LED 照明工程与施工大功率白光 LED 道路照明探讨

我来自企业，难免偏颇，看你怎么想啦！

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LED 照明工程与施工

大功率白光 LED 道路照明探讨



• 白光 LED 的是一种新型光源；• 日本政府首先资助 ( 上世纪 90 年代 ) ；• 美国政府资助；• 中国政府资助；• 欧洲政府资助；• 中国目标 2010 年光效达到 100 lm/W ，大量取

代节能灯。



优点：• 高光效：估计可达 160 lm/W 以上 ( 实验室报导

未经证实 ) ；• 无污染；• 长寿命： 5 万小时或称 10 万小时 ( 早期理想的

理论估算，未经证实 ) ；• 显色性好： 70~80• 政府支持，经济实力雄厚，发展迅速。• 白光及彩色 LED 在显示照明中表现突出，无与

伦比。



分歧很大

• 在显示照明方面 LED 发展迅速，取得很大成绩，显示了无比优越性，无争议。

• 在装饰照明方面有重要作用，勾划轮廓效果很好，亦无分歧。

• 在功能照明方面意见分歧、评价不一。



LED 的发光过程载流子复合发光



• 在外加电场作用下载流子 e 克服阻挡层电位差Vo ，进入空穴层（ p 层）；

• 截流子 e 为空穴俘获后释出势能 eVo 并转化为光子 hv ，其波长 λ=1.24*1000/eVo nm ；

• 虽然截流子复合时量子转换效率很高，但是电子运动时克服内外电阻的能耗以及复合时携带的动能不可能转化为光能。计入各种能耗后 LED 的内量子效率不超过 90% 。

内量子效率



• 常规光源的辐射是各向均匀的，基本都能辐射出去，提取率高；

• LED 辐射只能单向（外向）输出，向内辐射的光子多被吸收；

• 辐射方向偏离出射窗垂直方向的光子将部分反射并被吸收。

• LED 分子密度大，光子逸出途程中被吸收的几率高。• LED 的外量子效率即量子提取率较常规光源低得多，

最多为 60% 。• LED 的很大一部分输入能量消耗在芯片中转化为热能。

量子提取率





提高 LED 量子提取率的措施

• 超薄：总厚度几十纳米，减少光子在介质中被吸收的几率；

• 在基底表面镀高反膜，提高量子反射率——相当于灯具；

• 输出窗的内界面粗毛，减少光子反射；

• 采用蓝宝石或多晶氧化铝陶瓷薄片基底以提高导热率，降低结温度。



LED 总量子效率的估算

• 内量子效率 90% ，量子提取率 60%• 单色 LED 的理论量子效率为 0.9×0.6=0.54• 即 LED 最高可有 54% 的能量转化为光能• 其效率远远高于当前实际光源的电—光转换

效率。



白光 LED 的量子效率估算

• 蓝光 LED＋黄色荧光粉构成白光 LED ；• 过程中部分光子能量下转移， 470nm→560nm

若 20%蓝光光子保持波长不变。 80%蓝光光子下转移，平均能量损失 8.75% 。总量子效率降低约 7% 。• 荧光粉对光子的吸收率超过 20% ；• 经黄色荧光粉涂层后光能降低 27% 以上；• 白光 LED 的理论估算能效不超过 40% 。



白光 LED 的光输出估算

• 光功当量 = 683 lm/W ； 1W 功率全部转化为 555nm 的黄光的流明数；• 1W 功率转化为在 380～ 780nm之间均匀分布的光能时的光通量为 260lm/W—— 白光；

• 1W 功率能谱按视见函数曲线分布时的光通量为 360lm/W 。

• 1W“ 白光” LED 的辐射光通量不可能超过 140lm/W 。



• 这是估算的白光 LED 的光效，目前远未达到，以后也很难突破。

• 当前达到的实际光效 <70 lm/W ，不足估算值的一半。

• 某大公司制成白光 LED 路灯及灯具（水平非很高的公司），宣称初始光效为 70 lm/W ，正常运转时因温升降至为 50 lm/W ；

• 为降低结温度、减缓光衰、常常降低功率使用 (1W LED 按 0.7W~0.8W设计 ) ；

• 2007 年日本报导白光 LED 光效已达到 55 lm/W ，但 Ra(平均演色性指数 ) 为 82 的 LED 光效只有20 lm/W 。



使用时结温度上升，辐射光谱红移，强度下降，激发荧光粉的效率降低，输出光通量下降。



结温度上升、量子效率下降、引起光衰、寿命缩短。 (摘自 Cree LED照明方案简介 )



