一种大功率LED洗墙灯的研究与产业化.docx
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一种大功率LED洗墙灯的研究与产业化
深圳市
立项可行性报告
项目名称：
一种大功率条型LED洗墙灯的研究与产业化
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申报时间：
目录
1．项目背景3
1.1项目的目的及意义3
1.2国内外技术发展现状与趋势8
1.3项目的产业化前景分析10
2．项目研究开发内容、方法、技术路线10
2.1主要研究内容12
2.2拟解决的关键技术12
2.3拟采用的方法、技术路线以及工艺流程15
2.4项目的特色和创新突破点20
21
2.5.1项目完成后预期实现的技术指标21
2.5.2项目完成后预期实现的经济指标22
2.5.3社会和经济效益，对产业的带动和提升作用22
3．项目实施的现有基础23
4．项目实施的计划进度28
5．资金筹措和使用42
5.1经费的筹措42
5.3经费的分配43
6．项目完成后预期实现的技术、经济指标及社会和经济效益，对产业的带动和提升作用
44
1．项目背景
1.1项目的目的及意义
在今年党的“十八大”报告中，环境保护被提升到了前所未有的高度，首次单篇论述生态文明，首提“美丽中国”的宏伟目标，并释放了强烈的关注环境保护、资源循环利用、节能减排等相关领域的信号。
目前城市亮化工程主要还是以传统光源（钠灯、金卤灯、白炽灯等）的洗墙灯具为主，传统光源具有耗能大、短寿命、含光污染、不环保等缺点。
LED洗墙灯与传统洗墙灯相比，具有节能环保的社会效益，LED灯具比白炽灯节电约70%，且不含有害金属，不含红外线和紫外线，本身没有辐射，不会产生光污染废弃物可回收利用，属于典型的绿色环保照明产品；LED灯无频闪、无紫外线辐射、无电磁波辐射、较低热辐射、能耗低等特性，加上应用光扩散技术消除眩光，使之成为真正的节能、环保、健康光源。
但目前大功率的条形LED洗墙灯存在芯片散热设计不良、防水效果不佳、光斑不均匀等缺点，影响大功率的LED洗墙灯的大规模推广，我司针对以上问题，开展技术研究，从根本上解决LED芯片散热技术、光斑均匀性及结构防水技术。
（一）散热问题
对于具体的LED照明产品，由于LED芯片体积小，结构紧凑，产生的热量不易释放，热量聚集导致其工作温度上升，这将影响其工作性能，加速芯片老化，降低使用寿命。
如图1所示，随着结点温度的不断上升，LED灯的光通量及其使用寿命都呈下降趋势，不利于大功率LED灯的推广使用。
对于大功率照明用LED，由于产品空间相对狭小，散热条件比较恶劣，如何将热量有效散出的问题就更显得尤为重要。
同时，目前市场现有的条形大功率LED洗墙灯功率一般不高于36W。
因此，如何将大功率的灯具降低其工作温度是大功率照明用LED产品实现产业化亟待解决的关键技术难题之一。
a.光通量
b.使用寿命
图1.大功率LED灯的工作性能随结点温度的变化关系图
鉴于以上分析，本项目通过研究不同材料的散热属性，设计出能适应大功率条形洗墙灯的散热方式，研究其材料散热性能，最终提出其设计理论与方法，为新技术产品的产业化提供理论基础。
（二）灯具的光学设计方面，当前的设计仍存在着以下的问题：
1）、洗墙照度不均匀，出现明暗交替的现象，影响视觉美。
图2、明暗现象严重
2）、传统洗墙灯灯泡外露，尤其是大功率的洗墙灯，其光源外露，眩光严重。
图3、眩光严重的传统现有市场灯具
为此，本项目将针对以上光学设计问题，优化设计透镜的二次配光技术，使光的亮度及颜色调节达到既节能又舒适的视觉效果。
（三）在灯具的结构设计方面，当前LED洗墙类、投光类灯及其他景观类照明，其结构防水较多使用灌胶处理，灌胶方式防水虽然一定程度上达到防水效果，但灯具在生产过程中较多遇到如下问题：
