關(guān)于LED路燈技術(shù)發(fā)展現狀及未來(lái)發(fā)展特點(diǎn)探討

　各國積極推動(dòng)落實(shí)節能減排項目，尤其中國的LED路燈因商機龐大而被受LED路燈廠(chǎng)家重視。路燈是城市照明的重要組成部分，傳統的路燈常采用高壓鈉燈，高壓鈉燈整體上光效低的缺點(diǎn)造成了能源的巨大浪費，因此，開(kāi)發(fā)新型高效、節能、壽命長(cháng)、顯色指數高、環(huán)保的路燈對城市照明節能具有十分重要的意義。

　　當今LED路燈特點(diǎn)：

　　大功率LED路燈與常規高壓鈉燈路燈不同的是，大功率LED路燈的光源采用低壓直流供電、由GaN基功率型藍光LED與黃色熒光粉合成的高效白光二極管，發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，簡(jiǎn)寫(xiě)為L(cháng)ED)是基于半導體PN結形成的用微弱的電能就能發(fā)光的高效固態(tài)光源，在一定的正向偏置電壓和注入電流下，注入P區的空穴和注入N區的電子在擴散至有源區后經(jīng)輻射復合而發(fā)出光子，將電能直接轉化為光能。

　　LED作為路燈的光源，它和傳統路燈光源比較有許多優(yōu)點(diǎn)。

　　1、LED路燈本身具有光的指向性，沒(méi)有光的漫射，保證光效；

　　2、LED路燈有獨特的二次光學(xué)設計，將LED路燈的光照射到所需照明的區域，即路面，進(jìn)一步提高了光照效率，達到節能目的；

　　3、LED的光源效率目前已達100lm/W，而且還有很大的發(fā)展空間，理論值能達到250lm/W。而高壓鈉燈的發(fā)光效率是隨功率增加才有所增加，因此，總體光效LED路燈比高壓鈉燈強；

　　4、LED路燈的光顯色性比高壓鈉燈高，高壓鈉燈顯色指數只有23左右，而LED路燈顯色指數可達到75以上，從視覺(jué)心理角度考慮，達到同等亮度，LED路燈的光照度平均可以比高壓鈉燈降低20%以上(參照英國道路照明標準)；而且，在中間視覺(jué)水平下，人眼在高色溫環(huán)境里比低色溫環(huán)境更容易辨別事物，避免了某些危險狀態(tài)的發(fā)生；

　　5、LED路燈的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍達到道路使用照度要求，因此，LED路燈在使用功率的設計上可以比高壓鈉燈低；

　　6、LED路燈可以自動(dòng)調光，能實(shí)現在滿(mǎn)足不同時(shí)段照明要求，最大可能的降低功率，節省電能；

　　7、LED是低壓直流器件，驅動(dòng)單顆LED的電壓為安全電壓，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。直流的特點(diǎn)使LED特別適合與太陽(yáng)能、風(fēng)電進(jìn)行結合；

　　8、每個(gè)單元LED晶粒只有很小體積，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變、易震的環(huán)境；

9、壽命長(cháng)：理論壽命能使用5萬(wàn)小時(shí)以上；

　　10、LED可以進(jìn)行頻繁的開(kāi)關(guān)而不用擔心其損壞；

　　11、安裝簡(jiǎn)便：直接將LED路燈燈頭安裝于燈桿替換原有的鈉燈燈頭；

　　12、散熱控制出色：能將LED結點(diǎn)溫度降到70°C以下，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，結點(diǎn)溫度還在進(jìn)一步下降，結點(diǎn)溫度越低，理論上LED芯片壽命就越長(cháng)；

　　13、質(zhì)量可靠：電路電源全部采用高質(zhì)量元器件，每顆LED都有單獨過(guò)流保護及串并聯(lián)保護，就算一顆損壞，也不會(huì )導致其他LED芯片失效；

　　14、LED光源不含有害金屬汞，不像高壓鈉燈或金屬鹵化物燈在報廢時(shí)對環(huán)境造成危害。

　　但是，最近聽(tīng)到不少專(zhuān)家學(xué)者的意見(jiàn)，認為L(cháng)ED作為路燈來(lái)取代高壓鈉燈在技術(shù)上還不成熟。主要的理由有以下幾點(diǎn)：

