在城市夜景照明中應(yīng)用LED的思考
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1. 當(dāng)前LED在城市夜景照明應(yīng)用中存在的主要問題
1.1 城市夜景照明使用者對LED的物理基礎(chǔ)與工作原理不了解
LED是一種直接將電能轉(zhuǎn)換成光能的固體元件，又稱發(fā)光二極管，其基本結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體的基礎(chǔ)單元PN結(jié)，PN結(jié)是攜帶電子的N層和攜帶空穴的P層兩種半導(dǎo)體材料之間的過渡層。在PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，電流從P層（空穴層）流向N層（電子層），而電子是從電子層注入到空穴層，電子與空穴復(fù)合后產(chǎn)生了光。根據(jù)能量守恒定律每一次結(jié)合輻射一個(gè)光子，其能量為hv=Eg，可見光光子的能量范圍為Eg=1.9 ev（紅色）至Eg=3.0 ev（紫色）。一般而言LED材料的內(nèi)部量子效率為10%～15%，其損失來自晶體缺陷與錯(cuò)位等材料缺點(diǎn)。LED晶片中的光子輻射僅是制造使用LED的第一步，PN結(jié)發(fā)出的光射向各個(gè)方向，光子射向晶片上表面時(shí)，大部分光子從界面內(nèi)側(cè)反射回晶片，僅1.5%～2.0%左右的光子可能逸出上表面。一個(gè)晶片共5個(gè)對外表面（上面和四個(gè)側(cè)面），因此逸出的光子總計(jì)為7.5%～10%，其余90%以上的光子在晶片中被吸收掉，這是晶片在空氣中的情況。把晶片嵌在折射率為1.5的環(huán)氧樹酯中，光子逸出率將提高至20%～25%左右。發(fā)光效率低的原因是內(nèi)部光子吸收，大部分光子不能逸出晶片表面而被折射回去，最終在內(nèi)部被吸收掉，比較有效的晶片設(shè)計(jì)是形狀為倒置的切去頂部的金子塔形晶片（晶片表面彼此處于非垂直狀態(tài)）放在環(huán)氧樹脂中制成的LED，外部量子效率已達(dá)到55%，還可更高。使用何種光源，發(fā)光效率是重要指標(biāo)，白熾燈和鹵鎢燈發(fā)光效率為12～24 lm/W，平均15 lm/W。高效率熒光燈和HID燈發(fā)光效率為50～120 lm/W，平均約為75 lm/W。這些光源的缺點(diǎn)是僅把一小部分電能轉(zhuǎn)變成可見光。LED從理論上講其較換效率可達(dá)100%[1]。經(jīng)過幾十年的研究，LED效率提高很快。在半導(dǎo)體材料中，采用不同的元素?fù)诫s，可以制造出不同的LED，其發(fā)光的不同波長會引起人眼的不同感覺。按人眼的判色習(xí)慣，LED可分為：紫光（波長為400～430 nm），藍(lán)光（波長為430～470 nm），藍(lán)綠光（波長為470～500 nm），綠光（波長為500～530 nm），黃綠光（波長為530～560 nm），黃光（波長為560～590 nm），橙色光（波長為590～620 nm），紅光（波長為620～780 nm）[2]。由于有色LED的光譜窄，能量集中，發(fā)光效率高，光色色彩純等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于城市景觀照明中。
1.2 使用業(yè)主與政府夜景照明建設(shè)、管理部門在認(rèn)識上存在誤區(qū)
LED被廣泛宣傳為高效節(jié)能與長壽命等優(yōu)點(diǎn)，這使人們產(chǎn)生一些誤解，認(rèn)為LED可以解決夜景照明中的所有問題了。據(jù)有關(guān)資料，到目前為此，小功率LED器件本身發(fā)光效率約為80～100 lm/W。大功率高亮度LED器件本身發(fā)光效率目前約為50～70 lm/W。（50 lm/W意味著僅把12%左右的電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，預(yù)計(jì)2012年可達(dá)150 lm/W，2020年可達(dá)200 lm/W）。LED單燈功率小，光效低，其驅(qū)動(dòng)電路的功率損耗約占LED器件總功率的20%以上，（其它氣體放電燈用鎮(zhèn)流器功率損耗約占燈功率10%左右）[3]由于單個(gè)LED光源體積太小，光通輸出量太少，對于夜景照明來說，往往需要成百上千，甚至上萬顆LED光源組合才能代替常用照明光源，這就帶來LED組合光源與LED燈具等問題。