LED路燈大規模商用技術(shù)成本標準三大難題

LED路燈大規模商用需解決技術(shù)成本標準三大難題

LED(發(fā)光二極光)的應用可以說(shuō)無(wú)處不在。作為一種半導體發(fā)光材料，與其他發(fā)光材料相比較，LED以其綠色、高效、可靠、耐用的優(yōu)勢，使得其他發(fā)光材料黯然失色。隨著(zhù)大功率LED成本的不斷降低，逐步替代傳統燈具成為可能。LED光源在道路照明中的應用已成為近年來(lái)半導體照明行業(yè)的熱點(diǎn)，LED器件產(chǎn)品應用到路燈上，對技術(shù)有什么特殊要求？LED路燈與目前普通路燈相比有哪些優(yōu)勢？還存在哪些不足？如何解決？業(yè)界專(zhuān)家從不同側面給予了闡述。

制定國家標準是普及推廣有力手段

中國科學(xué)院半導體所所長(cháng)李晉閩

LED作為路燈主要有以下優(yōu)點(diǎn)或特點(diǎn)：發(fā)光效率高，燈具反射損失低，節省能源70；配合數字控制亮度功能，更省電；不需高壓，安全性高；配合軟件可由遠程自動(dòng)遙控亮度；事故、多霧、雨天等特殊情況下提供超高亮度及顯色性高的照明光源；安裝維護簡(jiǎn)便；模塊安裝、無(wú)多余配線(xiàn)；不會(huì )造成光污染或浪費；長(cháng)壽命，意味著(zhù)不需要經(jīng)常進(jìn)行更換，從而減少了交通中斷的潛在性，降低了為此支付的維修費用。有人計算過(guò)，采用LED路燈除了在單燈成本及最初安裝的造價(jià)比高壓鈉燈高外，在鋪設成本、耗電成本及壽命方面均大大優(yōu)于高壓鈉燈。

LED路燈面臨的主要技術(shù)問(wèn)題為：輸出功率及光通量、二次光學(xué)設計、散熱設計和電源|穩壓器系統設計。輸出功率及光通量的提高還需要從大功率白光led的外延技術(shù)、芯片工藝等基礎層次進(jìn)一步提升。在二次光學(xué)設計方面，LED的輻射形式有朗伯型、側射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領(lǐng)域，根據設計經(jīng)驗朗伯型和蝙蝠翼型比較適用，通過(guò)二次光學(xué)設計，使得LED的光照范圍、光度曲線(xiàn)符合道路照明的需求。散熱是LED路燈需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一，由于LED路燈亮度要求高、發(fā)熱量大，并且戶(hù)外這種使用環(huán)境比較苛刻，如果散熱不好會(huì )直接導致LED快速老化，穩定性降低，除了需要功率型LED本身的散熱好外，由于路燈具有戶(hù)外夜間使用的特點(diǎn)，散熱面位于側上面有利于空氣自然對流散熱。LED路燈的電源系統也與傳統光源不同，LED的低能耗、低工作電壓和太陽(yáng)能電池組件的低輸出功率、低輸出電壓之間的配合非常合適，如何使緊密壓縮在一起的一組LED安全、可靠地工作也是考察LED路燈的一個(gè)指標。

綜合以上對LED路燈在市場(chǎng)前景及技術(shù)問(wèn)題方面的分析可以看出，影響其應用的因素為：

第一，LED路燈造價(jià)較高，不利于推廣普及。雖然目前初步解決了LED路燈的散熱問(wèn)題，但是過(guò)高的價(jià)格和過(guò)重的燈頭仍然會(huì )阻礙LED路燈的普及。

第二，LED路燈模塊化的可靠性仍需加強，由于驅動(dòng)電路等原因也會(huì )造成LED路燈的失效。

第三，無(wú)論是單點(diǎn)還是多點(diǎn)光源的LED路燈都存在著(zhù)散熱難的問(wèn)題。一盞采用250W高壓鈉燈的路燈，由于技術(shù)較成熟，散熱控制得很好，即使工作5000小時(shí)，光衰仍然較小，發(fā)光效率還可以達到70以上。以目前的技術(shù)，相同條件下大功率LED路燈，由于散熱問(wèn)題不易解決，光衰較大，發(fā)光效率會(huì )下降到30。如果想用加大電壓電流的方法提高光效，很容易造成led芯片損毀的現象。

第四，LED路燈射程短，因此LED路燈還需要進(jìn)一步加強如何在較高高度下工作的研究。此外，制定國家LED道路照明標準也是普及推廣LED路燈非常有力的手段。

