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大功率LED路灯发展前景及问题分析

文字:[大][中][小] 2013-9-27  浏览次数:1407

  LED路灯散热的好坏是决定其生命周期、发光效率的关键,其重量在路灯系统上也十分重要,它的价格在能否大面积替代传统的路灯上也是不可忽视的因素。
  1、前景展望

  在当今全球能源紧缺的环境下,节约能源已成为大势

  所趋,半导体照明是一项节能、低碳环保的绿色产业,其发展方兴未艾,受到国家的鼓励和政策扶持。LED正以其节能、环保、光源健康和高寿命、环保无污染等各种优点稳健发展。目前,LED照明技术日趋成熟,这使得城市路灯照明节能改造成为可能。LED路灯,特别是大功率LED路灯,正以迅猛的速度冲击传统的路灯市场。

  大功率LED光源寿命长,是高压钠灯寿命的4倍以上,使用10万小时后,光衰低于30%,耗电仅为白炽灯的十分之一,可以在-40℃~70℃正常工作,不产生任何环境污染,维护成本低,使用时具有投光距离远、泛光面积大的特点,彻底解决了传统灯具存在的多种弊端。

  2、问题分析

  大功率LED路灯顾名思义是功率大于30瓦以上,采用新型LED半导体光源的路灯,尽管LED路灯的发展速度迅猛,但从长远看LED灯具的散热问题将是一个长期存在的问题。

  一般情况下,LED光源工作时所产生的热量占其消耗总功率的70%左右,它发光时所产生的热量若无法导出,将会使LED结面温度过高,进而影响产品生命周期、发光效率、稳定性。

  光衰是大功率LED路灯不能长期工作的主要原因,降低光衰的一个重要方法就是改进其散热。目前大多数LED路灯的光衰是不能满足使用要求的。有关实验数据表明1200小时亮灯后的光衰,最好的为8%,最差的为26%,平均为14%.从传热学理论体系出发,我们可以使用的传热手段有:传导、对流、辐射和相变传热(例如热管)。因此在传热或者说散热问题上,我们可以采取的措施是可见的、有限的。

  重量在路灯系统上也十分重要,因为路灯高有9米,甚至12米,若太重危险性就增加,对于行人及过往车辆的安全构成威胁,尤其遇到台风、地震都可能产生意外。

  LED是一种单向电流型固态半导体发光器件,它是传统二极管的一个分支,具有二极管的特性,用于照明时电流的调节精度要高、电流的纹波要稳定,从而保证LED照明没有闪烁和眩光。因次大功率LED光源产生的热量大小跟恒流驱动的设计有直接关系,如果恒流驱动设计不好,有效功率不高,热量非常高,什么散热办法都不能从根本上解决LED的寿命不够长的问题。好的恒流驱动的设计是治本方法,能把散热减到最低,而各种散热方法只是治标不治本的方法,只是辅助解决问题,只有在解决好电路问题的前提下,再来考虑内部散热问题。

  高导热系数软性硅胶导热绝缘垫正被广泛地应用在LED照明、显示器、计算机和电源等电子设备行业。表面构造密合接触,减少空气热阻抗,利用本身所具备的导热特性,最大程度满足器件的工艺传热要求,提升器件使用功率及延长使用寿命。软性导热硅胶绝缘垫是传热界面材料中的一种,产品厚度从0.5~5mm不等,是片状材料,可根据发热功率器件的大小及形状任意裁切,具有良好的导热能力和绝缘特性,其作用为填充发热功率器件与散热器之间间隙,是替代导热硅脂、导热膏加云母片(绝缘材料)的二元散热系统的理想产品。特别是在无风扇散热设计中,因软性硅胶导热片导热好,绝缘强,有一定的弹性,将芯片上的热量,利用软性硅胶导热片等一直传到产品外壳,通过金属外壳散热,使用很方便。

  3、现状分析

  目前LED路灯的现状为以下几种形式:

  (1)采用LED路灯专用型材,再配以其它零件组成LED路灯,它比较适合于分散光源的LED灯,即单颗功率为1~3W,由数颗均匀分布组成不同功率的LED灯,这种形式散热效果好,但重量大、成本高,大面积推广难度较大。

  (2)采用铸造铝合金将散热片与灯壳铸为一体,由于铸造铝合金传热性不够好导致这种灯壳散热不够理想,且重量大、这种路灯一套模具费用大约20多万元,初始投入高。

  (3)铸造铝合金灯壳与型材散热器相结合,这种形式散热效果尚可,但同样是重量大、需要开模具,初始投入高。

  (4)利用传统的路灯灯壳进行改造,将LED光源产生的热量用导热铜管引到灯壳外面散去,这种路灯初始投入低,散热效果好,重量轻,成本低,比较适合大面积推广,其缺点是外表美观性不很理想。按照这种构思,从2009年夏天开始,我们做了大量的实验,取得了较好的效果,在炎热的夏天,其光源芯片附近的最高温度不超过50℃,2009年10月,我们公司已生产1000多部这种路灯、部分隧道灯、投光灯,主要销售于陇南地区的宕昌县、武都等地,至今照明效果很好。

  4、散热问题解决办法

  传统的(高压钠)路灯灯壳均为模具压铸而成、品种多样,改造为LED路灯,不仅节能可达70%左右,而且满足了人们对路灯多样化的需求,但如何改造是摆在人们面前的一大问题。我们经过实践探索,摸索出了一套方法,主要归纳为以下几点:

  (1)这种方法仅适合于LED光源发光体集中的形式,目前这种光源多为50W及100W两种。

  (2)我们将航天科技中的“导热铜管”散热技术应用于大功率LED灯具,它可以将LED光源工作时产生的热量迅速传导于散热片。LED光源下面是铝基座,铝基座上面加工成大半圆孔,“导热铜管”穿与大半圆孔中,上表面轻轻敲平,粘上软性硅胶导热绝缘垫或者涂上导热硅脂,再将LED光源紧固其上,这样LED光源工作时产生的热量就可通过“导热铜管”传导于散热片上。一组散热片用这样的铜管2~3根为宜。

  (3)散热面积的大小对于散热的好坏起着十分重要的作用,为了尽量增加散热面积,我们采用0.5mm厚的防绣铝板作为散热片,散热片上翻孔,使其与“导热铜管”紧密接触、加大传热面积,以达到较好的传热效果。

  (4)一组这样的散热片约为30片左右,其片数由单个散热片的面积大小及LED的功率大小决定。它的特点是散热面积可以做得很大、重量却较轻。散热片暴露于路灯壳上面或侧面,能够很好的完成对流、辐射,将热量散于空气中。散热片可以做成各种形状,如鸽子、鸟的翅膀等。

  (5)由于路灯壳体多为铸铝,也能够起到一定的散热作用,必须加以利用。因此铝基座与灯壳之间也要涂导热硅脂或粘贴软性硅胶导热绝缘垫,再用螺钉将铝基座与灯壳联接牢靠,使其起到较好的传热作用。如果路灯壳体内有小的平台沿或平面,可以架一块厚铝板,将铝基座固定于铝板上,涂上导热硅脂等,使尽可能多的热量传导灯壳上散去。

  总之,在大功率LED路灯设计应用中,首先要设计或选用好的恒流源及光源,其次要充分利用路灯壳体进行散热,再次设法将LED光源所产生的热量迅速传导到壳体外,用较大的散热面积将热量散去,并且路灯的重量不宜过大。