1、灯具生产灌胶防水，使得整灯质量较重，增加了灯具运输成本及产品的灵动性；
2、使用灌胶当做防水方式，其生产效率较低下，影响灯具生产产能；
3、灌胶方式作为灯具的防水措施，当胶水灌封整灯时，严重影响LED的散热，降低灯具的使用寿命。
图5、灌胶处理的灯具
通过分析可知，如何解决当前使用灌胶方式作为防水措施，增加产品产能，提高产品的使用寿命，是当前急需解决的问题。
因此本项目将对灯具的结构进行优化设计，使灯具具有较好的结构防水性能。
综上所述，针对大功率LED照明灯具目前存在问题，本项目拟做如下研究并实现产品产业化，具体涵盖如下：
（1）研究不同材料的散热属性，解决当前大功率条形LED洗墙灯散热问题；
（2）优化设计透镜的二次配光技术，解决眩光及明暗相间的光学难题；
（3）采用新结构设计，运用结构性防水技术，解决当前以灌胶方式作为防水措施的结构设计。
最终产品通过热学、光学、机械工学专业领域的协同创新，在提高产品性能、可靠性及维护方便性的同时，减低成本和重量，最终实现高效稳定的大功率LED灯具产业化，为产业发展提供关键的共性技术基础。
1.2国内外技术发展现状与趋势
LED照明产品开发涉及多技术领域，缺一都不可，技术水平就是体现在光、电、机、材、热的有机结合。
未来LED照明产品的发展趋势是走简单便捷，散热易于实现的技术。
然而LED光源形成一个整体必将使其内部结构紧凑化，过于密集的热量难以及时传输，从而影响到LED灯具的工作性能。
因此解决高功率LED产品的散热问题势在必行。
当今对高功率LED产品的散热方法很多，包括自然对流冷却、空气强迫对流冷却、液冷、相变冷却、固态冷却以及热回收冷却系统。
在比较成熟的产品中，用得最多的方法仍然是选取合适的工程材料，例如大功率LED路灯，利用其具有大表面积的灯罩进行散热。
自然对流结构简单，成本低廉。
另外，利用空气强迫对流的散热方案，由于含有风扇等运动部件，其稳定性不高。
液冷系统由于结构复杂，成本较高。
热电转换装置在现有条件下转化效率仍然低下，可能会影响LED的节能优势，目前还不能大面积地推广使用。
由于适合的散热材料+散热设计的散热方式具有重量轻、结构简单、传热量大、传热速度快、耐用、本身不耗电等优点，一段时间内仍是LED散热方案，可成为解决大功率LED散热的一个重要发展方向。
同时，LED灯具内部光源的排布是影响LED灯具热量过于密集的一个重大的原因。
在满足其内部尺寸要求的条件下，灯珠排布方式的不同将直接影响到灯具散热。
探究出合理的LED光源排布方式，对提高LED灯具的光效与寿命起到很大的作用。
为此，本项目小组拟结合当前不同材料的运用，运用EFD散热技术，解决当前散热技术难题。
由上可知道，目前国内其他品牌的景观照明，大多使用压灌胶方式作为防水措施，本项目将打破如此传统设计，积极探索新型材料的使用，研究产品二次光学的处理,实现结构防水，呈现产品差异化，大大提高产品市场竞争力。
1.3项目的产业化前景分析
本项目通过探研不同散热材料的运用，优化设计高效的散热结构，构成强力散热体。
对该产进行标准化生产、销售，使其直接应用于大功率LED洗墙类景观照明灯具。
据预测，本公司未来3年内仅每年的年产值就可以达到3千万。
LED洗墙灯与LED护栏管等城市亮化照明灯具对于城市亮化工作的贡献无疑是非常巨大的，传统的城市亮化照明灯具不但在性能与使用寿命方面无法与新型的LED灯具相媲美，在政府大力提倡的环保节能，低碳减排方面更是远远落后于新型的LED洗墙灯、护栏管等产品。
行业专家认为LED洗墙灯将完全代替传统的景观照明灯具，成为现代化城市照明灯具的主流趋势。
此外，还将利用本项目研发的三项关键技术，生产出具有市场竞争力的大功率条形LED洗墙灯系列。
在“中国（上海）国际LED产业技术发展”会议上，灯具照明相关专业人士告诉我们，上海世博会主题馆南立面上明亮美观的玻璃窗格是由2300多盏LED洗墙灯所照亮的，在世博会大量使用与推广的基础上，我国在4、5年内将有大量的LED照明灯具取代传统照明。