散熱和可靠性是影響應用主要因素

江蘇穩潤光電有限公司副總經(jīng)理陳和生

LED光源有兩種做法，一種是使用傳統小功率LED作組合，一般多達上百顆甚至數百顆，電源設計復雜。另一種是使用大功率管作光源，價(jià)格比較貴。兩種方法都不可避免地要將散熱設計和工作可靠性作為主要設計考慮因素，國內多應用于政府示范性工程，真正市場(chǎng)化運作的工程很少，國外這方面的應用實(shí)例較多，但其最大的缺點(diǎn)依然是可靠性、出光流明數和價(jià)格，很多工程由于LED品質(zhì)低劣，沒(méi)有很好地表現出壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)。還有，從成本、市場(chǎng)的角度考慮，LED作為照明光源，其是否與太陽(yáng)能結合使用，在設計上需要走不同的路線(xiàn)，并不是單獨作為一種光源來(lái)開(kāi)發(fā)就能完成的。

LED器件產(chǎn)品應用到路燈上，技術(shù)上的特殊要求主要是要結合LED光強和發(fā)光角度來(lái)設計，另外由于多顆LED組合，出光設計方面要兼顧照射面域，燈具方面需要重點(diǎn)考慮散熱的有效性。

LED路燈與普通路燈的對比優(yōu)勢：節能、環(huán)保，易于和低壓適配，也可和太陽(yáng)能系統直接配套，無(wú)需額外的逆變、轉換過(guò)程，能達到最大的能源利用率。

不足：照明角度偏小、不均勻，顏色顯色指數偏低，光學(xué)、散熱設計復雜。

技術(shù)上的不足：當前技術(shù)下的光通量還不夠，光效太低，品質(zhì)難以保證。

解決措施：led產(chǎn)品應用于路燈需要專(zhuān)門(mén)的設計，也需要專(zhuān)門(mén)的標準(用傳統光源的測試數據來(lái)評價(jià)LED光源往往并不客觀(guān))。

LED應用于路燈有先天的優(yōu)勢也有劣勢。優(yōu)勢在于：第一，LED作為點(diǎn)光源，如果設計合理，很大程度上可以直接解決傳統球狀光源必須依靠光發(fā)射來(lái)解決的二次取光及光損耗問(wèn)題；第二，對光照射面的均勻度可控，理論上可以做到在目標區域內完全均勻，這也能避免傳統光源“燈下亮”現象中的光浪費；第三，色溫可選，這樣在不同場(chǎng)合的應用中，也是提高效率、降低成本的一個(gè)重要途徑；第四，技術(shù)進(jìn)步空間依然很大。

劣勢(影響路燈推廣應用的因素)：當前價(jià)格還太高，光通量低，當前同等照度設計的LED光源價(jià)格大約相當于傳統光源的4倍(不過(guò)在路燈產(chǎn)品中，光源部分占總成本并不高，所以在工程安裝中的成本提高比例也不會(huì )太高，應用的空間還是比較大的)，在民用中難以承受。當前設計和制造標準比較混亂，損壞比例高，影響了LED的壽命優(yōu)勢。

建議：統一LED標準，提升品質(zhì)穩定性，成立市場(chǎng)競爭協(xié)調組織，避免惡性競爭，大力宣傳LED的品質(zhì)觀(guān)念，避免受不良實(shí)例的影響，要讓人們從思想上接受LED其實(shí)是可以實(shí)現其壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)的，提高選擇和使用LED的水平。

對白光大功率LED需求將達到3億顆

上海藍寶光電材料公司總經(jīng)理梁秉文

LED器件應用到路燈上，技術(shù)上的特殊要求主要體現在以下兩個(gè)方面：首先，良好的發(fā)光效率穩定性，不能衰減太快。其次，光色的一致性和可維持性要好，不能因為較長(cháng)時(shí)間使用白光顏色發(fā)生變化。這兩點(diǎn)都要求燈具的整體散熱要好，光學(xué)設計要到位。

LED路燈與目前普通的高壓鈉燈路燈相比優(yōu)勢如下：

第一，節能：目前白光LED的發(fā)光效率約為80lm/W，較傳統高壓鈉燈可以節電50～60，隨著(zhù)LED效率的快速提升，半導體路燈在節能方面顯示出了巨大的潛力。

第二，低維護成本：以目前的技術(shù)水平和測試結果推算，大功率LED光源可以正常使用10年不用更換，而傳統高壓鈉燈平均1年半就要更換一次，使用半導體光源可以大大降低維護成本。

第三，顯色性佳：LED的顯色指數高(75～80)，人們的反應速度快，路面看起來(lái)更明亮，感覺(jué)更舒適，駕駛人員也感覺(jué)更安全。而高壓鈉燈光譜窄，顯色性差(20～40)，感覺(jué)昏暗。

存在的不足主要如下：

第一，發(fā)光效率還不夠高：目前雖然試驗室水平大功率白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過(guò)了100lm/W，但量產(chǎn)的、性?xún)r(jià)比高的大功率白光LED發(fā)光效率還在60lm/W左右，節能優(yōu)勢還沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。

