万小时)，用于路灯灯时维护费费用低；LED为最新最好好光源，暗暗视觉较高高压钠灯好好，是道路路照明最佳佳灯选；政府节能任任务，指令令性地建立立了多条样样板道路照照明工程，，并拟积极极推广。“十城万盏半半导体照明明”应用介绍推推广宣传起起了很大作作用，人人人都想分一一杯羹。白光LED道路照明工工程的实际际效果本人所考察察的十多条条道路照明明(包括光伏照照明)的白光LED样板工程全全都惨败；；前仆后继仍仍有不少地地区指定用用LED作道路照明明工程，以以显示首长长们对“新鲜事物”的“敏感”和“追求”。美国能源部部(DOE)从2006~2008年对市场LED照明器具的的调查报告告，2008年9月公布——基本否定。。最有发言权权的是路灯灯管理部门门——一片否定声声！案例I:LED路灯在道路路照明中的的应用几个案例由上表可见见在使用8个月后路面最大水水平照度降降低为原来来的1/8路面面最最小小水水平平照照度度降降低低为为原原来来的的1/15路面面平平均均水水平平照照度度降降低低为为原原来来的的1/10原装装364盏LED路灯灯，，8个月月时时已已完完全全损损坏坏21盏，，闪闪烁烁12盏，，计计33盏，，损损坏坏率率9.07%。1：LED路灯灯照照度度现现场场测测量量结结果果机动车车行道初装测试结果路面最大水平照度（Emax)16.50lx运行8个月后测试结果路面最大水平照度（Emax)2.3lx路面最小水平照度（Emin）3.10lx路面最小水平照度（Emin）0.20lx路面平均水平照度（Eav）8.76lx路面平均水平照度（Eav）0.89lx水平照度均匀度（U）0.35水平照度均匀度（U）0.22测量仪器QZ-CZ照度计精度±4%测量日期初装测试运行测试2006年12月8日2007年8月10日上表表可可见见LED路灯灯路路面面平平均均照照度度远远低低于于高高压压钠钠灯灯；；LED路灯灯的的照照度度均均匀匀度度是是不不能能接接受受的的。。2：常常州州市市3条路路的的LED路灯灯照照度度现现场场测测量量结结果果项目岷江路案例梅花路案例新科路案例常规高压钠灯案例路宽（m）9142314光源150WLED150WLED125WLED400W高压钠灯路灯布置方式单侧双侧对称双侧对称单侧安装高度（m）98810路灯间距（m）33275035灯臂长度（m）211.51.5仰角12°10°12°10～15°平均照度（lx）18.9827.504.7229.70照度均匀度0.070.090.040.35测试时间初装时55天6个月案例例Ⅱ:大功功率率LED路灯灯产产品品的的现现状状与与问问题题分分析析对4种灯灯具具进进行行试试验验，，结结论论如如下下：：同样样照照度度并并不不节节能能三个个月月试试点点三种种灯灯具具光光衰衰分分别别为为8.77%，15.5%，20.4%第四四种种灯灯具具运运行行一一个个多多月月即即已已损损坏坏价格格贵贵、、维维护护费费用用高高、、工工作作量量大大无统统一一标标准准、、无无互互换换性性案例例Ⅲ:LED路灯灯在在道道路路照照明明中中的的试试用用和和探探讨讨对5家LED路灯灯产产品品进进行行试试验验，，各各八八盏盏灯灯功率(W)电压(V)初始平均照度(lx)初始均匀度一个月后平均照度(lx)4个月后亮灯情况(每家各8盏灯)第一家1202389.920.529.67一盏其中一颗30W闪烁二盏其中二颗30W不亮一盏四颗30W都不亮第二家150235.512.850.4111.84五盏都不亮第三家12023315.180.3313.65三盏其中三条不亮一盏六条都不亮第四家11022412.850.2210.4一盏不亮第五家160225.316.630.413.58全亮高压钠灯(100W)115218.314.190.4414.04高压钠灯(150W)176218.624.410.4424.19以上上数数据据表表明明LED路灯灯没没有有节节能能效效果果失效效率率极极高高，，分分别别为为50%、62.5%、50%、12.5%、100%照明明效效果果很很差差，，光光衰衰太太大大，，第第四四家家和和第第五五家家在在4个月月内内（（400小时时））光光效效分分别别下下降降19.1%、18.3%，实实际际上上已已全全部部失失效效。。对照照组组高高压压钠钠灯灯照照明明效效果果远远甚甚LED，400小时时光光衰衰1%以下下。。目前前一一个个LED路灯灯灯灯头头（（20～150W）成成本本在在2000～3000元之之间间，，售售价价4000元以以上上。。所见见的的最最好好的的之之一一华华晶晶LED路灯灯产产品品采采用用了了热热导导管管，，成成本本近近5000元，，售售价价8000元；；一些些很很快快就就坏坏的的产产品品售售价价也也在在4000元以以上上；；一套高压钠灯灯照明装置（（灯、电感镇镇流器、灯具具）总售价约约800元，三年内极极少损坏，光光衰较小。一套陶瓷金卤卤灯照明装置置包括灯具，，1200元以下，可以以保证三年内内损坏率在10%以下。LED道路照明的信信价比太低LED道路照明目前前的条件尚不不成熟LED本身性能指标标尚难满足要要求；LED的光学系统尚尚不成熟；LED的配套控制电电路可靠性太太低；LED的冷却系统太太贵，效率不不高；整个LED照明系统的成成本太高，无无法推广。没有统一标准准、各家产品品各不相同无无互换性，维维修困难、成成本高昂。对白光LED应有实事求是是的评价LED是一种极有前前途的光源；；单色LED和小功率白光光LED在显示照明、、装饰照明、、小功率局部部照明方面（（手电筒、矿矿灯、台灯、、草坪灯、应应急灯等）已已显示出其优优越性，并将将发挥更强势势的作用，但但不少方面仍仍有待完善。。对大功率白光光LED的过分夸张的的宣传使得很很多人对LED产生了迷信和和盲目乐观的的估计，目前前重点应着重重技术参数、、性能和可靠靠性提高，开开发应用放在在下一步，推推广更宜慎重重。本人对白光LED路灯照明的前前景估计是：：再花5~10年时间使其光光效真正达到到80lm/W以上，单粒功功率5~10W，每流明成本本降至3分钱、免维修修时间基本一一年时则可向向道路照明进进军。LED道路照明的样样板太多，损损失太大，不不能再搞了。。很多企业家已已在哀叹“乐观过度、投投入太大、血血本无归、走走投无路、欲欲罢不能！”“不仅血本、连连骨髓都赔上上了”。陶瓷金卤灯是是新一代光源源。陶瓷金卤灯性性能优异，全全部性能均居居其他各种光光源之首。高光效110—130lm/W，达到或超过过高压纳灯；；高显色：常规规型Ra85-95，特别高效型