在城市夜景照明中应用LED的思考
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1. 当前LED在城市夜景照明应用中存在的主要问题
1.1 城市夜景照明使用者对LED的物理基础与工作原理不了解
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。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=1.9 ev（红色）至Eg=3.0 ev（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的第一步，PN结发出的光射向各个方向，光子射向晶片上表面时，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。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，最终在内部被吸收掉，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。使用何种光源，发光效率是重要指标，白炽灯和卤钨灯发光效率为12～24 lm/W，平均15 lm/W。高效率荧光灯和HID灯发光效率为50～120 lm/W，平均约为75 lm/W。这些光源的缺点是仅把一小部分电能转变成可见光。LED从理论上讲其较换效率可达100%[1]。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400～430 nm），蓝光（波长为430～470 nm），蓝绿光（波长为470～500 nm），绿光（波长为500～530 nm），黄绿光（波长为530～560 nm），黄光（波长为560～590 nm），橙色光（波长为590～620 nm），红光（波长为620～780 nm）[2]。由于有色LED的光谱窄，能量集中，发光效率高，光色色彩纯等优点，被广泛运用于城市景观照明中。
1.2 使用业主与政府夜景照明建设、管理部门在认识上存在误区
LED被广泛宣传为高效节能与长寿命等优点，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80～100 lm/W。大功率高亮度LED器件本身发光效率目前约为50～70 lm/W。（50 lm/W意味着仅把12%左右的电能转变为光，预计2012年可达150 lm/W，2020年可达200 lm/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）[3]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h[4]，但在实际应用中影响LED寿命的因素太多也太复杂，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作为夜景照明灯的寿命。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。
1.3 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已较为普通（特别是在一些大城市）。由于一些夜景设计者对LED的性能不是真正了解，在夜景照明设计中不根据被照对象、所附载体特征、功能及具体环境大量使用LED，造成有的城市仅靠LED进行夜景照明，出现夜景塑造手法单一，夜景单调，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；有的在医院大楼和环境、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另加附一些构件造型组成图案，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，给广大市民产生一种LED本身有错的误判，使一些城市对夜景使用LED失去信心，影响了LED在城市夜景照明领域的发展。
1.4 城市夜景照明用LED产品质量良莠不齐
由于宣传的作用，人们对在城市照明中使用LED充满着美好的愿望。有的城市大范围使用，但在使用一段时间后，发现LED不是象宣传中所说的长寿命。有的大楼花费数百万元运用LED作夜景照明，但工程安装完后验收时就不正常，不是部分LED灯坏了就是控制系统出问题，多次改进，多次验收；有的大楼、护栏等使用LED后几个月就坏了不少，轮廓线不是断缺就是颜色变化异常，受到上级与群众批评，只好拆除LED换成其他光源灯具，损失巨大又产生极大负面影响；还有的在高架轻轨沿线安装LED，发生失火现象，迫使轻轨列车停运等等。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。其中主要有如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。
1.5 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
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