LED灯在道路照明方面的应用与发展方向
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作者: 甘宝元
摘 要: LED灯的技术发展,特别是小功率LED灯在景观照明、室内照明等领域能够发挥独特优势,有广阔的应用前景,为节能减排做出贡献。
关键词: 道路照明; LED灯; 节能环保
中图分类号: TU113 文献标识码: A 文章编号: 1009-8631(2011)05-0077-01
当期中国正处于城镇化和工业化快速发展时期。近年来,城市的市政建设取得了飞速发展,城市照明质量不断提高。这对改善城市的投资环境,改变城市的夜间形象,促进经济快速发展,方便群众生活,美化城市和提高城市的知名度起了很大作用,但是伴随而来的是城市照明能耗的大幅度提高,特别是近年来能源价格大幅度提升,使城市照明的电费已经成为政府财政的负担,因此,有必要积极采取各项措施,以期减缓能耗上升的趋势。在全球都在提倡绿色照明、低碳生活的时代,节能成为任何一项工作可持续发展的必要条件。
一、LED光源的概念及发展历史
LED( Light Emitting Diode ),又称发光二极管,它是利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合,放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。应用半导体PN结发光原理制成的LED问世于20世纪60年代初,1964年首先出现红色发光二极管,之后出现黄色LED.直到1994年,蓝色、绿色LED才研制成功。1996年研发出白色LED。
二、LED发光原理
发光二极管主要由PN结芯片、电极和发光系统组成。其发光过程包括三部分:正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中,当电子经过该晶片时,带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合,电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量(带隙)越大,产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应,可见光的频谱范围内,蓝色光、紫色光携带的能量最多,桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙,从而能够发出不同颜色的光。
三、LED的主要特点
1.发光效率高:LED经过几十年的技术改良,其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦,荧光灯50~70流明/瓦,钠灯90~140流明/瓦,大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到50~200流明/瓦,而且其光的单色性好、光谱窄,无需过滤可直接发出有色可见光。
2.耗电量少:LED单管功率0.03~0.06瓦,采用直流驱动,单管驱动电压1.5~3.5伏,电流15~18毫安,反应速度快,可在高频操作。同样照明效果的情况下,耗电量是白炽灯泡的八分之一,荧光灯管的二分之一。
3.使用寿命长:采用电子光场辐射发光、灯丝发光有易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻,环氧树脂封装,可承受高强度机械冲击和震动,不易破碎。平均寿命达10万小时,光衰为初始的50%。LED灯使用寿命可达5~10年,可以大大降低光源的维护费用,避免经常换灯。
4.安全可靠性强:能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度,调整发光方式,实现光与艺术结合。
5.有利于环保:LED为全固体发光体,耐震、耐冲击不易破碎,废弃物可回收,没有污染。光源体积小,可以随意组合,易开发成轻便薄短小型照明产品,也便于安装和维护。
6.响应时间短:白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级。
7.价格:LED的价格比较昂贵,较之于白炽灯,几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当,而通常每组信号灯需由300~500只二极管构成。
四、LED的主要应用
LED广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明、室内照明等领域,在我们的日常生活中处处可见。但由于其价格昂贵等条件的限制,无法作为通用光源推广应用。近几年来,随着LED制造工艺的不断进步和新材料的开发和应用,各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展,其发光效率提高了近千倍,最重要的是超高亮度白光LED的出现,使LED应用领域开始跨越至高效率照明光源市场。
五、LED路灯与高压钠灯比较
1. LED灯与高压钠灯比较的优势
LED灯具显色性高于高压钠灯,能够创造更为舒适的视觉环境,从而提升驾驶安全、行走安全和社会安全。社会效益:从环境方面考虑,LED灯具发光效率高,不含汞、钠有害元素,不会对环境造成污染,是更符合绿色照明的产品,具有良好的社会效应。
LED灯发光效率高,测试中63W的灯具即可满足《城市道路照明设计标准》中城市支路标准,从而减少耗电量,节省能源。LED灯具使用寿命长,可以节省维护成本。
2.LED灯与高压钠灯在城市主干道照明方面比较的不足之处
造价:LED灯横向辐射面窄,均匀度低,同样里程道路比高压钠灯使用的灯数要高出80%左右(例如在相同亮度和均匀度的条件下250瓦高压钠灯,灯高12米,档距为50米,160瓦LED灯档距最大为30米。),并且灯具价格要高出高压钠灯3-4倍,初始投资成本远远高于高压钠灯。并且由于灯具数量增加,虽然维护成本和耗电量降低,但整体运行成本要高于高压钠灯。LED灯具光源指向性强,视觉效果眩光会略高于高压钠灯。
节能:在一定单位道路长度内,例如:一公里道路安装250瓦高压钠灯20组(档距为50米),总功率为5千瓦;安装160瓦LED灯34组(档距为30米),总功率为5.44千瓦。由此可见LED灯与高压钠灯相比,并不能达到节能目的。
寿命:高压钠灯其中:光源寿命2.4万小时,每年按3650小时计算,计6.5年,整流器寿命为3年,触发器寿命为1万小时以上,计3年,所以高压钠灯的整体寿命为3年;LED灯其中:发光体寿命为6万小时,计16年,整流电源寿命为3年,所以LED灯整体寿命为3年。
六、LED路灯应用结论
通过上述分析比较,我认为大功率LED路灯灯具从造价、寿命、节能等方面与高压钠灯相比均不占优势,所以LED路灯不适合在城市主干道道路照明方面推广。
随着LED技术发展,小功率LED灯在指示灯、信号灯、显示屏、景观照明、室内照明等领域可以发挥自身优势,节约能耗,有广阔的应用前景,例如:在室内照明方面3瓦的LED灯可以和11瓦节能灯达到相同的照明效果。它具有寿命长,节电效果明显的特点,现阶段未能大面积推广和进入家庭使用,主要原因是造价较高。现在市场上3瓦的LED灯的价格为80元左右,而11瓦节能灯价格为10元左右,两者之间差距为70元左右。根据美国国家能源部预测到2030年――2050年LED技术将会有巨大突破,随之而来的是技术的创新,成本的降低,这样为LED灯进入室内照明的大面积应用创造了条件,到那时LED灯进入百姓家庭,根据测算仅现有全世界的发电量1/2,即可满足人类全部用电的需求。
总之,随着我国绿色照明事业的不断发展,随着LED技术的不断发展和完善,LED灯将会克服自身的缺点和不足,发挥自身特性和优势,在绿色照明工程、节能减排等方面发挥自己的重要作用。可以预见,在不久的将来,LED灯的发展将掀起一场节能革命,将对世界能源的变化产生深远的意义。
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