　　1.LED的發(fā)光效率無(wú)法和高壓鈉燈相比；

　　2.LED的照射過(guò)于集中，其照射的均勻度差；

　　3.LED路燈的光衰嚴重，壽命不長(cháng)；

4.LED路燈本身自重過(guò)重，不利于安裝，防風(fēng)；

　　5.LED路燈造價(jià)過(guò)高，無(wú)法普及；

　　我們根據以上的觀(guān)點(diǎn)逐一進(jìn)行分析：

　　1.發(fā)光效率問(wèn)題

　　目前來(lái)說(shuō)，LED的發(fā)光效率從數字上來(lái)看的確不如高壓鈉燈。LED現在的光效一般在65~75lm/w，而且隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，LED的光效每年都在提高，而高壓鈉燈可以達到125lm/w。但是，高壓鈉燈的光譜比較集中于黃色，它的色溫比較低，只有2000~2500K，而LED的色溫較高，可以達到3500~4500K以上。另外高壓鈉燈的光線(xiàn)是向四處發(fā)射的，有很大一部分光無(wú)法到達路面。

還有，高壓鈉燈的顯色指數差，只有23左右，感覺(jué)昏暗；而LED的顯色指數高，可以達到75~80。路面明亮，感覺(jué)舒適。所以從實(shí)際的發(fā)光效果來(lái)看，LED反而可以比高壓鈉燈高出很多。135W的LED可以取代250W的高壓鈉燈，或300W的水銀燈。135W的LED，其輸出光通量大約只有7020流明(經(jīng)過(guò)二次光學(xué)設計，會(huì )有所損失)，到達路面時(shí)的流明數仍為6500流明，而路面的平均照度可以達到16Lux(12m高桿)。250W高壓鈉燈的輸出光通量為20，000流明。但到達路面的流明數就只有7000流明。路面的照度大約為30~40Lux，由于顯色系數的差別，LED的照度修正系數為2.35倍，高壓鈉燈的修正系數為0.94倍。所以135W的LED經(jīng)過(guò)修正以后地面的照度為37.6Lux，而高壓鈉燈的修正后的照度為28.2~37.6。二者相當。所以，135W的LED可以取代250W的高壓鈉燈，LED可以節能1.85倍，節能效率約為50%。

　　2.照射均勻度問(wèn)題

　　的確，如果不進(jìn)行二次光學(xué)設計，LED的照射是比較集中，所以一定要進(jìn)行二次光學(xué)設計，使其光強分布圖呈蝙蝠形。

　　3.LED的光衰問(wèn)題

　　現在有的商家，為了降低成本，就采用幾百只φ5的小功率LED。然而這種小功率的LED的光衰是非常嚴重的，其光衰至80%的壽命只有1000小時(shí)。所以，作為需要長(cháng)期使用的路燈是絕對不能允許采用這種小功率LED的。作為大功率LED，其光衰就要好很多。

　　4.LED路燈的自重問(wèn)題

　　LED路燈，在和高壓鈉燈的替換過(guò)程中，為了防止LED路燈燈頭過(guò)重，一些LED路燈廠(chǎng)家盡可能的在減少LED燈頭的自重。

　　從原來(lái)的單個(gè)燈頭約30公斤左右，降到了現在的10多公斤。重量的減輕還有進(jìn)一步下降的趨勢。

　　5.LED路燈造價(jià)過(guò)高，無(wú)法普及

　　LED路燈是由很多部分組成的，而其中發(fā)光最有效的元件是芯片，價(jià)格最貴的部分也在芯片?，F在的芯片的光效在65~75lm/w，但是各大芯片廠(chǎng)商都在研制更大光效的芯片。試想一下，隨著(zhù)科技的進(jìn)步，光效一旦發(fā)展到很高的水平，那么使用芯片的數量會(huì )比現在的少，而且芯片的價(jià)格也會(huì )同時(shí)下降。到那時(shí)，LED路燈整體價(jià)格也會(huì )下降。

　 未來(lái)LED路燈特點(diǎn)：

　　個(gè)人認為，LED路燈替換高壓鈉燈，是今后節能減排的一個(gè)趨勢。LED路燈要發(fā)展，我認為在以下幾個(gè)方面需要注意：

　　1.提高光通

　　2.弄好二次光學(xué)

　　3.解決散熱

　　4.模塊化

　　A.光通的提高還需要從大功率的LED的外延技術(shù)、芯片工藝等基礎層次進(jìn)一步提升。目前，國內外制作白光LED的方法是先將LED芯片放置在封裝的基片上，用金絲進(jìn)行鍵合，然后在芯片周?chē)糠骙AG熒光粉，再用環(huán)氧樹(shù)脂包封。樹(shù)脂既起保護芯片的作用又起到聚光鏡的作用。從LED芯片發(fā)射出的藍色光射到周?chē)?/STRONG>的熒光粉層內經(jīng)多次散亂的反射、吸收，最后向外部發(fā)出。LED(藍)的光譜線(xiàn)的峰值在465nm處，半值寬為30nm。LED發(fā)出的部分藍色光激發(fā)黃色的YAG熒光粉層，使其發(fā)出黃色光(峰值為555nm)，一部分藍色光直接或反射后向外發(fā)出，最終達到外部的光為藍黃二色光，即白光。芯片倒裝技術(shù)(FlipChip)可以得到比傳統的LED芯片封裝技術(shù)更多的有效出光。