第二，地面對LED光的反射率低：由于目前白光LED光譜特征，路面及周邊物體對其反射率低，所以路面的亮度較低，與鈉燈的黃光相比，這是它的一個(gè)弱點(diǎn)。

大功率白光LED光源目前的發(fā)光效率還在約70lm/W～80lm/W的階段，理論其發(fā)光效率可以達到300lm/W左右，因此在技術(shù)上還有非常大的發(fā)展空間。同時(shí)半導體光源路燈目前正處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的開(kāi)始階段，在提高散熱效率、驅動(dòng)控制系統優(yōu)化、配光設計方面還有非常大的提升空間，還有大量的研發(fā)工作需要深入開(kāi)展。

目前一盞LED路燈平均需要100顆左右的1W白光LED，以全國每年路燈需求300萬(wàn)盞來(lái)計算，每年對白光大功率LED的需求將達到3億顆。

標準規范欠缺無(wú)法全面推廣

中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì )光電器件分會(huì )秘書(shū)長(cháng)彭萬(wàn)華

由于LED路燈有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：節能(據報道可節電能50以上)、長(cháng)壽命(可減少維修和延長(cháng)更換時(shí)間)，所以目前國內有關(guān)LED路燈的開(kāi)發(fā)、應用發(fā)展很快。很多大、中城市均有一些道路在試用LED路燈，但均未大批量采用。

LED路燈目前主要問(wèn)題是無(wú)標準規范，無(wú)法全面推廣，其中LED用于路燈的幾個(gè)主要參數如：色溫、顯色性(顯色指數)和眩光等尚未確定。

另外，LED路燈的價(jià)格過(guò)高，目前根據不同功率和安裝高度，其價(jià)位在3000元～5000元/只，大面積推廣應用有困難。

路燈的城市管理體制是多頭負責，這給LED路燈推廣應用帶來(lái)很大困難。

建議相關(guān)部門(mén)盡早組織制定LED路燈的相關(guān)標準和建立相關(guān)的檢測機構。

建設部新制定的路燈設計標準“城市道路照明設計標準”(CJJ45-2006)于2007年7月1日開(kāi)始執行，其中未提到使用LED路燈的問(wèn)題。在此，相關(guān)部門(mén)要組織有關(guān)人員認真討論，采用LED路燈是否可符合上述設計標準或需要提出哪些補充修改意見(jiàn)作為正式的標準規范要求。

另外，盡快制定采用LED路燈的道路路面測試方法標準，制定LED路燈的燈具(含LED燈)標準，提出LED路燈的主要參數包含色溫、顯色指數、眩光、發(fā)光強度(或照度)、角度以及熱阻和可靠性等指標要求，制定LED路燈的燈具測試方法標準，建立公正的權威的LED路燈相關(guān)檢測機構。

要不斷提高LED技術(shù)水平，降低LED路燈成本。隨著(zhù)LED技術(shù)的不斷突破，特別是LED發(fā)光效率的不斷提高以及LED封裝和燈具設計水平的提高，將可減少使用LED的個(gè)數和其他元器件數，即可大大降低LED路燈的成本。

希望城市道路的路燈管理能由一個(gè)部門(mén)統一管理，這樣在推廣LED路燈應用時(shí)會(huì )順利些。

初始安裝成本高制約推廣應用

華剛光電(上海)有限公司技術(shù)部經(jīng)理邵嘉平

LED路燈的初始安裝成本仍舊是傳統高壓鈉燈、金鹵燈的2-3倍，這是因為目前LED的光源成本較高，并且需要較復雜的光學(xué)、熱學(xué)及驅動(dòng)設計。

但近一兩年來(lái)，國內外均已出現大量LED路燈的應用案例，其主要優(yōu)勢在于：壽命長(cháng)、燈具整體光效高，因而可實(shí)現運行狀態(tài)下的總體節電效果。

LED光源本身光效提升空間大，半導體技術(shù)的特點(diǎn)使其發(fā)光光效(相應的外量子效率)有望在現有基礎上翻番，目前行業(yè)內高功率LED光效的頂級水平在100lm/W，研發(fā)水平已可大于130lm/W，將來(lái)有望實(shí)現大于200lm/W的水平。LED光源具有綠色環(huán)保特性，不含汞等重金屬，更方便回收。LED光源系統易維護，總體運行成本低，產(chǎn)品品質(zhì)高。以上諸多優(yōu)點(diǎn)，使得LED路燈的市場(chǎng)前景被廣泛看好。

LED在照明應用中，本質(zhì)上也屬于點(diǎn)光源，因此其光學(xué)設計，包括初級透鏡或反光裝置的設計和二次光學(xué)的設計等是一大應用難點(diǎn)。

