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大功率白光LED道路照明探討

發(fā)布時間:2009-06-04 來源:光電新聞網(wǎng)

中心議題:
  • 大功率LED的發(fā)光原理與效能
  • 各色LED的效能比較
  • 白光LED能否用在道路照明
  • LED現(xiàn)階段的發(fā)展
解決方案:
  • 改進白光產(chǎn)生機制
  • 改進LED產(chǎn)品的穩(wěn)定性

LED的普遍的評價是高光效和長壽命,很多廠家宣稱其產(chǎn)品光效高達90lm/W或更高,但這些數(shù)據(jù)只是實驗室在測試初始階段LED仍處于冷態(tài)時所得最高數(shù)據(jù)。所謂5萬小時或10萬小時只是早期對小功率單色LED的估算結(jié)果。

LED的發(fā)光機理可以估算其理論光效。如所周知LED是利用載流子復(fù)合而發(fā)光的,載流子復(fù)合時其勢能全部轉(zhuǎn)化為光能,單就這一過程而言其內(nèi)量子效率為100%。但是載流子在介質(zhì)中與晶格碰撞而損失的能量、復(fù)合時載流子所攜帶的動能、以及為克服外電路電阻而消耗的電能均不可能轉(zhuǎn)化為光能??紤]到各種附加能耗、載流子復(fù)合的實際內(nèi)量子效率不會超過90%。
                     

 流子復(fù)合時產(chǎn)生的光子有50%的幾率為外向輻射,這50%的光子中一部分與晶格碰撞并為晶格吸收轉(zhuǎn)化為熱能。部分光子傳輸時在不同介質(zhì)交界面處會反射回原介質(zhì)并被吸收,此外作為輸出窗的外電極的金屬網(wǎng)膜或透明導(dǎo)電膜也將使部分光子反射并被吸收,這些過程都會降低LED的量子提取率,設(shè)這部分光子的量子提取率為80%。
 
載流子復(fù)合時產(chǎn)生的光子中有50%的幾率為內(nèi)向輻射,這部分光子在到達兼作反射鏡的底層導(dǎo)電膜時將部分反射轉(zhuǎn)化為外向輸出光,然而此部分光子在向內(nèi)或向外傳輸過程中將與晶格碰撞并被部分吸收,而在經(jīng)過不同介質(zhì)交界面時也將部分反射或折射回原介質(zhì)最終被吸收?;追瓷溏R的反射效率和上述過程的限制而使得內(nèi)向輻射的光子轉(zhuǎn)化為輸出光的量子提取率不會超過40%。

根據(jù)以上分析可以估算出LED總的電光轉(zhuǎn)換效率約為54%,這是非常理想的情況下的估計結(jié)果。制造工藝中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均將造成其能量轉(zhuǎn)換效率的下降。與可見光轉(zhuǎn)換效率不足5%的白熾燈相比,甚至與當前轉(zhuǎn)換效率最高的高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈相比(電光轉(zhuǎn)換效率約為30%)也是非常高的,這正是LED有十分誘人前景的原因所在。

眾所周知,將1W能量全部轉(zhuǎn)化為555nm波長的黃光時產(chǎn)生的光通量可達683lm/W(683lm/W即光功當量),若全部轉(zhuǎn)換為白光則約為360lm/W。如本文前面的估計,在十分理想情況下發(fā)555nm黃光的LED最高可能達到約300lm/W的最高光效,目前上述估計還遠未實現(xiàn)。目前所報導(dǎo)的LED的最高光效實際只達到這一理想值的一半,而實際上還不足其1/4,這也正是人們論為LED尚有巨大潛力可挖、對之寄以厚望的原因所在。

提高LED發(fā)光效率的關(guān)鍵在于提高量子提取率,亦即盡可能減少光子的內(nèi)部吸收,這就是LED向超薄型發(fā)展的原因。目前最高光效的超薄型(厚度數(shù)十納米)GaN LED、其下導(dǎo)電膜采用了高反光鏡膜、并將輸出窗內(nèi)表面制成粗糙構(gòu)造、以減少光子的內(nèi)向反射,然而即使如此目前報導(dǎo)的最高光效不過150lm/W。[3]

以上分析的是對單色光LED的進行的,將單色光轉(zhuǎn)化為白光還須再經(jīng)過一次量子轉(zhuǎn)換,目前大都采用發(fā)射光譜的中心波長約470nm的藍光LED來激發(fā)輻射光譜中心波長為560nm的寬帶黃光熒光粉,從而制成藍黃光混合的白光LED,但是這將使LED的光效近一步降低。其光子效率可以估算如下:[page]

