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LED照明与高压钠灯节能环保优势对比分析

日期:2016年1月29日 16:12

当前我国正在创建资源节约型、环境友好型社会,“绿色照明”的概念也在逐步深入人心。随着科技的不断进步,半导体材料应用技术的高速发展,小功率LED光源已广泛应用于的景观照明,大功率的LED路灯也越来越多的引起各方面的关注。

LED灯的发光原理:

LED(Light Emitting Diode),发光二极管,是由Ⅲ—Ⅳ族化合物制成,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,半导体晶片由三 部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子和空穴就会被推向量子阱,在量子 阱内电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。

高压钠灯的发光原理:

高压钠灯是利用通电后,电弧管两端电极之间产生电弧,由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气,阴极发射的电子在向阳极运动过程 中,撞击放电物质的原子,使其获得能量产生电离或激发,然后由激发态回复到基态;或由电离态变为激发态,再回到基态无限循环,此时,多余的能量以光辐射的 形式释放,便产生了光。

大功率LED路灯是一种通过直流低压点亮发光二极管组来实现照明需求的一种新型照明方式,具有亮度高、显色性好等特点;另外,由于LED路灯的输入为低压直流,能与太阳能结合起来,使得太阳能LED路灯成为了未来道路照明方式的一种可能。

1、关于能效分析、比较

应按照达到相同照度(亮度)水平,接近的照明质量标准的前提下比较两者的照明安装功率。由于高压钠灯大功率灯管(250~400W)光效高,可达 130~1401m/W,而小功率灯管(100~150W)光效约为80~1001m/W,而现用大功率LED路灯多用1WLED管,其光效都差不多,所 以宜分别对大功率路灯与小功率路灯作分析。

(1)大功率(≥250W)路灯:高压钠灯光效高,考虑镇流器损耗,灯具效率以及光道利用率 等三个因素,综合效率若按0.55计,则钠灯的有效光效约为70~751m/W;而LED路灯的有效光效,目前在美国约为621m/W,国内最好的企业已 达56~581m/W。因此,我们觉得对于大功率路灯来说,目前LED比钠灯的能效要低一些。

(2)小功率(≤150W)路灯:钠灯的 有效光效(计入综合效率0.55)约为45~551m/W,而LED仍按56~581m/W计,则LED比钠灯可实现节能10%~20%,最高可达 30%。从上分析,可知用于支路的小功率(≤150W)时,LED路灯比钠灯的可节能达10%~30%,而大功率仍比不上钠灯的能效。所以,那些笼统宣称 LED路灯比高压钠灯节能,甚至可节能50%、60%等说法,显然有夸大和炒作之嫌。我们应坚持科学的分析,实事求是的原则,否则容易误导使用者和广大群众。

2、光源光色对道路照明效果的分析

高压钠灯的相关色温(Tcp)为2100K左右,属暖色温,其显色指数(Ra)只有23~25,显色性低;而LED路灯现在使用的色温多大于 5300K,属冷色温,较好的产品,其Ra 可达70~80,显色性好。作为机动车行驶的快速道、主干道,偏黄色光的钠灯,对看清前方90~160m左右距离路面状况,效果比白色光略优,特别是对有 雾、多尘的空气条件下,钠灯较有优势。对于人行道、商业步行街、居住小区等道路,LED的显色性优于钠灯,分辨人的状况更清晰,较有优势。  3、经济性分析对比

高压钠灯具,每套约为1200~1500 元;目前LED路灯,按功率大小不同,价格相差较大,大约在4000~8000元左右。就现状而言,LED路灯明显太贵,价高达3~5倍之巨。如小于 150W的LED可以节能10%~30%,每年每灯节电约50~150KWh,根本无法回收多花费的购灯费用。只能期望在未来若干年,LED发展趋势看其 价格会逐步下降,能效进一步提高,再比较其经济性能。