• 结温升、量子效率快速下降；• 结温升、寿命快速缩短；• 结温升、阻挡层电势差下降，光子红移；• 结温升、光量子红移，荧光粉激发效率下降。



大比例自身能耗是难以制成大功率 LED和光效低的原因

• 常规光源需要以 60%~95% 能量维持高温发光体，否则不能正常发光；

• LED 的发光中心必须是低温的，高温将破坏 P-N结功能、危害发光机制；

• 70% 以上的能量消耗在 P-N结，对于大功率 LED P-N结温升过大，这是 LED 不能做大、光效低、光衰大、寿命短的内在原因；

• 关键在于降低结温度；



• 160lm/W 的报导是实验室中冷态样品瞬间的测试数据，这对正常运转的白光 LED已经超过极限了，不可能长期保持这样的光效。

• 200lm/W 白光的设想是毫无根据的。• 多量子井或三基色 LED 芯片的白光 LED 的光效可以再

提高一些。• 5 万小时、 10 万小时的寿命是早期单色超小功率 LED

的估计寿命，这样的 LED 不存在结温度上升的问题。• 白光 LED 中荧光粉的寿命通常不可能超过 3 万小时，

在高温烘烤下光衰很大。• LED配套电器的寿命不可能超过 3 万小时。



试验• 购某大公司的蓝光 LED ，发射光谱中心波长为 470nm ；• 黄色荧光粉主发射波段为 540~620nm ；• 在最佳荧光粉厚时光效 <38lm/W ，显色指数 78(c图 ) 。



a b

c d

不同荧光粉涂层厚度的白光 LED 的发射光谱



荧光粉涂层相对厚度

a

（很薄）b

（薄）c

（中厚）d

（较厚）色温 30000 14610 7544 3666

相对光通量 0.18 0.25 1 0.16

显色指数 48.3 59 78 43

不同荧光粉涂层厚度的白光 LED 的辐射参数

• 荧光粉涂层厚度的偏差对光参数影响很大，所以白光 LED 的光效、色温、显色性零散很大。

• 为获得高光效， LED 总做成高色温光源。• 常规光源的实际辐射效率远低于 LED 的理论效率。白炽灯—— <5% 陶瓷金卤灯≈ 40%• 国内 70lm/W 、 90lm/W 或更高光效的数据大多为

未经仔细测试的不准确的说明书数据。



关于路灯照明• 当前路灯照明大多采用最高光效的传统光源高压钠

灯，这也是当前信价比最高的道路照明光源之一；• 高压钠灯的辐射光谱集中在 589nm二侧的较窄范围内，其特点是：高光效： 90~130lm/W ；长寿命： 12000 小时～ 20000 小时辐射波长长、穿透雨雾力强。显色指数低： <30



人眼的明视觉、暗视觉视见函数曲线及高压钠灯光谱

暗视觉

明视觉



• 高压钠灯光谱集中在长波长段，光色昏黄，视物不清；

• 光谱光效虽高，但夜晚视觉灵敏度下降；• 显色性太差，色彩分辨不清，图象模糊；• 在实际道路照明中采用高压钠灯时总是超标准设计、耗电偏多。

作为道路照明光源高压钠灯的不足之处



大功率白光 LED 向道路照明猛烈挺进近年来大功率 (1W 、 3W) 白光 LED积极介入道

路照明的理由：• LED 为定向辐射，光利用率远比高压钠灯高；• 一些企业家和专家声称 :LED 光效高达 90~160lm/W ；• LED 寿命长 (5 万 ~10 万小时 ) ，用于路灯时维护费