LED灯具行业技术与工艺的不断提高，使其受到了社会各界的广泛关注，LED照明作为一种新型的绿色照明光源，受到了政府与客户的高度重视。
如今多数体育场馆，会议场馆，广场建筑等大型照明工程已经普遍采用了LED洗墙灯、护栏管等灯具，行业工作人员认为，不久就将完全代替传统照明灯具的使用。
在世博会、奥运会等多项大型盛会对于LED洗墙灯，LED护栏管等各类LED景观照明灯具的广泛使用，不但引起了社会各界的广泛关注，也充分说明LED灯具必然将会取代传统的景观照明灯具。
综上所述，本项目的开展不仅解决了工程领域的技术瓶颈问题，促进了LED照明技术的发展和推广，同时有效地实现了科技向生产力转化，具有重要的理论研究价值和客观的经济效益与社会效益。
2．项目研究开发内容、方法、技术路线
2.1主要研究内容
（一）散热材料的选取及散热结构设计
围绕大功率条形LED洗墙灯具的结构，保障灯具的光效及使用寿命，其散热结构的研发起到不容忽视的作用。
而散热中，包含着材料的选择、散热结构的设计、光源分布等技术问题需要逐步解决。
（1）散热材料的选取与设计
众所周知，散热分为传导、辐射及对流三种方式，LED发出的热其中大部分以热传导的方式，由散热基板经散热装置将热量传递出去，散发的热量分辐射及对流，热与空气进行热交换，最终将热量散发出去。
而每种材料辐射系数又都是一定的，用辐射方式传递热，不需要任何介质在选取合适材料后，如何提高产品的对流方式、设计出不同的散热鳍片，是本项目的急需研究的方向，并将此研究实现产业化的最终目标。
如下图，在同样模型、同样模拟条件下，具体如下：
散热材料:
ADC12；
模拟环境温度：
40℃；
分析类型：
External（notexcludeinternalspaces）；
网格数量：
98389；
使用软件：
FLOEFD；
模拟结果如下：
散热器鳍片未开口
散热器鳍片开口
图6、散热器鳍片未开口与开口散热模拟对比
结果表明：
当散热器鳍片状态不同、结构不同，其散热方式也不尽相同，有利于热辐射、对流的散热方式，其散热效果也会较好。
（二）二次配光技术研发
LED发出的光经透镜照射到有效区域，达到配光景观照明效果。
通过二次配光设计，使LED光线根据不同的应用场合重新分配。
（1）透镜的研发
采用先进纳米技术自主开发和生产一款抗紫外线、抗老化，可直接暴露在阳光下的透镜。
利用光学模拟软件模拟和实验研究得到透镜的40°光学设计，使其照射跨距大，同时照射均匀。
（2）透镜的材料选择
实验测试2种工程照明材料PC及PMMA面罩的热稳定性、光学透过特性、电绝缘特性和抗冲击性，并综合考虑加工工艺和成本，选取最佳的工程照明材料作为透镜的材料。
（4）透镜设计
利用MATLAB数学软件编写反光罩母线的计算程序，根据不同角度的出光要求计算得到不同的母线。
（三）灯具结构防水设计
（1）灯具结构性防水设计
优化产品结构，使用结构性防水来取代常用的灌胶方式防水，这其中包括防水材料的选择，硅橡胶材料压缩设计以及如何保障灯具在不同大气压不同环境下灯具有水雾的发生。
（2）灯具结构性防雾设计
本项目将同时设计合适的呼吸器，保证灯具在正常点亮下，不会因灯具内外部气压不同，而造成灯具内部有水雾产生。
水雾的产生，必将影响产品的防水性以及光学性能，因此灯具的防水结构性设计同为至管重要。
2.2拟解决的关键技术
1、解决条形大功率LED洗墙灯的散热问题，选用合适材料，优化散热结构，使最大功率增至54W，较市场常见功率36W，提高18W。
2、优化设计二次配光技术，使光的亮度及颜色调节达到既节能又舒适的视觉效果，并对LED灯具进行整体式设计，使灯具在单个灯珠失效时而不影响整灯的出光效果。
3、对LED灯具的主壳体进行优化设计：
在LED灯具拥有良好外观的前提下，取代较为多用的灌胶防水方式，满足灯具整体的光、热、力学性能要求。
