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在城市夜景照明中应用LED的思考

发布时间:2024-11-18 发布时间:
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LED照明在我国迅猛发展,已越来越广泛地应用到城市照明领域,如交通信号、应急照明、广告标识、商业步行街、建(构)筑物、城市广场、园林景观等,照明应用范围不断扩大。LED作为一种由半导体技术制作的电光源被称为21世纪新一代光源,因其具有节能、长寿命和环保等优势,人们普遍预测它将替代传统光源。通过863、攻关等一系列科技计划的支持,我国已初步形成了一定程度的LED产业链。改革开放使我国经济飞速发展,中国已成为世界第一大光源、灯具生产和使用国之一。随着国家对LED发展的高度重视和我国LED产业快速发展,中国有望成为世界LED生产主要基地和LED照明应用最大国家之一。目前,LED在我国城市夜景照明领域已开始普及,几乎全国所有大城市夜景照明都广泛使用LED,特别是我国有关部门已明确提出将以2008年北京奥运和2010年上海世博会为契机,推动半导体在城市景观照明的应用,这必将进一步推动我国的城市照明领域更广泛地使用LED。但是,我们应该看到,相当一些城市在夜景照明方面由于对LED的特性不了解,在夜景照明设计、施工及维护管理等方面出现许多误区,造成城市夜景照明使用LED效果欠佳,评价不高,特别是出现一些滥用LED现象,使城市夜景美感受到破坏,造成负面影响,导致了部分人对城市夜景照明使用LED产生怀疑,影响了LED在城市夜景照明中的声誉,如不及时加以解决,必将影响我国LED产业链的健康发展。

1. 当前LED在城市夜景照明应用中存在的主要问题

1.1 城市夜景照明使用者对LED的物理基础与工作原理不了解

LED是一种直接将电能转换成光能的固体元件,又称发光二极管,其基本结构是半导体的基础单元PN结,PN结是携带电子的N层和携带空穴的P层两种半导体材料之间的过渡层。在PN结上加正向电压时,电流从P层(空穴层)流向N层(电子层),而电子是从电子层注入到空穴层,电子与空穴复合后产生了光。根据能量守恒定律每一次结合辐射一个光子,其能量为hv=Eg,可见光光子的能量范围为Eg=1.9 ev(红色)至Eg=3.0 ev(紫色)。一般而言LED材料的内部量子效率为10%~15%,其损失来自晶体缺陷与错位等材料缺点。LED晶片中的光子辐射仅是制造使用LED的第一步,PN结发出的光射向各个方向,光子射向晶片上表面时,大部分光子从界面内侧反射回晶片,仅1.5%~2.0%左右的光子可能逸出上表面。一个晶片共5个对外表面(上面和四个侧面),因此逸出的光子总计为7.5%~10%,其余90%以上的光子在晶片中被吸收掉,这是晶片在空气中的情况。把晶片嵌在折射率为1.5的环氧树酯中,光子逸出率将提高至20%~25%左右。发光效率低的原因是内部光子吸收,大部分光子不能逸出晶片表面而被折射回去,最终在内部被吸收掉,比较有效的晶片设计是形状为倒置的切去顶部的金子塔形晶片(晶片表面彼此处于非垂直状态)放在环氧树脂中制成的LED,外部量子效率已达到55%,还可更高。使用何种光源,发光效率是重要指标,白炽灯和卤钨灯发光效率为12~24 lm/W,平均15 lm/W。高效率荧光灯和HID灯发光效率为50~120 lm/W,平均约为75 lm/W。这些光源的缺点是仅把一小部分电能转变成可见光。LED从理论上讲其较换效率可达100%[1]。经过几十年的研究,LED效率提高很快。在半导体材料中,采用不同的元素掺杂,可以制造出不同的LED,其发光的不同波长会引起人眼的不同感觉。按人眼的判色习惯,LED可分为:紫光(波长为400~430 nm),蓝光(波长为430~470 nm),蓝绿光(波长为470~500 nm),绿光(波长为500~530 nm),黄绿光(波长为530~560 nm),黄光(波长为560~590 nm),橙色光(波长为590~620 nm),红光(波长为620~780 nm)[2]。由于有色LED的光谱窄,能量集中,发光效率高,光色色彩纯等优点,被广泛运用于城市景观照明中。