如果保留LED輻射中的約20%藍光輸出,用剩余的80%的藍光激發(fā)黃光熒光粉,在最佳情況下這80%的藍光中約有20%以上的光子將為熒光粉吸收,其余80%下轉(zhuǎn)移為以560nm為中心波長的寬帶黃光輻射,這一過程平均產(chǎn)生16.1%的量子能量損失。結(jié)合前面的數(shù)據(jù)可以估計白光LED的總能效不會超過40%,換算為白光時白光LED的總光效最多不過150lm/W。如果沒有其他突破,這是當前白光LED可能達到最高光效,這一光效與當前最高光效的光源如HID燈中的高壓鈉燈或陶瓷金鹵燈相比還高一些。但是目前實際達到的光效尚未及此一半。

我們曾對此進行了實驗研究,我們利用某公司生產(chǎn)的1W高亮度藍光LED,其光譜的中心輻射波長為470nmFig.3,去除外封裝后分別涂敷不同厚度的輻射的中心波長為560nm的黃光熒光粉涂層,經(jīng)處理后測量其發(fā)射光譜。從二十余種不同厚度的樣品中選擇了四種典型情況,其結(jié)果見Fig.4 a,b,c,d及附表。最佳情況下(Fig.4 c)的光通輸出為38lm(初始冷態(tài)約50lm),顯色指數(shù)為78。

某著名跨國公司技術(shù)人員介紹他們的1W白光LED的初始光效達到了70lm/W,正常運轉(zhuǎn)時因p-n結(jié)溫度上升,光效降為50lm/W。

                                                    
                 
                                       [page]
2007
年日本材料科學(xué)研究所納米陶瓷中心得到的結(jié)果是最高的[3],他們采用中心波長為450nmInGaN藍光LED和光子轉(zhuǎn)換效率高、在450nm藍光范圍 有強吸收峰、溫度系數(shù)低的三種熒光粉進行了試驗,這三種熒光粉分別為:α-sialon: Yb2+、α-sialon: Eu2+Sr2Si5 N8: Eu2+。這些熒光粉的特點是發(fā)光效率的熱衰減較小,在150時仍保持初始值的85%。這三種熒光粉的發(fā)射光譜示如Fig.5
                                                   
  

                                                 

InGaN藍光LED1號熒光粉制成的白光LED的發(fā)射光譜示如Fig.6,其光效為55lm/W,色溫4500K。這是本人所知道白光LED的最高光效報導(dǎo)(據(jù)測試國內(nèi)1W白光LED的光通量大多在40lm以下)。采用2號和3號混合熒光粉試制的白光LED的發(fā)射光譜示如Fig.7,其顯色指數(shù)提高到82,色溫4200K,但光效確降低到20lm/W

如前所述,LED的發(fā)光是由n型半導(dǎo)體中的負載流子(電子)在外電勢作用下克服阻擋層電勢進入p型半導(dǎo)體并為空穴俘獲產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光的。通常半導(dǎo)體的溫度系數(shù)較大,隨溫度上升其電阻率下降,阻擋層電勢也將降底,與此同時其輻射的中心波長將向長波方向漂移(紅移)而使熒光粉的發(fā)光效率下降。

目前白光LED運轉(zhuǎn)時最多20%的能量以光子形式輻射,其余80%的能量均轉(zhuǎn)化為熱能使芯片和熒光粉涂層加熱。對于小功率LED, 80%的輸入功率的加熱作用不會使芯片溫度上升太多,對LED的光效、壽命和運轉(zhuǎn)狀態(tài)影響不大。但是0.5W或更大功率的白光LED,其功耗的80%以上集中發(fā)生在非常小的p-n結(jié)區(qū),必將使芯片和熒光粉涂層大幅升溫,這不僅影響光效,而且會造成快速光衰并使壽命縮短。

5萬或10小時的長壽命判斷是在LED發(fā)展初期對小功率單色LED估算的,對于大功率LED,特別是白光LED,由于芯片和熒光粉長期在高溫下烘烤,必將使壽命大幅下降。這就是設(shè)計不良的LED照明工程在運轉(zhuǎn)3~4個月后急劇的光衰使設(shè)計者不得不常常更換光源的原因。[page]

LED
和道路照明

由于對白光LED的巨大投資和過分的宣傳,至使這一領(lǐng)域的部分人員對白光LED寄以過高期望,急于將白光LED推向常規(guī)功能照明,很多這一領(lǐng)域的人員并將之直接推廣到道路照明方面,數(shù)年來全國完成的LED道路照明和LED光伏道路照明樣板工程不下數(shù)十處(作者考察過多條采用LED作光源的道路照明工程)已經(jīng)取得了足夠多的經(jīng)驗和教訓(xùn)有待總結(jié)。本人認為這一試驗應(yīng)當暫時放緩,待條件成熟后再重新啟動。

