十城万盏之重路灯技术能否承受

刘洋 香港应用科技研究院有限公司材料与封装技术群组　　刘洋,香港应用科技研究院有限公司项目经理。香港中文大学，电子工程专业，博士Ph.D.学位。 现从事LED照明应用中的光学设计，包括一次、二次光学设计以及灯具整体光学设计，照明系统的设计与性能评估等。在国际学术期刊和会议上共发表30余篇论文。　　LED路灯的前景　　LED应用于照明领域是近年来涌现并飞速发展的一项技术。中国是个高速发展中的国家，城市照明的需求不断增长，因此如何减少能源消耗，使用节能系统已经是中国政府重视和考虑的重大热点问题。LED照明系统的高效节能及低污染特性成为全球节能减排的一帖良方。　　目前全球约有路灯1.2亿至1.3亿盏，据2006年国家路灯行业统计，我国城市照明约有1500万盏以上的路灯，且随着国家基建的发展，近年来路灯的增长率约在20%以上。在全球积极节能减排的趋势下，LED路灯的需求量迅速增加，我国台湾地区的拓墣产业研究所的调查数据显示2007年全球LED路灯的渗透率仅0.23%，但预计2009年LED路灯的渗透率将超过1%，2011年可达4%。来自Strategies Unlimited的统计数据预计，当LED路灯市场渗透率突破至5%时，估计全球LED路灯的产值将会突破40亿美元，在2007～2013年期间，LED路灯产值的复合成长率高达87%。依此进行估算，全国每年照明路灯的市场规模应不低于50亿元。相对于传统照明系统而言，LED照明系统涉及多个不同领域的复杂工作，且目前的价格比传统路灯高，但随着技术的进步及市场需求的快速增长，LED照明系统的价格将会很快下降。因此，在长远的节能效益方面，LED照明系统的优势将不可取代。　　LED路灯的能效考量　　与传统路灯系统相比，LED路灯具以下特点：1.灯源及发光机理的不同；2.系统的集成特性及延伸性不同；3.影响系统效能的关键因数不同；4.系统构成需求不同。对于LED路灯而言，影响其系统效能的因数包括系统的光学效率、电源的效率以及系统的热管理方案。　　目前LED路灯通常采用透镜和反光杯作为二次光学设计的组件，其光学效率可达90%左右。现时的LED路灯多采用聚碳酸酯（PC）或亚克力（PMMA）胶板材料作为出光面的保护覆盖层以获得较高的透光率和减少灯具的重量。胶板材料在长时间暴露在阳光下时，会由于日光中紫外光的作用而出现老化现象，导致灯具的输出光通量下降。另外胶板材料由于材质较软且易产生静电，当受到沙尘吹袭时也易会出现表面沾尘及划损磨沙，严重影响其透光率。但是目前的技术标准或规范并没有就相关的问题有所规定，所以此问题仍有值得商榷和改进的空间。出于户外环境中防水防尘（一般要求在IP65以上）、有效抗老化和安全的考虑，LED路灯系统中的出光面上加盖高透光率(~94%)钢化玻璃应是可采用的替代方案，对于安全性的认证则仍可采用GB7000.5的标准进行鉴测。考虑到钢化玻璃的作用，LED路灯系统的整体光学效率在85%左右。　　影响其系统效能的因数之一的热管理方案亦十分重要。众所周知，LED照明系统中的散热功能直接决定该系统的性能和寿命。目前LED路灯市场上多采用美国Cree公司LED器件用于灯具的系统集成。Cree公司的大功率LED器件于25摄氏度升温至80摄氏度时，其白光出光效率降低10%，在相同温升条件下以350mA的驱动电流进行驱动时，LED的寿命会缩短30%左右，所以LED照明系统的散热成为至关重要且有待解决的问题。　　我们依据目前LED路灯的技术参数，将其系统能效与传统的高压钠灯（HPS）路灯做出比较，如图1所示。应用于城市道路照明的含有变压器/镇流器的HPS路灯，其系统功耗介于70W至400W之间，在计算中我们采用一般质量的HPS电源，既系统的电源效率为83%。而目前LED路灯的驱动电源的效率一般在83%～90%范围内。如图1中显示，HPS的灯具光效会随着系统功耗的增大而增大，这一特性是由其发光特性决定的。当灯具光学效率为75%时，70W至400W的HPS灯具光效为45lm/W至76lm/W。对于目前市场上的LED路灯而言，一些高端的LED器件本身的光效（正常工作环境温度下）为100lm/W左右，这些LED路灯系统的整体光效为72lm/W。　　相较于系统功耗为250W以下的HPS路灯，目前LED路灯的光效具有一定优势。以8m高的HPS路灯为例，灯源功率为100W～150W,系统功率为120W～180W，路面平均照度约为30lx~40lx。