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    LED照明與高壓鈉燈節能環保優勢對比分析


    Apr 22, 2020

          當前我國正在創建資源節約型、環境友好型社會,“綠色照明”的概念也在逐步深入人心。隨著科技的不斷進步,半導體材料應用技術的高速發展,小功率LED光源已廣泛應用于的景觀照明,大功率的LED路燈也越來越多的引起各方面的關注。

    LED燈的發光原理:

    LED(Light Emitting Diode),發光二極管,是由Ⅲ—Ⅳ族化合物制成,是一種固態的半導體器件,它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片,半導體晶片由三 部分組成,一部分是P型半導體,在它里面空穴占主導地位,另一端是N型半導體。當電流通過導線作用于這個晶片的時候,電子和空穴就會被推向量子阱,在量子 阱內電子跟空穴復合,然后就會以光子的形式發出能量,這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色,是由形成P-N結的材料決定的。

    高壓鈉燈的發光原理:

    高壓鈉燈是利用通電后,電弧管兩端電極之間產生電弧,由于電弧的高溫作用使管內的鈉汞齊受熱蒸發成為汞蒸氣和鈉蒸氣,陰極發射的電子在向陽極運動過程 中,撞擊放電物質的原子,使其獲得能量產生電離或激發,然后由激發態回復到基態;或由電離態變為激發態,再回到基態無限循環,此時,多余的能量以光輻射的 形式釋放,便產生了光。

    大功率LED路燈是一種通過直流低壓點亮發光二極管組來實現照明需求的一種新型照明方式,具有亮度高、顯色性好等特點;另外,由于LED路燈的輸入為低壓直流,能與太陽能結合起來,使得太陽能LED路燈成為了未來道路照明方式的一種可能。

    1、關于能效分析、比較

    應按照達到相同照度(亮度)水平,接近的照明質量標準的前提下比較兩者的照明安裝功率。由于高壓鈉燈大功率燈管(250~400W)光效高,可達 130~1401m/W,而小功率燈管(100~150W)光效約為80~1001m/W,而現用大功率LED路燈多用1WLED管,其光效都差不多,所 以宜分別對大功率路燈與小功率路燈作分析。

    (1)大功率(≥250W)路燈:高壓鈉燈光效高,考慮鎮流器損耗,燈具效率以及光道利用率 等三個因素,綜合效率若按0.55計,則鈉燈的有效光效約為70~751m/W;而LED路燈的有效光效,目前在美國約為621m/W,國內最好的企業已 達56~581m/W。因此,我們覺得對于大功率路燈來說,目前LED比鈉燈的能效要低一些。

    (2)小功率(≤150W)路燈:鈉燈的 有效光效(計入綜合效率0.55)約為45~551m/W,而LED仍按56~581m/W計,則LED比鈉燈可實現節能10%~20%,最高可達 30%。從上分析,可知用于支路的小功率(≤150W)時,LED路燈比鈉燈的可節能達10%~30%,而大功率仍比不上鈉燈的能效。所以,那些籠統宣稱 LED路燈比高壓鈉燈節能,甚至可節能50%、60%等說法,顯然有夸大和炒作之嫌。我們應堅持科學的分析,實事求是的原則,否則容易誤導使用者和廣大群眾。

    2、光源光色對道路照明效果的分析

    高壓鈉燈的相關色溫(Tcp)為2100K左右,屬暖色溫,其顯色指數(Ra)只有23~25,顯色性低;而LED路燈現在使用的色溫多大于 5300K,屬冷色溫,較好的產品,其Ra 可達70~80,顯色性好。作為機動車行駛的快速道、主干道,偏黃色光的鈉燈,對看清前方90~160m左右距離路面狀況,效果比白色光略優,特別是對有 霧、多塵的空氣條件下,鈉燈較有優勢。對于人行道、商業步行街、居住小區等道路,LED的顯色性優于鈉燈,分辨人的狀況更清晰,較有優勢?! ?br />
    3、經濟性分析對比

    高壓鈉燈具,每套約為1200~1500 元;目前LED路燈,按功率大小不同,價格相差較大,大約在4000~8000元左右。就現狀而言,LED路燈明顯太貴,價高達3~5倍之巨。如小于 150W的LED可以節能10%~30%,每年每燈節電約50~150KWh,根本無法回收多花費的購燈費用。只能期望在未來若干年,LED發展趨勢看其 價格會逐步下降,能效進一步提高,再比較其經濟性能。