1.2 使用业主与政府夜景照明建设、管理部门在认识上存在误区

LED被广泛宣传为高效节能与长寿命等优点,这使人们产生一些误解,认为LED可以解决夜景照明中的所有问题了。据有关资料,到目前为此,小功率LED器件本身发光效率约为80~100 lm/W。大功率高亮度LED器件本身发光效率目前约为50~70 lm/W。(50 lm/W意味着仅把12%左右的电能转变为光,预计2012年可达150 lm/W,2020年可达200 lm/W)。LED单灯功率小,光效低,其驱动电路的功率损耗约占LED器件总功率的20%以上,(其它气体放电灯用镇流器功率损耗约占灯功率10%左右)[3]由于单个LED光源体积太小,光通输出量太少,对于夜景照明来说,往往需要成百上千,甚至上万颗LED光源组合才能代替常用照明光源,这就带来LED组合光源与LED灯具等问题。由于LED光源光束发射角小,光源方向性强也造成不是任何场合都适用LED作夜景照明。在使用寿命上,LED器件本身的理论寿命可达10万h[4],但在实际应用中影响LED寿命的因素太多也太复杂,除LED器件本身的材料、制造工艺、技术外,LED颗粒的组合、灯具的设计、控制驱动电路性能、配套元器件、散热、防水防尘、防紫外线及防高低温变化等众多因素和条件都影响着LED作为夜景照明灯的寿命。以理论寿命作为工程应用寿命的宣传,只能损害LED的发展。特别当一些使用业主和政府夜景建设管理部门被不当宣传误导对LED的期望值过高,而工程应用中又出现一些问题后,对LED产生的不信任感影响了LED在夜景照明中的应用。

1.3 城市夜景照明设计方法不当影响了LED的使用

在城市夜景照明中应用LED已较为普通(特别是在一些大城市)。由于一些夜景设计者对LED的性能不是真正了解,在夜景照明设计中不根据被照对象、所附载体特征、功能及具体环境大量使用LED,造成有的城市仅靠LED进行夜景照明,出现夜景塑造手法单一,夜景单调,没有达到城市夜景应有的美感;有的在政府行政办公楼玻璃幕墙上采用矩阵满布方法,变幻各种图案,追光闪动的形态动感和艳丽的色彩,被误以为是***;有的在医院大楼和环境、写字楼、住宅楼及小区用LED线状、点状光追光闪动,五彩缤纷变化多样;有的在重要建筑山墙、顶部用LED另加附一些构件造型组成图案,白天破坏建筑风貌,晚上改变建筑形态;还有一些在学府区、静溢区到处设置光色变化的LED,光怪陆离,造成严重的色光污染;有的在背景亮度很低的环境中使用众多高亮度LED造成对比反差太大的眩光;有的在交通信号灯附近使用色光变化的LED,造成驾驶员及行人的交通信号错觉等等。这些不正确的设计,给广大市民产生一种LED本身有错的误判,使一些城市对夜景使用LED失去信心,影响了LED在城市夜景照明领域的发展。

1.4 城市夜景照明用LED产品质量良莠不齐

由于宣传的作用,人们对在城市照明中使用LED充满着美好的愿望。有的城市大范围使用,但在使用一段时间后,发现LED不是象宣传中所说的长寿命。有的大楼花费数百万元运用LED作夜景照明,但工程安装完后验收时就不正常,不是部分LED灯坏了就是控制系统出问题,多次改进,多次验收;有的大楼、护栏等使用LED后几个月就坏了不少,轮廓线不是断缺就是颜色变化异常,受到上级与群众批评,只好拆除LED换成其他光源灯具,损失巨大又产生极大负面影响;还有的在高架轻轨沿线安装LED,发生失火现象,迫使轻轨列车停运等等。在检查中发现,有相当部分夜景照明用LED存在严重质量问题。其中主要有如LED本身的材料、生产工艺等质量问题;有单颗LED组成多颗至数百颗形成灯具后的如防水、散热等一系列问题。有驱动电路性能品质等问题;有控制系统问题等等。这些问题影响了LED在夜景照明中的使用效果和质量,对LED在夜景照明中的应用产生了不良影响。

1.5 夜景照明运用LED在建设、监管与维护管理方面存在问题

LED作为一种新光源运用在夜景照明中是一件非常好的事情。但LED有其自身的特点,由于相当一部分城市夜景建设管理者不了解这个问题,加上一些厂家、媒体不当的宣传,人们一


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