LED應(yīng)用于照明領(lǐng)域是近年來涌現(xiàn)并飛速發(fā)展的一項技術(shù)。中國是個高速發(fā)展中的國家，城市照明的需求不斷增長，因此如何減少能源消耗，使用節(jié)能系統(tǒng)已經(jīng)是中國政府重視和考慮的重大熱點問題。LED照明系統(tǒng)的高效節(jié)能及低污染特性成為全球節(jié)能減排的一帖良方。
目前全球約有路燈1.2億至1.3億盞，據(jù)2006年國家路燈行業(yè)統(tǒng)計，我國城市照明約有1500萬盞以上的路燈，且隨著國家基建的發(fā)展，近年來路燈的增長率約在20%以上。在全球積極節(jié)能減排的趨勢下，LED路燈的需求量迅速增加，我國臺灣地區(qū)的拓墣產(chǎn)業(yè)研究所的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示2007年全球LED路燈的滲透率僅0.23%，但預(yù)計2009年LED路燈的滲透率將超過1%，2011年可達(dá)4%。來自StrategiesUnlimited的統(tǒng)計數(shù)據(jù)預(yù)計，當(dāng)LED路燈市場滲透率突破至5%時，估計全球LED路燈的產(chǎn)值將會突破40億美元，在2007～2013年期間，LED路燈產(chǎn)值的復(fù)合成長率高達(dá)87%。依此進(jìn)行估算，全國每年照明路燈的市場規(guī)模應(yīng)不低于50億元。相對于傳統(tǒng)照明系統(tǒng)而言，LED照明系統(tǒng)涉及多個不同領(lǐng)域的復(fù)雜工作，且目前的價格比傳統(tǒng)路燈高，但隨著技術(shù)的進(jìn)步及市場需求的快速增長，LED照明系統(tǒng)的價格將會很快下降。因此，在長遠(yuǎn)的節(jié)能效益方面，LED照明系統(tǒng)的優(yōu)勢將不可取代。
LED路燈的能效考量
與傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)相比，LED路燈具以下特點：1.燈源及發(fā)光機理的不同;2.系統(tǒng)的集成特性及延伸性不同;3.影響系統(tǒng)效能的關(guān)鍵因數(shù)不同;4.系統(tǒng)構(gòu)成需求不同。對于LED路燈而言，影響其系統(tǒng)效能的因數(shù)包括系統(tǒng)的光學(xué)效率、電源的效率以及系統(tǒng)的熱管理方案。
目前LED路燈通常采用透鏡和反光杯作為二次光學(xué)設(shè)計的組件，其光學(xué)效率可達(dá)90%左右?，F(xiàn)時的LED路燈多采用聚碳酸酯(PC)或亞克力(PMMA)膠板材料作為出光面的保護(hù)覆蓋層以獲得較高的透光率和減少燈具的重量。膠板材料在長時間暴露在陽光下時，會由于日光中紫外光的作用而出現(xiàn)老化現(xiàn)象，導(dǎo)致燈具的輸出光通量下降。另外膠板材料由于材質(zhì)較軟且易產(chǎn)生靜電，當(dāng)受到沙塵吹襲時也易會出現(xiàn)表面沾塵及劃損磨沙，嚴(yán)重影響其透光率。但是目前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范并沒有就相關(guān)的問題有所規(guī)定，所以此問題仍有值得商榷和改進(jìn)的空間。出于戶外環(huán)境中防水防塵(一般要求在IP65以上)、有效抗老化和安全的考慮，LED路燈系統(tǒng)中的出光面上加蓋高透光率(~94%)鋼化玻璃應(yīng)是可采用的替代方案，對于安全性的認(rèn)證則仍可采用GB7000.5的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鑒測?？紤]到鋼化玻璃的作用，LED路燈系統(tǒng)的整體光學(xué)效率在85%左右。