    4、使用壽命分析

    比較使用壽命應立足于整燈壽命。高壓鈉燈包括光源、電器附件(主要是鎮流器、觸發器)和燈具,鈉燈用于路燈平均壽命3~5 年,節能型電感鎮流器不會低于20 年,燈具也是如此。而LED路燈的使用壽命暫無使用經驗,現有的企業號稱5 萬、6萬小時,尚無可靠依據。美國能源之星制訂的要求,分為不低于35000h和25000h兩檔,主要是LED芯片壽命很長,卻與封裝后的溫度,散熱等 諸多因素關系極大,另外還有驅動電路裝置的電子元器件壽命問題,如電容器往往只有8000h至10000h。所以整體說,LED路燈使用壽命不能和鈉燈路 燈比擬。

    5、維持性能比較

    以城市路燈管理部門為代表的用戶,更關心路燈的維護性能。按分析,鈉燈的維護性能好,燈具只要擦洗,不必更換,鎮流器很少更換,光源3~5 年更換一次,也很方便。而LED路燈、涉及LED管、模組(含透鏡等)、電源裝置等,發生元器件、組件損壞的可能性較大,維修更換也有困難,很可能要整體 更換,費用較高,還有待今后解決。LED路燈還沒有標準可循,對招標、訂購,對使用、維護都不利。綜上所述,我們認為LED路燈是近年來出現的新事物,隨 著LED產業的發展必將會有更大的發展,前景廣闊。但目前應用現狀,還存在不少問題,盡管有少數從事LED路燈研究、開發和生產企業、做出了很大努力,解 決了一些技術難題,推動了該產品的前進,他們不愧行業的精英;但從整體說,LED路燈產品的水平、質量、參差不齊、差異甚大,尚無標準予以規范,有的急功 近利,產品能效不高,散熱問題沒有處理好,光衰很大,使用壽命不長,沒有合理的燈具配光,不能達到推廣使用要求。我們希望,科研、教學、設計單位,使用單 位和生產企業共同努力,致力于解決各種技術難題,提高產品水平,制訂和完善一系列的標準,為推廣應用作好各項準備。在推廣應用上,應堅持循序漸近,從試點 開始,總結經驗,不斷改進;應從小功率LED路燈應用于支路、小區道路開始,再發展到干道,大功率路燈,逐步推進。不論用什么光源、燈具,都應符合《城市 道路照明設計標準》(CJJ45-2006)的規定,包括亮度、照度、均勻度及其他質量指標。堅持實事求是,切忌過分夸大之詞,對比中忌抬高自己,更忌壓 低其他,堅持照明質量、照(亮)度水平,堅持技術與經濟結合,適用與節能環保結合,防止過分炒作,為用戶服務,對用戶負責,不要誤導使用者,還用戶一個真 實面貌。不要輕言“取代”什么光源,應該經過幾年或若干年努力,不斷完善自身,以求在道路照明中成為一種優質、高效的新型光源、燈具,供用戶選擇。讓用戶 說話,讓使用效果去評價。發光效率:單位為每瓦流明Lm/w。即電光源將電能轉化為光能的能力,以發出的光通量除以耗電量來表示。

    6、發光效率

    LED光源的發光效率,目前國外美國、日本約75Lm/w左右,國內生產的LED約65Lm/w左右。高壓鈉燈光源的發光效率為100Lm/w左右,每w發出的光通量比LED高25~35Lm/w。400w高壓鈉燈的發光效率高達120Lm/w。

    7、透霧性

    在道路照明中對于LED路燈對于大霧的穿透性的認識有很大的誤區。大多數人一直認為LED路燈的穿透性要比傳統照明光源鈉燈的穿透性低,這是一個錯誤的 認識。大多數人多是從網絡上看到一些資料或是看到道路上的一些感官的感受,并沒有做科學的評估與分析,從而認為LED路燈的光的穿透性差。在本文中將對此 狀況作一個科學的分析。