由于LED光源光束發(fā)射角小，光源方向性強(qiáng)也造成不是任何場合都適用LED作夜景照明。在使用壽命上，LED器件本身的理論壽命可達(dá)10萬h[4]，但在實(shí)際應(yīng)用中影響LED壽命的因素太多也太復(fù)雜，除LED器件本身的材料、制造工藝、技術(shù)外，LED顆粒的組合、燈具的設(shè)計(jì)、控制驅(qū)動(dòng)電路性能、配套元器件、散熱、防水防塵、防紫外線及防高低溫變化等眾多因素和條件都影響著LED作為夜景照明燈的壽命。以理論壽命作為工程應(yīng)用壽命的宣傳，只能損害LED的發(fā)展。特別當(dāng)一些使用業(yè)主和政府夜景建設(shè)管理部門被不當(dāng)宣傳誤導(dǎo)對LED的期望值過高，而工程應(yīng)用中又出現(xiàn)一些問題后，對LED產(chǎn)生的不信任感影響了LED在夜景照明中的應(yīng)用。
1.3 城市夜景照明設(shè)計(jì)方法不當(dāng)影響了LED的使用
在城市夜景照明中應(yīng)用LED已較為普通（特別是在一些大城市）。由于一些夜景設(shè)計(jì)者對LED的性能不是真正了解，在夜景照明設(shè)計(jì)中不根據(jù)被照對象、所附載體特征、功能及具體環(huán)境大量使用LED，造成有的城市僅靠LED進(jìn)行夜景照明，出現(xiàn)夜景塑造手法單一，夜景單調(diào)，沒有達(dá)到城市夜景應(yīng)有的美感；有的在政府行政辦公樓玻璃幕墻上采用矩陣滿布方法，變幻各種圖案，追光閃動(dòng)的形態(tài)動(dòng)感和艷麗的色彩，被誤以為是夜總會；有的在醫(yī)院大樓和環(huán)境、寫字樓、住宅樓及小區(qū)用LED線狀、點(diǎn)狀光追光閃動(dòng)，五彩繽紛變化多樣；有的在重要建筑山墻、頂部用LED另加附一些構(gòu)件造型組成圖案，白天破壞建筑風(fēng)貌，晚上改變建筑形態(tài)；還有一些在學(xué)府區(qū)、靜溢區(qū)到處設(shè)置光色變化的LED，光怪陸離，造成嚴(yán)重的色光污染；有的在背景亮度很低的環(huán)境中使用眾多高亮度LED造成對比反差太大的眩光；有的在交通信號燈附近使用色光變化的LED，造成駕駛員及行人的交通信號錯(cuò)覺等等。這些不正確的設(shè)計(jì)，給廣大市民產(chǎn)生一種LED本身有錯(cuò)的誤判，使一些城市對夜景使用LED失去信心，影響了LED在城市夜景照明領(lǐng)域的發(fā)展。
1.4 城市夜景照明用LED產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊
由于宣傳的作用，人們對在城市照明中使用LED充滿著美好的愿望。有的城市大范圍使用，但在使用一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)LED不是象宣傳中所說的長壽命。有的大樓花費(fèi)數(shù)百萬元運(yùn)用LED作夜景照明，但工程安裝完后驗(yàn)收時(shí)就不正常，不是部分LED燈壞了就是控制系統(tǒng)出問題，多次改進(jìn)，多次驗(yàn)收；有的大樓、護(hù)欄等使用LED后幾個(gè)月就壞了不少，輪廓線不是斷缺就是顏色變化異常，受到上級與群眾批評，只好拆除LED換成其他光源燈具，損失巨大又產(chǎn)生極大負(fù)面影響；還有的在高架輕軌沿線安裝LED，發(fā)生失火現(xiàn)象，迫使輕軌列車停運(yùn)等等。在檢查中發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)部分夜景照明用LED存在嚴(yán)重質(zhì)量問題。其中主要有如LED本身的材料、生產(chǎn)工藝等質(zhì)量問題；有單顆LED組成多顆至數(shù)百顆形成燈具后的如防水、散熱等一系列問題。有驅(qū)動(dòng)電路性能品質(zhì)等問題；有控制系統(tǒng)問題等等。這些問題影響了LED在夜景照明中的使用效果和質(zhì)量，對LED在夜景照明中的應(yīng)用產(chǎn)生了不良影響。
1.5 夜景照明運(yùn)用LED在建設(shè)、監(jiān)管與維護(hù)管理方面存在問題
LED作為一種新光源運(yùn)用在夜景照明中是一件非常好的事情。但LED有其自身的特點(diǎn)，由于相當(dāng)一部分城市夜景建設(shè)管理者不了解這個(gè)問題，加上一些廠家、媒體不當(dāng)?shù)男麄?，人們?
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