影響其系統(tǒng)效能的因數(shù)之一的熱管理方案亦十分重要。眾所周知，LED照明系統(tǒng)中的散熱功能直接決定該系統(tǒng)的性能和壽命。目前LED路燈市場上多采用美國Cree公司LED器件用于燈具的系統(tǒng)集成。Cree公司的大功率LED器件于25攝氏度升溫至80攝氏度時，其白光出光效率降低10%，在相同溫升條件下以350mA的驅(qū)動電流進(jìn)行驅(qū)動時，LED的壽命會縮短30%左右，所以LED照明系統(tǒng)的散熱成為至關(guān)重要且有待解決的問題。
我們依據(jù)目前LED路燈的技術(shù)參數(shù)，將其系統(tǒng)能效與傳統(tǒng)的高壓鈉燈(HPS)路燈做出比較，如圖1所示。應(yīng)用于城市道路照明的含有變壓器/鎮(zhèn)流器的HPS路燈，其系統(tǒng)功耗介于70W至400W之間，在計算中我們采用一般質(zhì)量的HPS電源，既系統(tǒng)的電源效率為83%。而目前LED路燈的驅(qū)動電源的效率一般在83%～90%范圍內(nèi)。如圖1中顯示，HPS的燈具光效會隨著系統(tǒng)功耗的增大而增大，這一特性是由其發(fā)光特性決定的。當(dāng)燈具光學(xué)效率為75%時，70W至400W的HPS燈具光效為45lm/W至76lm/W。對于目前市場上的LED路燈而言，一些高端的LED器件本身的光效(正常工作環(huán)境溫度下)為100lm/W左右，這些LED路燈系統(tǒng)的整體光效為72lm/W。
相較于系統(tǒng)功耗為250W以下的HPS路燈，目前LED路燈的光效具有一定優(yōu)勢。以8m高的HPS路燈為例，燈源功率為100W～150W,系統(tǒng)功率為120W～180W，路面平均照度約為30lx~40lx。若滿足國家道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的15lx～20lx的平均照度要求，HPS必須采用小功率的燈源，但燈具效率顯著降低(從150W的60lm/W下降為70W的42lm/W)。對于道路路面平均照度20lx,若采用雙側(cè)交叉布置，系統(tǒng)功率80WLED路燈系統(tǒng)可以在不降低燈具效率(72lm/W)的前提下，有效實現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率輸出和調(diào)節(jié)光暗的功能,比HPS節(jié)能40%。
但是在和250W～400W的HPS路燈作比較時，這種優(yōu)勢就不復(fù)存在了。在圖1中，400W的HPS燈具光效可達(dá)到76lm/W，換言之在此時，HPS路燈比LED路燈系統(tǒng)具有更好的節(jié)能效果?；谝陨系臄?shù)據(jù)，可以明顯的得出以下結(jié)論：從節(jié)能減排的角度出發(fā)，為了更好的突現(xiàn)LED的特性和優(yōu)點，LED路燈在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，適合于安排在次要道路和支路上。主要道路或干道上暫時不推薦使用LED路燈。近期可注意到一些公司已推出120lm/W的大功率LED器件，使用這些LED器件，其燈具的光效理論上可達(dá)到86lm/W，估計路燈的成品會很快面世，預(yù)計使用120lm/W的大功率器件的LED路燈將在10米高和12米高的路燈市場上具有一定的競爭力，但是要完全取代傳統(tǒng)路燈的市場還有一些難度。燈具的整體光效是除了價格和驅(qū)動電源壽命之外，決定LED路燈是否可以全面取代傳統(tǒng)路燈的關(guān)鍵，即只有提高LED器件本身的光效，保證良好的光學(xué)效率、電源效率以及系統(tǒng)散熱的性能，才能使LED路燈真正的占領(lǐng)市場。
LED路燈的機構(gòu)安全問題