用低；• LED 为最新最好光源，暗视觉较高压钠灯好，是道

路照明最佳灯选；• 政府节能任务，指令性地建立了多条样板道路照明

工程，并拟积极推广。• “十城万盏半导体照明”应用介绍推广宣传起了很

大作用，人人都想分一杯羹。



白光 LED 道路照明工程的实际效果

• 本人所考察的十多条道路照明 (包括光伏照明 )的白光 LED样板工程全都惨败；

• 前仆后继仍有不少地区指定用 LED 作道路照明工程，以显示首长们对“新鲜事物”的“敏感”和“追求”。

• 美国能源部 (DOE)从 2006~2008 年对市场 LED照明器具的调查报告， 2008 年 9月公布——基本否定。

• 最有发言权的是路灯管理部门——一片否定声！



案例 I: LED 路灯在道路照明中的应用南通市城市照明管理处刘承东

（中国照明电器 2009/3 P.30 ）

几个案例



由上表可见在使用 8个月后• 路面最大水平照度降低为原来的 1/8• 路面最小水平照度降低为原来的 1/15• 路面平均水平照度降低为原来的 1/10• 原装 364盏 LED 路灯， 8个月时已完全损坏 21盏，闪烁 12盏，计 3

3盏，损坏率 9.07% 。

1 ：北海路 LED 路灯照度现场测量结果

机动车车行道初装测试结果

路面最大水平照度（ Emax)

16.50lx

运行8个月后测试结果

路面最大水平照度（ Emax)

2.3lx

路面最小水平照度（ Emin ）

3.10lx 路面最小水平照度（ Emin ）

0.20lx

路面平均水平照度（ Eav ）

8.76lx 路面平均水平照度（ Eav ）

0.89lx

水平照度均匀度（ U）

0.35 水平照度均匀度（ U）

0.22

测量仪器 QZ-CZ照度计精度 ±4% 测量日期

初装测试运行测试

2006年 12月 8日2007年 8月 10日



• 上表可见 LED 路灯路面平均照度远低于高压钠灯；• LED 路灯的照度均匀度是不能接受的。

2 ：常州市 3条路的 LED 路灯照度现场测量结果

项目岷江路案例梅花路案例新科路案例常规高压钠灯案例路宽（ m ） 9 14 23 14

光源 150W LED 150W LED 125W LED 400W 高压钠灯路灯布置方式单侧双侧对称双侧对称单侧安装高度（ m ）

9 8 8 10

路灯间距（ m ）

33 27 50 35

灯臂长度（ m ）

2 1 1.5 1.5

仰角 12° 10° 12° 10～ 15°

平均照度（ lx ）

18.98 27.50 4.72 29.70

照度均匀度 0.07 0.09 0.04 0.35

测试时间初装时 55天 6个月



案例Ⅱ : 大功率 LED 路灯产品的现状与问题分析

苏州城市照明管理处叶峰、林海阔（ 2009 中国道路照明论坛论文集 (会刊 ) P.182 ）

对 4 种灯具进行试验，结论如下：• 同样照度并不节能• 三个月试点三种灯具光衰分别为 8.77% ， 15.5% ， 20.4%

第四种灯具运行一个多月即已损坏• 价格贵、维护费用高、工作量大• 无统一标准、无互换性



案例Ⅲ : LED 路灯在道路照明中的试用和探讨宁波市政照明管理所赖益萍

（ 2009 中国道路照明论坛论文集 (会刊 ) P.186 ）

对 5家 LED 路灯产品进行试验，各八盏灯功率(W)

电压(V)

初始平均照度 (lx)

初始均匀度

一个月后平均照度 (lx)

4个月后亮灯情况(每家各 8盏灯 )

第一家 120 238 9.92 0.52 9.67 一盏其中一颗 30W闪烁二盏其中二颗 30W 不亮一盏四颗 30W 都不亮

第二家 150 235.5 12.85 0.41 11.84 五盏都不亮

第三家 120 233 15.18 0.33 13.65 三盏其中三条不亮一盏六条都不亮

第四家 110 224 12.85 0.22 10.4 一盏不亮

第五家 160 225.3 16.63 0.4 13.58 全亮

高压钠灯 (100W)

115 218.3 14.19 0.44 14.04

高压钠灯 (150W)

