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当前LED在城市夜景照明应用中存在的主要问题

2019-12-27

 1. 对LED的工作原理不了解


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。南宁城市夜景照明工程,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=1.9ev(红色)至Es=3.0ev(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di一步,PN结发出的光射向各个方向,光子射向晶片表面时,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。


南宁城市夜景照明工程


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,zui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。


发光效率是光源的重要指标,白炽灯和卤钨灯发光效率为12-24lm/W,平均数15lm/W.高效率荧光灯和HID灯发光效率为50-120lm/W,平均约为75lm/W.这些光源的缺点是仅把一小部分电能转变成可见光。LED从理论上讲其转换效率可达99%.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400-430nm),蓝光(波长为430-470nm),蓝绿光(波长为470-500nm),绿光(波长为500-530nm)黄绿光(波长为530-560nm),黄光(波长为560-590nm),橙色光(波长为590-620nm)红光(波长为620-780nm)“.由于有色LED的光谱窄,能量集中,发光效率高,光色纯正等优点,被广泛用于城市景观照明中。


2.业主与管理部门在认识上存在误区


LED光源高效节能与长寿命等优点被广泛宣传,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80-100lm/W.大功率高亮度LED器件本身发光效率目前约为50-70lm/W.(lm/W意味着仅把12%左右的电能转变为光,预计2012年可达150lm/W,2020年可达200lm/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),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灯具的匹配等问题。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10万小时,但在实际应用中影响LED寿命的因素太多太复杂,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作为夜景照明光源的使用寿命。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。


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已较为普遍。由于一些照明设计者对LED的性能不完全了解,在夜景照明设计中不根据被照对象、载体特征、功能及具体环境而大量使用LED,造成有的城市依靠LED进行夜景照明,出现夜景塑造手法单一的现象,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,被误以为是夜总会;有的在医院大楼、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,影响了LED在城市夜景照明领域的发展。


4.城市夜景照明用LED产品质量良莠不齐


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。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。


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,人们一度认为LED能解决夜景照明所有问题,如夜景照明耗能是一大难题;夜景多是室外,有各种极端气候问题;有高层超高层建筑夜景灯具更换难问题;有雨水、防尘等一系列有关灯寿命的问题:城市夜景需要彩色、闪动变化光等问题。LED节能、长寿命、光色丰富变化多样,似乎LED正符合解决这些夜景照明的所有难题。因此,有一段时间,部分城市在夜景建设方面,只要有运用LED的夜景照明方案,管理部门都会认为是科技含量高的优良方案会获得通过。在实施夜景过程中从购买LED产品到施工,进而在工程完工后运行中缺乏有效的LED质量审查、工程监督和运行维护这一系列管理机制。


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