目前我國和發(fā)達國家的道路照明的主要光源仍然是高壓鈉燈、少數(shù)用金屬鹵化物燈,前者光效為100~120lm/W,但顯色指數(shù)僅為20或更低,后者的光效80~100lm/W,顯色指數(shù)80左右,考慮到電器配件的能耗,采用此類光源實際的系統(tǒng)光效在75lm/W~90lm/W之間。由于道路照明所用燈具的光反射率不高,通常均在60%以下。采用此類燈具時有約40%光直射地面,其余60%的光則需經(jīng)燈具反射后射向地面。粗略估算去除各種損耗后常規(guī)道路照明的總光利用率不超過76%,由此估計最終的光效約為60lm/W~70lm/W。此外由于燈具設(shè)計的不合理以及高壓鈉燈特殊的細長柱狀發(fā)光體而造成光分布不均勻,為使道路中線和二燈之間的暗區(qū)達到照明標準,設(shè)計時不得不采用更大功率、更高光通量的光源以滿足暗區(qū)的照度要求,從而更造成了電能的浪費。

基于上述情況LED道路照明設(shè)計者認為利用LED的定向輻射性能進行道路照明設(shè)計、可以大幅減少能量的浪費,他們認為白光LED比高壓鈉燈更節(jié)能。他們設(shè)計了若干利用大功率(1W3W)白光LED的道路照明方案,并做成樣板工程。但是這些樣板工程大都并未經(jīng)過仔細測試和認證。其中一種照明設(shè)計方案是將1201W白光LED矩陣式分布在200×250mm的矩形平面電路板上,板后為接線,然后整體安裝在常規(guī)路燈燈具中。這種設(shè)計是極不科學(xué)的,該方案選用的LED單只發(fā)光量不超過40lm,估以40lm論之,考慮到配套電器損耗(10%)以及90%的光利用率,其實際系統(tǒng)光利用率不足32lm/W120 LED的總有效光通量約4300lm。假如LED的光發(fā)射角為120°,按這一設(shè)計4300lm的光將以120°的發(fā)射角射向下方??梢韵胂筮@樣的設(shè)計將使地面光分布極不均勻,街心及燈桿之間完全黑暗。加以這些設(shè)施中并未考慮對LED基片采取有效降溫措施,如此多的LED集中在如此小的空間,80多瓦的功耗持續(xù)積累將使芯片溫度過高,阻擋層壓降下降,所發(fā)藍光向長波方向漂移,這必然造成其光效的嚴重下降??疾炝吮本┙紖^(qū)某光伏照明樣板路(光源總功率為105W)燈下照度只有3.5 lux,據(jù)云此前二個半月、該工程剛完工時燈下照度為7 lux。而燈下直徑15以外的地方則根本沒有任何照明效果。在江蘇、浙江、山東、廣東不乏此類工程樣板,例如廣東順德某處和深圳某處的LED道路照明示范街不僅燈光昏暗,而且每隔3~5個月必需更換光源。

LED道路照明試驗必須在專家指導(dǎo)下、經(jīng)過嚴格認證和設(shè)計后才能施行。

廣東某些專門從事LED道路照明工程的企業(yè)從中接取了教訓(xùn),他們采取的措施是使1W LED工作在0.5~0.6W狀態(tài),或是將3W LED設(shè)計為1W使用,這樣雖然成本很高、光效很低,照明效果不佳,但基本解決了光衰和壽命問題。

某跨國公司鑒于中國的白光LED很熱、專門為中國研發(fā)出了一種用于道路照明的白光LED,他們將1W LED前端的封裝材料設(shè)計為特定的凸透鏡結(jié)構(gòu),據(jù)稱采用此種LED不需二次、三次光學(xué)設(shè)計就可得到均勻的道路照明,使用方便。該公司宣稱此種LED的冷態(tài)光效為70lm/W,正常使用時則為50lm/W。

浙江某公司設(shè)計了用于道路照明的集成式白光LED,他們將多個藍光LED芯片組裝在同一基板上,用一只專門設(shè)計的較大凸透鏡作輸出窗、在輸出窗內(nèi)壁涂敷熒光粉,使所有LED芯片共同激發(fā)同一熒光粉涂層。這種組合式LED的發(fā)光特征被改造得與常規(guī)球形光源相近,使用較為方便,但這種結(jié)構(gòu)LED的基板散熱問題仍然存在。
需要注意的是將多個LED集中在一起進行道路照明設(shè)計時、除足夠的光通量和合理的光學(xué)設(shè)計以保證合理的光分布外、更為重要的是散熱問題。如前所述,目前LED的能耗中約80%以上轉(zhuǎn)化為熱量,而半導(dǎo)體器件是不耐高溫的,如果不能將所產(chǎn)生的熱量即時導(dǎo)走則必將引起嚴重后果。

LED進行的道路照明條件目前尚未成熟,這既有待于LED光效的提高和功率的加大,更有待于有效的LED散熱方案和措施的解決,當然更合理的光學(xué)設(shè)計也是非常重要的。[page]