    我們都知道可見光的范圍是380nm到780nm之間,在此范圍呢的光線都是可被人眼接受與識別的。我們認為所 有燈具只有在此波段范圍內的光才有利用價值,出了此范圍人眼是無法識別的。本文對于穿透性的分析也只在此范圍內進行。光譜圖中可以看出LED的光譜要比鈉 燈的全面的多,兩者的波峰都在580nm處,LED的藍光部分只占總光通量的6%左右,而鈉燈幾乎沒有。LED紅光區的分布要比高壓鈉燈更寬泛。

    8、性能比較:

    高壓鈉燈和LED光源照明燈性能對比

    (1)使用壽命上比較

    LED燈是一種半導體二極管,它的光源理論壽命都非常長(前提是滿足在規定節溫范圍內,L70光衰標準下),但一個燈具的整體壽命不簡單是光源壽命,燈 具還包括透鏡部分的影響。所以最終燈具的壽命應以所有燈具部件中壽命部件最短為限。當光通量衰減到30%時,其壽命達到了50000小時,而金屬鹵化物燈 的壽命在6000-12000小時,高壓鈉燈的壽命是20000小時。

    (2 )光的照明效果上比較

    ①顯色指數LED白光:①LED色溫在3500-7000K;②顯色指數在80~93。傳統高壓鈉燈:①高壓鈉燈色溫在2000-2500K;②顯色指 數在20~30。通過以上對比結果可看出高壓鈉燈顯色指數低,顯色性差,對物體本身色彩的還原性差,不利于對周邊環境深度進行判斷;LED光源顯色指數 高,顯色性好,能很好的還原物體的實際色彩,但白光偏冷??锤邏衡c燈,比較接近自然光?,F階段的LED燈的燈具光效要略優于鈉燈,隨著LED技術的發展和 成熟,燈具光效會再大大的提高。

    ②調光功能:LED燈具有較完美的調光功能。LED燈具光輸出和工作電流成正比,因此可以通過減小電流 的方法來調光。另外,由于LED燈進行頻繁開關對其沒有太大的損傷,LED燈還可以采用脈沖寬度調節的方法來調光,通過調節電壓的占空比和工作頻率,能夠 有效調節LED燈的發光強度。

    (3)光線利用率、發光率

    LED燈光源的光通量損 失最小,與傳統光源不同,LED燈是半空間發光的光源。高壓鈉燈是全空間發光的光源,需要將一個半空間的出射光線改變方向投向另一半空間內反射器反射同 時,不可避免的對光線的吸收和對光源自身的擋光。而使用LED燈作為光源,不會存在這方面的損失,光線的利用率比也比高壓納燈高。目前LED燈在 65-100流明/瓦,而高壓鈉燈可以達到140流明/瓦。高壓鈉燈的光譜比較集中于黃色,色溫2000-2500K穿霧性強。鈉燈燈具有一個非常大的問 題就是鈉燈的照明持續性非常不好。鈉燈在工作狀態下,燈具腔體內的溫度要超過150度,而LED燈溫度是高壓鈉燈的30%,在非工作狀態下因為負壓回吸進 去非常多的灰塵和昆蟲,大大影響鈉燈的出光效果與壽命。而LED比較穩定。

    (4)節能與環保上的比較

    LED燈高效節能,超低功耗。白光LED的能耗僅為白熾燈的1/10,節能燈的1/4。并且LED燈的光源不含有害金屬汞。高壓鈉燈光源中含金屬汞、金 屬鈉(通電后變成汞蒸氣和鈉蒸氣),壽命短(相對于LED來講),后續廢品處理對環境污染大。LED燈抗震性好,運輸便捷。固態封裝,屬于冷光源類型。所 以它很方便運輸和安裝。

    (5)構造和造價上比較

    LED的燈具一般顆粒感都比較明 顯,且其發光位置比較集中。所以LED需要在均光上面做更好的設計,將點光源盡量擴展成面光源,提高眼睛的舒適度。再有就是很多產品都會做LED調光設 計,以節約能源。目前,大部分廠商設計生產的LED路燈自重極重,往往都超過10公斤。這樣大的自重往往會使燈桿不勝負荷,降低了其抗風能力。大多數 LED燈具的廠家,均將LED燈具設計成可替換方式,即直接替換現有的燈具。并將LED的電流做大以在維持亮度不變的情況下減少燈芯數量以節約成本,或者 壓縮PCB面積,抑或是減少安規件。



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