大功率白光LED道路照明探讨[2]

　　某著名跨国公司技术人员介绍他们的1W白光LED的初始光效达到了70lm/W，正常运转时因p-n结温度上升，光效降为50lm/W。

　　2007年日本材料科学研究所纳米陶瓷中心得到的结果是最高的[3]，他们采用中心波长为450nm的InGaN蓝光LED和光子转换效率高、在450nm蓝光范围 有强吸收峰、温度系数低的三种荧光粉进行了试验，这三种荧光粉分别为：α-sialon: Yb2+、α-sialon: Eu2+和Sr2Si5 N8: Eu2+。这些荧光粉的特点是发光效率的热衰减较小，在150℃时仍保持初始值的85%。这三种荧光粉的发射光谱示如Fig.5。

　　以InGaN蓝光LED和1号荧光粉制成的白光LED的发射光谱示如Fig.6，其光效为55lm/W，色温4500K。这是本人所知道白光LED的最高光效报导(据测试国内1W白光LED的光通量大多在40lm以下)。采用2号和3号混合荧光粉试制的白光LED的发射光谱示如Fig.7，其显色指数提高到82，色温4200K，但光效确降低到20lm/W。

　　如前所述，LED的发光是由n型半导体中的负载流子(电子)在外电势作用下克服阻挡层电势进入p型半导体并为空穴俘获产生复合发光的。通常半导体的温度系数较大，随温度上升其电阻率下降，阻挡层电势也将降底，与此同时其辐射的中心波长将向长波方向漂移(红移)而使荧光粉的发光效率下降。

　　目前白光LED运转时最多20%的能量以光子形式辐射，其余80%的能量均转化为热能使芯片和荧光粉涂层加热。对于小功率LED， 80%的输入功率的加热作用不会使芯片温度上升太多，对LED的光效、寿命和运转状态影响不大。但是0.5W或更大功率的白光LED，其功耗的80%以上集中发生在非常小的p-n结区，必将使芯片和荧光粉涂层大幅升温，这不仅影响光效，而且会造成快速光衰并使寿命缩短。

　　5万或10小时的长寿命判断是在LED发展初期对小功率单色LED估算的，对于大功率LED，特别是白光LED，由于芯片和荧光粉长期在高温下烘烤，必将使寿命大幅下降。这就是设计不良的LED照明工程在运转3~4个月后急剧的光衰使设计者不得不常常更换光源的原因。

　　Ⅲ LED和道路照明

　　由于对白光LED的巨大投资和过分的宣传，至使这一领域的部分人员对白光LED寄以过高期望，急于将白光LED推向常规功能照明，很多这一领域的人员并将之直接推广到道路照明方面，数年来全国完成的LED道路照明和LED光伏道路照明样板工程不下数十处(作者考察过多条采用LED作光源的道路照明工程)已经取得了足够多的经验和教训有待总结。本人认为这一试验应当暂时放缓，待条件成熟后再重新启动。

　　目前我国和发达国家的道路照明的主要光源仍然是高压钠灯、少数用金属卤化物灯，前者光效为100~120lm/W，但显色指数仅为20或更低，后者的光效80~100lm/W，显色指数80左右，考虑到电器配件的能耗，采用此类光源实际的系统光效在75lm/W~90lm/W之间。由于道路照明所用灯具的光反射率不高，通常均在60%以下。采用此类灯具时有约40%光直射地面，其余60%的光则需经灯具反射后射向地面。粗略估算去除各种损耗后常规道路照明的总光利用率不超过76%，由此估计最终的光效约为60lm/W~70lm/W。此外由于灯具设计的不合理以及高压钠灯特殊的细长柱状发光体而造成光分布不均匀，为使道路中线和二灯之间的暗区达到照明标准，设计时不得不采用更大功率、更高光通量的光源以满足暗区的照度要求，从而更造成了电能的浪费。

　　基于上述情况LED道路照明设计者认为利用LED的定向辐射性能进行道路照明设计、可以大幅减少能量的浪费，他们认为白光LED比高压钠灯更节能。他们设计了若干利用大功率(1W、3W)白光LED的道路照明方案，并做成样板工程。但是这些样板工程大都并未经过仔细测试和认证。其中一种照明设计方案是将120只1W白光LED矩阵式分布在200×250mm的矩形平面电路板上，板后为接线，然后整体安装在常规路灯灯具中。这种设计是极不科学的，该方案选用的LED单只发光量不超过40lm，估以40lm论之，考虑到配套电器损耗(10%)以及90%的光利用率，其实际系统光利用率不足32lm/W，120只 LED的总有效光通量约4300lm。假如LED的光发射角为120°，按这一设计4300lm的光将以120°的发射角射向下方。可以想象这样的设计将使地面光分布极不均匀，街心及灯杆之间完全黑暗。加以这些设施中并未考虑对LED基片采取有效降温措施，如此多的LED集中在如此小的空间，80多瓦的功耗持续积累将使芯片温度过高，阻挡层压降下降，所发蓝光向长波方向漂移，这必然造成其光效的严重下降。考察了北京郊区某光伏照明样板路(光源总功率为105W)灯下照度只有3.5 lux，据云此前二个半月、该工程刚完工时灯下照度为7 lux。而灯下直径15米以外的地方则根本没有任何照明效果。在江苏、浙江、山东、广东不乏此类工程样板，例如广东顺德某处和深圳某处的LED道路照明示范街不仅灯光昏暗，而且每隔3~5个月必需更换光源。

　　LED道路照明试验必须在专家指导下、经过严格认证和设计后才能施行。

　　广东某些专门从事LED道路照明工程的企业从中接取了教训，他们采取的措施是使1W LED工作在0.5~0.6W状态，或是将3W LED设计为1W使用，这样虽然成本很高、光效很低，照明效果不佳，但基本解决了光衰和寿命问题。

　　某跨国公司鉴于中国的白光LED很热、专门为中国研发出了一种用于道路照明的白光LED，他们将1W LED前端的封装材料设计为特定的凸透镜结构，据称采用此种LED不需二次、三次光学设计就可得到均匀的道路照明，使用方便。该公司宣称此种LED的冷态光效为70lm/W，正常使用时则为50lm/W。

　　浙江某公司设计了用于道路照明的集成式白光LED，他们将多个蓝光LED芯片组装在同一基板上，用一只专门设计的较大凸透镜作输出窗、在输出窗内壁涂敷荧光粉，使所有LED芯片共同激发同一荧光粉涂层。这种组合式LED的发光特征被改造得与常规球形光源相近，使用较为方便，但这种结构LED的基板散热问题仍然存在。
　　需要注意的是将多个LED集中在一起进行道路照明设计时、除足够的光通量和合理的光学设计以保证合理的光分布外、更为重要的是散热问题。如前所述，目前LED的能耗中约80%以上转化为热量，而半导体器件是不耐高温的，如果不能将所产生的热量即时导走则必将引起严重后果。

　　用LED进行的道路照明条件目前尚未成熟，这既有待于LED光效的提高和功率的加大，更有待于有效的LED散热方案和措施的解决，当然更合理的光学设计也是非常重要的。