4、使用寿命分析

比较使用寿命应立足于整灯寿命。高压钠灯包括光源、电器附件(主要是镇流器、触发器)和灯具,钠灯用于路灯平均寿命3~5 年,节能型电感镇流器不会低于20 年,灯具也是如此。而LED路灯的使用寿命暂无使用经验,现有的企业号称5 万、6万小时,尚无可靠依据。美国能源之星制订的要求,分为不低于35000h和25000h两档,主要是LED芯片寿命很长,却与封装后的温度,散热等 诸多因素关系极大,另外还有驱动电路装置的电子元器件寿命问题,如电容器往往只有8000h至10000h。所以整体说,LED路灯使用寿命不能和钠灯路 灯比拟。

5、维持性能比较

以城市路灯管理部门为代表的用户,更关心路灯的维护性能。按分析,钠灯的维护性能好,灯具只要擦洗,不必更换,镇流器很少更换,光源3~5 年更换一次,也很方便。而LED路灯、涉及LED管、模组(含透镜等)、电源装置等,发生元器件、组件损坏的可能性较大,维修更换也有困难,很可能要整体 更换,费用较高,还有待今后解决。LED路灯还没有标准可循,对招标、订购,对使用、维护都不利。综上所述,我们认为LED路灯是近年来出现的新事物,随 着LED产业的发展必将会有更大的发展,前景广阔。但目前应用现状,还存在不少问题,尽管有少数从事LED路灯研究、开发和生产企业、做出了很大努力,解 决了一些技术难题,推动了该产品的前进,他们不愧行业的精英;但从整体说,LED路灯产品的水平、质量、参差不齐、差异甚大,尚无标准予以规范,有的急功 近利,产品能效不高,散热问题没有处理好,光衰很大,使用寿命不长,没有合理的灯具配光,不能达到推广使用要求。我们希望,科研、教学、设计单位,使用单 位和生产企业共同努力,致力于解决各种技术难题,提高产品水平,制订和完善一系列的标准,为推广应用作好各项准备。在推广应用上,应坚持循序渐近,从试点 开始,总结经验,不断改进;应从小功率LED路灯应用于支路、小区道路开始,再发展到干道,大功率路灯,逐步推进。不论用什么光源、灯具,都应符合《城市 道路照明设计标准》(CJJ45-2006)的规定,包括亮度、照度、均匀度及其他质量指标。坚持实事求是,切忌过分夸大之词,对比中忌抬高自己,更忌压 低其他,坚持照明质量、照(亮)度水平,坚持技术与经济结合,适用与节能环保结合,防止过分炒作,为用户服务,对用户负责,不要误导使用者,还用户一个真 实面貌。不要轻言“取代”什么光源,应该经过几年或若干年努力,不断完善自身,以求在道路照明中成为一种优质、高效的新型光源、灯具,供用户选择。让用户 说话,让使用效果去评价。发光效率:单位为每瓦流明Lm/w。即电光源将电能转化为光能的能力,以发出的光通量除以耗电量来表示。

6、发光效率

LED光源的发光效率,目前国外美国、日本约75Lm/w左右,国内生产的LED约65Lm/w左右。高压钠灯光源的发光效率为100Lm/w左右,每w发出的光通量比LED高25~35Lm/w。400w高压钠灯的发光效率高达120Lm/w。

7、透雾性

在道路照明中对于LED路灯对于大雾的穿透性的认识有很大的误区。大多数人一直认为LED路灯的穿透性要比传统照明光源钠灯的穿透性低,这是一个错误的 认识。大多数人多是从网络上看到一些资料或是看到道路上的一些感官的感受,并没有做科学的评估与分析,从而认为LED路灯的光的穿透性差。在本文中将对此 状况作一个科学的分析。

我们都知道可见光的范围是380nm到780nm之间,在此范围呢的光线都是可被人眼接受与识别的。我们认为所 有灯具只有在此波段范围内的光才有利用价值,出了此范围人眼是无法识别的。本文对于穿透性的分析也只在此范围内进行。光谱图中可以看出LED的光谱要比钠 灯的全面的多,两者的波峰都在580nm处,LED的蓝光部分只占总光通量的6%左右,而钠灯几乎没有。LED红光区的分布要比高压钠灯更宽泛。