美國能源部對商用LED產(chǎn)品有效性的評估(CALiPER)

LED光效和壽命指標方面,目前存在較大的意見分歧,其中一個重要原因是沒有統(tǒng)一的標準和測試方法,例如照明行業(yè)向來以穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時的光通量輸出和光效作為其產(chǎn)品參數(shù)指標,而LED業(yè)者則普遍以初始(冷態(tài))的最大光通和光效為標準,在顯色指數(shù)的測量方法和標準上亦存在不少差異,壽命標準和測量方法也是不同的,相關(guān)數(shù)據(jù)相差甚遠,評價也大相徑庭。

這一問題不僅我國,在國外也是同樣嚴重的,美國能源部早已發(fā)現(xiàn),他們從200612月到20089月共進行了7輪市場產(chǎn)品調(diào)查,僅在2008年就連續(xù)分別在1月、5月和9月進行了三次抽查,并于9月份公布了商用LED產(chǎn)品有效性的評估和報告”CALiPER(Commercially Available LED Product Evaluation & Reporting),他們公布的數(shù)據(jù)和結(jié)論是負面的,在所檢測的24類產(chǎn)品中只有二類(下射筒燈)數(shù)據(jù)與產(chǎn)品說明書吻合,除少數(shù)LED光效達62lm/W外,平均只有32lm/W,低的不足10lm/W,遠遠不能達到能源之星的標準。對于宣傳上的混亂和數(shù)據(jù)的夸大作了十分嚴厲而否定的結(jié)論,其中包括光效、色溫、顏色質(zhì)量、光分布以及照明系統(tǒng)的功率因數(shù)。特別是光效,他們發(fā)現(xiàn)宣傳上往往夸大2~3倍以上,而一般用戶對此并不了解。美國能源部的一個結(jié)論是必須建立統(tǒng)一的標準來規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量和指標,在我國上述問題更為突出而重要。

結(jié)論

LED是一種優(yōu)良的有前途的光源,其特定的發(fā)光機理賦予它一系列特征和特點。由于它的發(fā)光體小、介質(zhì)密度大、發(fā)光非常集中、亮度很高。即使功率很小、光通量不大的LED也能給人眼以清晰、明亮、無誤的光信號,用于指示、顯示時具有無與論比的優(yōu)越性,所以在顯示領(lǐng)域其應(yīng)用已極為廣泛,無所不在。小功率單色LED還在裝飾照明和藝術(shù)照明方面顯示了特有功能和魅力,2008年北京奧運更充分發(fā)揮了LED的此種功能。

白光LEDLED家族中的杰出成員,具有很多特征與特點。開發(fā)白光LED的重要目的之一是用于替代常規(guī)電光源如白熾燈、熒光燈、高強度放電燈等,然而看來其發(fā)展不如預(yù)期神速。目前市場上的白光LED的實際光效約為40lm/W,最高不超過50lm/W,對用于功能照明,這些參數(shù)尚待提高。為推廣白光LED更為重要的是廉價、高效的散熱系統(tǒng)的開發(fā)。

如所周知,除LED以外、所有光源的發(fā)光體均是在高溫下工作,幾千度的高溫是保證其高效發(fā)光的條件,但LED等半導(dǎo)體類的發(fā)光器件其發(fā)光中心的溫升則是極為有害的,如果這個問題不能解決,則LED光效的提高、功率的加大是有限的。

小功率白光LED(1W及以下產(chǎn)品)在廣泛的應(yīng)用中已顯示出了無比的優(yōu)越性,例如在小空間的局部照明、庭園燈、近距離小功率手電筒、臺燈以及應(yīng)急照明等方面有非常廣泛的發(fā)展余地。目前白光LED不需要、也沒有條件和中大功率常規(guī)照明光源爭奪道路照明市場。

與室內(nèi)照明不同,開闊空間的道路照明四周沒有反光物體存在,因此道路照明要求的光通量更大,這正是目前道路照明大多采用250W、400W高光通量高壓鈉燈的原因,這種燈的光通量在28000lm48000lm范圍,若以1W、3W 白光LED取代,則LED的需要量太大、成本很高、設(shè)計難度也大,并且效果難以理想。近數(shù)年來LED在道路照明方面已取得大量經(jīng)驗教訓(xùn),加以目前白光LED的光效不高、壽命不長,本人認為用LED作道路照明試驗應(yīng)當暫緩,待研發(fā)成功更高效率、更大功率的白光LED和廉價高效的冷卻系統(tǒng)后再行推進。

道路照明消耗作巨大能源、也有很大潛力可挖,其改造勢在必行,最近飛利浦公司和復(fù)旦大學(xué)合作,對此進行了十分有益的研究[5],他們的結(jié)論是陶瓷金屬鹵化物燈是高壓鈉燈的非常好的換代產(chǎn)品。
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