若满足国家道路照明设计标准要求的15lx～20lx的平均照度要求，HPS必须采用小功率的灯源，但灯具效率显著降低（从150W的60lm/W下降为70W的42lm/W)。对于道路路面平均照度20lx,若采用双侧交叉布置，系统功率80WLED路灯系统可以在不降低灯具效率（72lm/W)的前提下，有效实现调节系统功率输出和调节光暗的功能,比HPS节能40%。　　但是在和250W～400W的HPS路灯作比较时，这种优势就不复存在了。在图1中，400W的HPS灯具光效可达到76lm/W，换言之在此时，HPS路灯比LED路灯系统具有更好的节能效果。基于以上的数据，可以明显的得出以下结论：从节能减排的角度出发，为了更好的突现LED的特性和优点，LED路灯在现有的技术条件下，适合于安排在次要道路和支路上。主要道路或干道上暂时不推荐使用LED路灯。近期可注意到一些公司已推出120lm/W的大功率LED器件，使用这些LED器件，其灯具的光效理论上可达到86lm/W，估计路灯的成品会很快面世，预计使用120lm/W的大功率器件的LED路灯将在10米高和12米高的路灯市场上具有一定的竞争力，但是要完全取代传统路灯的市场还有一些难度。灯具的整体光效是除了价格和驱动电源寿命之外，决定LED路灯是否可以全面取代传统路灯的关键，即只有提高LED器件本身的光效，保证良好的光学效率、电源效率以及系统散热的性能，才能使LED路灯真正的占领市场。　　LED路灯的机构安全问题　　在新订规范“半导体照明试点示范工程-LED道路照明产品技术规范”（LB/T002-2009）中针对目前半导体照明“十城万盏”示范工程的道路照明，对LED路灯照明产品做出了相关功能性要求的规定，包括：规格分类、初始光通量、初始光效和光通维持率等基本光学性能参数等。该技术规范中还对电气安全要求以及无线电骚扰特性等做出了规定。但是规范中并没有考虑到LED路灯自身的机构安全稳定性对于产品的安全认证亦可能造成的影响。在我国针对道路照明灯具制定的国家标准中，有GB7000.1-2007和GB7000.5-2005分别对道路照明用灯的电气安全、机构安全、防水防尘要求和一些基本要求做出了规定。其中GB7000.5-2005特别提出了采用静态载荷测试来检测路灯系统的机构安全稳定性，以及灯具玻璃外罩的安全性测试方法。　　相较于静态载荷测试，台湾地区曾于2008年的 “发光二极体道路照明灯具标准草案”中提出了一种接近路灯实体应用时的风压测试方案，此方案采用低速风洞对LED路灯的机构部分进行安全测试。静态及动态测试的不同之处在于静态测试主要针对灯具的外部机构的抗负荷能力进行测试，而动态测试除需考量灯体内部裸露部件所产生额外的风力负载外，亦会侧重测试灯具整体在振动过程中外部结构和内部细小部件以及部件结合部是否有变形、松扣、脱落、龟裂等现象，因此两种测试方法仍具有相当程度的差异，对于具有大量散热机构的LED路灯而言，由于其散热机构较复杂，而且有些位于LED路灯的外部，依静态测试要求完成测试的产品未必可以确保通过动态测试，并保证在实际应用时的灯体机构强度。　　由于现行的技术规范中并未对LED灯具的机构安全性测试做出指引，因此对于“十城万盏”示范工程中使用的LED路灯的机构安全性造成一定程度上的隐忧，特别是对于一些位于沿海地带有台风威胁的试点工程，这种忧虑更加严重，对LED路灯产品进入市场并被广泛接受产生成本和时间上的障碍。因此，加入机构安全的评价方法与相关文件指引亦显重要。如果从严格考虑系统机构安全观点，动态测试也有其必要性且应纳入标准中作为灯体机构安全的评价依据！　　近年来许多LED关键技术已获突破，全球LED市场迅速崛起，我国政府于2009年提出了“十城万盏”计划，用以推动我国LED产业链中各项技术的发展。随着“半导体照明试点示范工程-LED道路照明产品技术规范”（LB/T002-2009）的出台，此规范为LED路灯技术的发展订立明确的发展方向，但仍存在部分定标及实际应用过程的差异问题有待解决。　　LED照明作为近几年来我国迅速蓬勃发展的一项产业，在政府的大力支持协助下，已经涌现出不少实际可用的产品和示范工程。在看到LED照明美好前景的同时，我们亦要正视当前技术发展中的问题，更加有效的提升灯具系统的光效。并不断完善修订现有的规范标准，最终藉由LED技术所开发照明产品为社会带来节能减排的实质效益，并带动我国高科技产业的自主发展。