176 218.6 24.41 0.44 24.19



• 以上数据表明 LED 路灯没有节能效果• 失效率极高，分别为 50% 、 62.5% 、 50% 、

12.5% 、 100%• 照明效果很差，光衰太大，第四家和第五家在

4个月内（ 400 小时）光效分别下降 19.1% 、18.3% ，实际上已全部失效。

• 对照组高压钠灯照明效果远甚 LED ， 400 小时光衰 1% 以下。



• 目前一个 LED 路灯灯头（ 20～ 150W ）成本在2000～ 3000元之间，售价 4000元以上。

• 所见的最好的之一华晶 LED 路灯产品采用了热导管，成本近 5000元，售价 8000元；

• 一些很快就坏的产品售价也在 4000元以上；• 一套高压钠灯照明装置（灯、电感镇流器、灯

具）总售价约 800元，三年内极少损坏，光衰较小。

• 一套陶瓷金卤灯照明装置包括灯具， 1200元以下，可以保证三年内损坏率在 10% 以下。

LED 道路照明的性价比太低



LED 道路照明目前的条件尚不成熟

• LED 本身性能指标尚难满足要求；• LED 的光学系统尚不成熟；• LED 的配套控制电路可靠性太低；• LED 的冷却系统太贵，效率不高；• 整个 LED 照明系统的成本太高，无法推广。• 没有统一标准、各家产品各不相同无互换性，维修困难、成本高昂。



对白光 LED应有实事求是的评价

• LED 是一种极有前途的光源；• 单色 LED和小功率白光 LED 在显示照明、装饰

照明、小功率局部照明方面（手电筒、矿灯、台灯、草坪灯、应急灯等）已显示出其优越性，并将发挥更强势的作用，但不少方面仍有待完善。

• 对大功率白光 LED 的过分夸张的宣传使得很多人对 LED产生了迷信和盲目乐观的估计，目前重点应着重技术参数、性能和可靠性提高，开发应用放在下一步，推广更宜慎重。



专家们！教授们！暂停你们自己不花本钱的呼吁吧！把注意力集中到道路照明系统的光效和可靠提高、成本降低方面，为 LED做一点实实在在的研发工作。

• 本人对白光 LED 路灯照明的前景估计是：再花 5~10年时间使其光效真正达到 80lm/W 以上，单粒功率 5~10W ，每流明成本降至 3 分钱、免维修时间基本一年时则可向道路照明进军。

• LED 道路照明的样板太多，损失太大，不能再搞了。• 很多企业家已在哀叹“乐观过度、投入太大、血本无归、走投无路、欲罢不能！”“不仅血本、连骨髓都赔上了”。



• 陶瓷金卤灯是新一代光源。• 陶瓷金卤灯性能优异，全部性能均居其他各种

光源之首。• 高光效 110—130lm/W ，达到或超过高压纳灯；• 高显色：常规型 Ra 85-95 ，特别高效型约 80 ；• 有很高的红色比，透雨雾能力强；• 长寿命： 12000 小时，与高压纳灯相当；• 宽广色温范围： 2800K—6000K 或更高；• 参数稳定，无钠泄漏问题。

陶瓷金卤灯是高压钠灯最好的换代产品



暗视觉

明视觉

雪莱特陶瓷金卤灯的典型光谱

• 明视觉、暗视觉效果均佳



用途• 商业照明：用于商店、酒楼、宾馆、候机楼……；

• 工业照明：车间照明• 道路照明：透雾力强、高光效、长寿命，用于

道路、港口、隧道照明。 150W 代替 250W 高压纳灯、 250W 代替 400

W 高压纳灯；• 家用照明：无紫外、高光效、高显色、小功率、

超小型化、单端自镇流；• 办公照明：用于办公室、会议室、试验室。



商业照明



雪莱特厂房照明（ 2007 年 11月安装）70W陶瓷灯代替原 125W紧凑型荧光灯

用灯 70W×106 盏灯厂房面积： 60×60m2

用灯 70W×106 盏灯厂房面积： 60×60m2



雪莱特 150W陶瓷灯代替 250W高压钠灯的道路照明改造（ 2008年 6月）



雪莱特道路照明样板测试结果• 灯功率： 150W （代替原 250W 高压钠灯）• 杆高： 7 米 • 杆距： 22 米• 路宽： 7 米

位置（ m）

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

路面照度（ lx）

44 31 26 22 20 17 18 19 22 23 34

佛山质检中心测量：平均照度 25 lx ，均匀度 0.676完全符合道路照明标准要求，视觉清晰、色彩明锐；一年来变化不大。



雪莱特光伏照明案例 1旧县双头太阳能道路照明

路宽： 18 米杆高： 8 米灯功率： 35W



雪莱特光伏照明案例 2

• 版面尺寸： 20 m×5 m• 地点：沪宁高速无锡出口

光源 : 8×39W镇流器：南京聚诚



雪莱特家用小功率单端一体化荧光陶瓷金卤灯（无紫外）



谢谢！

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