在新訂規(guī)范“半導(dǎo)體照明試點示范工程-LED道路照明產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范”(LB/T002-2009)中針對目前半導(dǎo)體照明“十城萬盞”示范工程的道路照明，對LED路燈照明產(chǎn)品做出了相關(guān)功能性要求的規(guī)定，包括：規(guī)格分類、初始光通量、初始光效和光通維持率等基本光學(xué)性能參數(shù)等。該技術(shù)規(guī)范中還對電氣安全要求以及無線電騷擾特性等做出了規(guī)定。但是規(guī)范中并沒有考慮到LED路燈自身的機構(gòu)安全穩(wěn)定性對于產(chǎn)品的安全認(rèn)證亦可能造成的影響。在我國針對道路照明燈具制定的國家標(biāo)準(zhǔn)中，有GB7000.1-2007和GB7000.5-2005分別對道路照明用燈的電氣安全、機構(gòu)安全、防水防塵要求和一些基本要求做出了規(guī)定。其中GB7000.5-2005特別提出了采用靜態(tài)載荷測試來檢測路燈系統(tǒng)的機構(gòu)安全穩(wěn)定性，以及燈具玻璃外罩的安全性測試方法。
相較于靜態(tài)載荷測試，臺灣地區(qū)曾于2008年的“發(fā)光二極體道路照明燈具標(biāo)準(zhǔn)草案”中提出了一種接近路燈實體應(yīng)用時的風(fēng)壓測試方案，此方案采用低速風(fēng)洞對LED路燈的機構(gòu)部分進(jìn)行安全測試。靜態(tài)及動態(tài)測試的不同之處在于靜態(tài)測試主要針對燈具的外部機構(gòu)的抗負(fù)荷能力進(jìn)行測試，而動態(tài)測試除需考量燈體內(nèi)部裸露部件所產(chǎn)生額外的風(fēng)力負(fù)載外，亦會側(cè)重測試燈具整體在振動過程中外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部細(xì)小部件以及部件結(jié)合部是否有變形、松扣、脫落、龜裂等現(xiàn)象，因此兩種測試方法仍具有相當(dāng)程度的差異，對于具有大量散熱機構(gòu)的LED路燈而言，由于其散熱機構(gòu)較復(fù)雜，而且有些位于LED路燈的外部，依靜態(tài)測試要求完成測試的產(chǎn)品未必可以確保通過動態(tài)測試，并保證在實際應(yīng)用時的燈體機構(gòu)強度。
由于現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范中并未對LED燈具的機構(gòu)安全性測試做出指引，因此對于“十城萬盞”示范工程中使用的LED路燈的機構(gòu)安全性造成一定程度上的隱憂，特別是對于一些位于沿海地帶有臺風(fēng)威脅的試點工程，這種憂慮更加嚴(yán)重，對LED路燈產(chǎn)品進(jìn)入市場并被廣泛接受產(chǎn)生成本和時間上的障礙。因此，加入機構(gòu)安全的評價方法與相關(guān)文件指引亦顯重要。如果從嚴(yán)格考慮系統(tǒng)機構(gòu)安全觀點，動態(tài)測試也有其必要性且應(yīng)納入標(biāo)準(zhǔn)中作為燈體機構(gòu)安全的評價依據(jù)!
近年來許多LED關(guān)鍵技術(shù)已獲突破，全球LED市場迅速崛起，我國政府于2009年提出了“十城萬盞”計劃，用以推動我國LED產(chǎn)業(yè)鏈中各項技術(shù)的發(fā)展。隨著“半導(dǎo)體照明試點示范工程-LED道路照明產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范”(LB/T002-2009)的出臺，此規(guī)范為LED路燈技術(shù)的發(fā)展訂立明確的發(fā)展方向，但仍存在部分定標(biāo)及實際應(yīng)用過程的差異問題有待解決。
LED照明作為近幾年來我國迅速蓬勃發(fā)展的一項產(chǎn)業(yè)，在政府的大力支持協(xié)助下，已經(jīng)涌現(xiàn)出不少實際可用的產(chǎn)品和示范工程。在看到LED照明美好前景的同時，我們亦要正視當(dāng)前技術(shù)發(fā)展中的問題，更加有效的提升燈具系統(tǒng)的光效。并不斷完善修訂現(xiàn)有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，最終藉由LED技術(shù)所開發(fā)照明產(chǎn)品為社會帶來節(jié)能減排的實質(zhì)效益，并帶動我國高科技產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展。
馮耀元
下載文檔