但是如果不在芯片的發(fā)光層的電極下方增加反射層來(lái)反射出浪費的光能，則會(huì )造成約8%的光損失。所以底板材料上必須增加反射層。芯片側面的光也必須利用熱沉的鏡面加以反射，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍寶石襯底(Sapphire)與環(huán)氧樹(shù)脂導光結合面間應加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。經(jīng)過(guò)光學(xué)封裝技術(shù)的改善，可以大幅度的提高大功率LED器件的出光率(光通量)。

B.LED照明器具進(jìn)行優(yōu)化設計，提高LED的使用質(zhì)量。因此研究大功率LED光源二次光學(xué)配光設計，滿(mǎn)足大面積投光和泛光照明配光需求尤為迫切。通過(guò)二次光學(xué)設計技術(shù)，設計外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。傳統光源照射方向為360°，燈具依靠反射器將大部分光線(xiàn)反射到特定方位，只有40%左右的光是直接透過(guò)玻璃罩到達路面的，其他的光是通過(guò)燈具反射器再投射出燈具的，燈具的反射器的效率一般僅為50%~60%，所以有60%左右的光輸出在燈具內，是在損失了30%~40%后再投射到路面上的。光源光輸出的很大一部分被限制在燈具內部發(fā)熱消耗掉。

LED燈的絕大部分光線(xiàn)都是前射光，可以實(shí)現>95%的光效，這是LED區別于其他光源的重要特性之一，如果不能將這一特性很好利用，會(huì )使LED的優(yōu)勢大打折扣。大多數大功率LED燈由于是多個(gè)LED芯片拼裝，要將這么多光源照到不同方向，我們充分發(fā)揮芯片整體封裝的特點(diǎn)，采用透鏡加以解決，通過(guò)光學(xué)設計，根據不同需要，配備不同凸面曲線(xiàn)，依靠透鏡來(lái)將光線(xiàn)分配到不同方向，保證出光角度大的可以達到120°～160°，小的可以將光線(xiàn)聚集在30°以?xún)?，透鏡一旦定型，在生產(chǎn)工藝保證的前提下，同種燈具的配光特性也就達到了一致。

　　完全可以通過(guò)經(jīng)過(guò)多次試制，不斷地總結經(jīng)驗，能夠使LED路燈達到道路照明標準要求的蝙蝠翼光型。目前隧道燈、路燈和一般照明燈已達到各自應用場(chǎng)所的照明要求。

　　C.散熱是LED路燈需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。眾所周知，LED是個(gè)光電器件，其工作過(guò)程中只有15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個(gè)大問(wèn)題。例如，1個(gè)10W白光LED若其光電轉換效率為20%，則有8W的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會(huì )急速上升，當其結溫(TJ)上升超過(guò)最大允許溫度時(shí)(一般是150℃)，大功率LED會(huì )因過(guò)熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。由于LED路燈亮度要求高，使用環(huán)境比較苛刻，如果散熱解決不好，會(huì )迅速導致LED老化，穩定性降低。一盞采用250W高壓鈉燈的路燈，由于技術(shù)成熟，散熱控制的很好，即使工作5000小時(shí)，光衰仍然很小。以目前的技術(shù)，相同條件下的大功率LED路燈，如果散熱解決不好，光衰會(huì )很大。目前LED路燈的散熱方式主要有：自然對流散熱、加裝風(fēng)扇強制散熱、熱管、回路熱管散熱和均溫板散熱等。加裝風(fēng)扇強制散熱方式系統復雜、可靠性低，熱管和均溫板散熱方式成本較高。

　　D.LED路燈，最終會(huì )選擇模塊化安裝及維修。現在路面用的最多的高壓鈉燈，內部的鎮流器等部件不容易損壞，大部分不亮的原因是光源損壞，維修的方式只要更換光源即可。一個(gè)熟練的操作工人，完全可以個(gè)人進(jìn)行高臺操作。但是，LED路燈，內部的部件很多，除了光源(芯片)，其他各個(gè)部分損壞都會(huì )導致芯片不亮。所以，在現場(chǎng)，無(wú)法立刻斷定LED路燈損壞的原因。如果LED路燈不亮，需要把LED路燈摘下運回工廠(chǎng)進(jìn)行各項檢測。這樣更換LED路燈的方式顯得非常繁瑣。LED路燈的發(fā)展最終版本，就是發(fā)展成為模塊化。光源、電氣等之間全部是按照插接進(jìn)行更換，這樣，一個(gè)熟練的工人，也完全能獨立進(jìn)行判斷損壞的原因并進(jìn)行現場(chǎng)維修。

　　結論

　　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。綜上所述，LED路燈替換高壓鈉燈，是今后道路照明的必然趨勢。