此外，LED路燈照明系統的散熱方案，如基于金屬殼體的整體化設計、風(fēng)扇及熱管等輔助散熱裝置、有效防塵(塵土將極大妨礙散熱)等，這些都是較之傳統路燈所需特別注意的地方。

另外，LED所特需的恒流驅動(dòng)電源，是保證其正常工作的一大基石，簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電源的方案常會(huì )帶來(lái)LED器件的損傷。因此，LED路燈的進(jìn)一步推廣，有賴(lài)于光、熱、電等方面整體解決方案的日益成熟。

2010年大規模應用市場(chǎng)將啟動(dòng)

復旦大學(xué)教授方志烈

目前路燈應用市場(chǎng)已經(jīng)啟動(dòng)，原因有五，第一，在中間視覺(jué)條件下，目前路燈大量采用的鈉燈，效率比明視覺(jué)條件測量效率要低30，而LED由于是全光譜效率會(huì )提高40，目前取代鈉燈已能節電30-40，符合節電、減排國家政策。第二，考慮到壽命較長(cháng)，可免維護費用。由于驅動(dòng)電流小、電纜、變壓器和工程費用也在減少。第三，白光下視感和分辨能力都有提高。第四，由于耗電少和驅動(dòng)電壓低，可與光伏電池組成太陽(yáng)能路燈。第五，路燈均為政府部門(mén)建設和管理，較易推廣。

目前許多城市乃至小鎮，都有路燈示范工程，少則幾十盞，多則成千上萬(wàn)盞，國內已有多張2萬(wàn)盞路燈的訂單，可以說(shuō)這是通用照明中冒出的一匹黑馬。隨著(zhù)效率的進(jìn)一步提高和技術(shù)的日趨完善，將有很快的發(fā)展?？紤]到我國約有2億盞路燈這一廣闊市場(chǎng)，理應特別重視，加上已有部分企業(yè)產(chǎn)品出口，市場(chǎng)前景更為看好，2010年大規模應用市場(chǎng)將啟動(dòng)。

目前產(chǎn)品屬初始階段，良莠不齊，主要問(wèn)題是散熱問(wèn)題解決不好，不僅發(fā)光效率下降，而且光衰問(wèn)題較嚴重，甚至失效。有關(guān)部門(mén)要抓緊標準制定，出廠(chǎng)前要進(jìn)行光衰試驗，減小燈具熱阻，充分散熱，真正做到高效、長(cháng)壽命，以利市場(chǎng)的培育和健康發(fā)展。

LED替換高壓鈉燈節能40

科銳公司市場(chǎng)副總裁C h risJames

LED的性能現在已超過(guò)普遍采用的熒光燈，可以預見(jiàn)，LED照明技術(shù)將進(jìn)入多種環(huán)境中。除了節能之外，LED燈的使用壽命比傳統燈泡要長(cháng)得多，并且不采用普通燈泡中常見(jiàn)的汞、水銀、鉛等有害物質(zhì)，LED燈要更環(huán)保。

LED城市照明行動(dòng)(LEDCity社區)于2007年2月啟動(dòng)，在北卡羅來(lái)納州羅利推行停車(chē)庫照明試行項目，得到Cree(科銳)、LightingScienceGroup、AmTechLightingServices和ProgressEnergy的支持。該社區的目標是促使各個(gè)城市在部署節能照明時(shí)加強合作和提高效率，以便盡快達到節約成本與環(huán)保的目的。該試行項目是用LED燈具替換高壓鈉燈具，據ProgressEnergy評估，節能效果達到40。

LED城市照明行動(dòng)旨在滿(mǎn)足當地需求。從美國的得克薩斯到加拿大的多倫多，LED照明已經(jīng)成功部署在整個(gè)北美地區，每個(gè)示范區都為當地帶來(lái)巨大的能源節約，并滿(mǎn)足其經(jīng)濟需求。例如，密歇根大學(xué)所在的密歇根州阿恩阿波爾市有12.5萬(wàn)人，最近該市安裝1000多個(gè)LED路燈。這在中國看似不起眼的一個(gè)數目，但對像阿恩阿波爾市這樣規模的美國城市來(lái)說(shuō)卻具有重大意義。每個(gè)耗電56瓦的LED燈可以連續使用10年，來(lái)代替耗電120瓦且使用壽命只有兩年的燈泡，這使阿恩阿波爾市的公共照明能耗減半，每年的溫室效應氣體排放減少2425噸，這相當于400輛汽車(chē)上路一年排放的尾氣數量。

科銳公司在天津經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區等LEDCity合作伙伴的幫助下，作為新一代照明的倡導者共同推動(dòng)這一轉型。應用節能環(huán)保的LED技術(shù)將幫助解決世界能源短缺的難題，是我們迄今能夠采取的最有效的節能舉措之一。