2.3拟采用的方法、技术路线以及工艺流程
大功率LED照明产品要实现产业化，该产品必须满足LED灯在工作时的散热要求，光学要求以及电学要求。
因次，本项目结合实际应用需求，将研究内容主要分为热、光、电三部分进行实施，并在最终研制出可产业化的LED灯具。
实施的技术路线和方案如下：
（一）散热材料的选取与设计
现今大功率LED发光效率约为30％，70％将是热能，需要将其散热处理。
大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70％时与寿命的关系可看出：
TJ=50℃时，寿命为90000小时，TJ=80℃时，寿命降到34000小时，TJ=115℃时，其寿命只有13300小时了。
TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax，实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax，即TJ≤TJmax。
从以上的测试数据图示经测试发光二极管可正常工作的环境温度其结温温度应（＜85℃）。
高于此温度范围效率将大大降低，甚至于烧毁。
可以看出温度对其直接影响的重要性。
特别值得一提的是，对散热材料的热平衡速度要求重视度，造成光源的热得不到有效的处理引起光衰减严重。
现在许多生产厂家大功率LED的热沉散热壳体应用基本采用不同的合金铝材料，其导热系数不一，一些材料的散热速率难以满足LED工作条件。
不可忽略的铝基板及导热硅胶，硅脂材料的导热环节，使用材料的实际寿命质量，将直接影响LED的工作散热条件。
如何减少中间环节，直接与热沉散热近距离接触将热量快速达到平衡的有效散热，是现今高质量的LED灯具产品开发需考虑的方向。
先从材料分析：
金属的热传导系数表：
银429铜401金317铝237铁80锡67铅34.8
银热传导系数比较好，但缺点就是价格太高，纯铜散热效果则次之，但已经算是非常优秀的了。
不过铜也有缺点：
造价高、重量重、不耐腐蚀等。
所以现在大多数散热片都是采用轻盈坚固的铝材料制作的，其中铝合金的热传导能力最好，好的风冷散热器一般采用铝合金制作。
至于铜，目前市场上也出现了纯铜的散热器，铜的导热性能比起铝要快的多，但铜的散热没有铝快，铜可以快速的把热量带走，但无法在短时间内把本身的热量散去，另外铜的可氧化性是铜本身最大的弊病。
当铜一旦出现氧化状态，从导热和散热方面都会大大的下降。
从对比上看，无论是质量及成本上，最好的散热材料为铝材。
考虑到不同形状的散热器对热的对流、辐射有较大影响,本项目将在3D软件结合散热软件EFD,优化散热器形状,采取最佳热对流、辐射方式,达到产品散热性能要求.
（二）LED照明产品光学设计
对照明LED灯具分别进行二次光学设计：
（1）透镜的研发
采用先进纳米技术自主开发和生产一款抗紫外线、抗老化，可直接暴露在阳光下的透镜。
利用光学模拟软件模拟和实验研究得到透镜的大角度光学设计，使其照射跨距大，同时照射均匀。
光斑可以设计为比较标准的光斑，光效也比较高基本可以达到百分之85以上，只要攻克相应的难关（如优化因子的设计），设计效率也会提升许多（只需调整相应的角度即可得到所需的透镜）。
（2）透镜的设计
利用MATLAB数学软件编写透镜的计算程序，根据不同角度的出光要求计算得到不同的母线。
充分利用软件进行模拟，达到最佳设计效果，同时手工试制样品，反复验证效果，并修正原先设计参数，建立相关的数据库。
随后根据上述模拟结果试制配光原件，对配光效果进行检测，并根据检测结果校正光学设计方案；
对于光学模拟优化的设计,大致分为以下几步去做:
[1]根据微分几何知识,建立相关的方程组;
[2]将方程组编写成程序脚本,运行并保存数据;
[3]将数据导入3D进行建模处理；
[4]将模型导入光学分析软件，进行模拟仿真，根据结果修正模型。