8、性能比较:

高压钠灯和LED光源照明灯性能对比

(1)使用寿命上比较

LED灯是一种半导体二极管,它的光源理论寿命都非常长(前提是满足在规定节温范围内,L70光衰标准下),但一个灯具的整体寿命不简单是光源寿命,灯 具还包括透镜部分的影响。所以最终灯具的寿命应以所有灯具部件中寿命部件最短为限。当光通量衰减到30%时,其寿命达到了50000小时,而金属卤化物灯 的寿命在6000-12000小时,高压钠灯的寿命是20000小时。

(2 )光的照明效果上比较

①显色指数LED白光:①LED色温在3500-7000K;②显色指数在80~93。传统高压钠灯:①高压钠灯色温在2000-2500K;②显色指 数在20~30。通过以上对比结果可看出高压钠灯显色指数低,显色性差,对物体本身色彩的还原性差,不利于对周边环境深度进行判断;LED光源显色指数 高,显色性好,能很好的还原物体的实际色彩,但白光偏冷。看高压钠灯,比较接近自然光。现阶段的LED灯的灯具光效要略优于钠灯,随着LED技术的发展和 成熟,灯具光效会再大大的提高。

②调光功能:LED灯具有较完美的调光功能。LED灯具光输出和工作电流成正比,因此可以通过减小电流 的方法来调光。另外,由于LED灯进行频繁开关对其没有太大的损伤,LED灯还可以采用脉冲宽度调节的方法来调光,通过调节电压的占空比和工作频率,能够 有效调节LED灯的发光强度。

(3)光线利用率、发光率

LED灯光源的光通量损 失最小,与传统光源不同,LED灯是半空间发光的光源。高压钠灯是全空间发光的光源,需要将一个半空间的出射光线改变方向投向另一半空间内反射器反射同 时,不可避免的对光线的吸收和对光源自身的挡光。而使用LED灯作为光源,不会存在这方面的损失,光线的利用率比也比高压纳灯高。目前LED灯在 65-100流明/瓦,而高压钠灯可以达到140流明/瓦。高压钠灯的光谱比较集中于黄色,色温2000-2500K穿雾性强。钠灯灯具有一个非常大的问 题就是钠灯的照明持续性非常不好。钠灯在工作状态下,灯具腔体内的温度要超过150度,而LED灯温度是高压钠灯的30%,在非工作状态下因为负压回吸进 去非常多的灰尘和昆虫,大大影响钠灯的出光效果与寿命。而LED比较稳定。

(4)节能与环保上的比较

LED灯高效节能,超低功耗。白光LED的能耗仅为白炽灯的1/10,节能灯的1/4。并且LED灯的光源不含有害金属汞。高压钠灯光源中含金属汞、金 属钠(通电后变成汞蒸气和钠蒸气),寿命短(相对于LED来讲),后续废品处理对环境污染大。LED灯抗震性好,运输便捷。固态封装,属于冷光源类型。所 以它很方便运输和安装。

(5)构造和造价上比较

LED的灯具一般颗粒感都比较明 显,且其发光位置比较集中。所以LED需要在均光上面做更好的设计,将点光源尽量扩展成面光源,提高眼睛的舒适度。再有就是很多产品都会做LED调光设 计,以节约能源。目前,大部分厂商设计生产的LED路灯自重极重,往往都超过10公斤。这样大的自重往往会使灯杆不胜负荷,降低了其抗风能力。大多数 LED灯具的厂家,均将LED灯具设计成可替换方式,即直接替换现有的灯具。并将LED的电流做大以在维持亮度不变的情况下减少灯芯数量以节约成本,或者 压缩PCB面积,抑或是减少安规件。

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