根据该方法设计得到的光学模拟的优化设计，最后根据模拟优化设计的结果，通过加工获得实际LED灯具样品，对其光学性能进行测试，用积分球进行光通量和显色性的测试；在暗室内进行实际点灯测试；用亮度计进行均匀度测试；用照度计进行实际照测试；用101A烤箱进行灯量的老化测试；用恒压恒湿箱进行环境测试。
综合以上测试结果，得到最终的设计样品。
（三）LED灯具的结构性防水设计
（1）主壳体外观的优化设计
设计出多种主壳体外观（如整体几何结构，通风孔位置尺寸等），在不同外观的条件下，对灯腔内的空气对流进行模拟分析，通过对比其内部风阻，及散热效果，散热效果佳的设计。
（2）主壳体材料选取
采用新型材料。
本项目拟研究钣金+拉铝型材等方案，对其进行结构设计、构建模型，并利用Solidworks、analysis等力学分析软件，对其安装性、耐冲击性及吊重等进行分析。
（2）防水性能设计
优化产品结构，用结构性防水来取代常用的灌胶方式防水，这其中包括防水材料的选择，硅橡胶材料压缩设计以及如何保障灯具在不同大气压不同环境下灯具有水雾的发生。
同时设计合适的呼吸器，保证灯具在正常点亮下，不会因灯具内外部气压不同，而造成灯具内部有水雾产生。
（四）LED照明产品产业化
对优化设计了的散热器、光学性能及防水特性，并制作系列化的大功率LED照明灯具样件，搭建相应的测试平台和系统，用于检测/判定所开发的各种性能；采用实验方法测试研究LED模组的系统参数和结构参数对系统性能的影响状况，优化设计参数；
根据测试结果，完善相关设计理论模型，为优化改进散热性能、驱动电路性能和光学性能提供有效的技术支持；开展该类LED照明产品的设计，对相应的产品开展稳定性、可靠性以及失效模式等产品级分析；
接着对研制的LED照明产品产品进行应用，大功率条形LED洗墙灯可应用于旅游区、景观墙体的亮化，选择小区、工业园或风景区进行试用，实际研究其光学、热学和可靠性技术，并进行产品应用的市场推广。
2.4项目的特色和创新突破点
1、选用适用材料，研究不同散热形状对LED散热的影响，最终得出适合本项目需要的结构。
本散热方式的选型与设计，将改善LED洗墙灯的散热设计，使得本大功率条形LED洗墙灯功率设计为54W/米，较市场36W同类灯具提高18W，且LED结温控制在TJ<85℃。
2、透镜的二次配光技术优化设计：
通过对透镜的角度光学设计，使灯具无明暗相间想象，并且通过优化设计使光的亮度及颜色调节达到既节能又舒适的视觉效果，按设计使得整灯透过率不低于87%，相对提高当前水平2%。
3、对LED灯具的主壳体进行优化设计：
钣金+拉铝型材+硅橡胶等方案，使得产品达到结构性防水IP65等级。
3．项目实施的现有基础
包括项目承担单位注册地点、股权结构、资产和负债情况、员工构成、主要业务和主要产品、生产规模、主要装备和技术水平、近年来经营状况；对引进技术的消化、吸收、创新的后续开发能力；企业资质、信用和融资能力等
4．项目实施的计划进度
序号
开始时间
结束时间
主要工作内容
1
2013年1月
2013年8月
1、前期技术研究；
2、项目的申报。
2
2013年7月
2013年9月
3、成立研发小组，将任务分解到个人；
4、确定各款产品的预期技术参数和性能指标；
5、确定LED的选取和关键技术；
6、项目前期各项基础条件的准备，搭建科研平台和性能测试平台。
3
2013年9月
2014年2月
1、散热材料选取及散热鳍片设计；
2、光学器件设计；
3、防水性能设计
4
2014年2月
2014年4月
、1、LED照明灯具样品的总装；
2、LED照明灯具样品的测试和性能优化。
3、专利申请。
5
2014年4月
2014年6月
1、LED照明灯具在生产线上试产；
2、LED照明灯具设计方案的优化和生产工艺的制定和优化；
3、产品定型和产品标准的制定。
6
2014年6月
2014年8月
1、LED照明灯具产品的规模化生产及市场推广；
2、生产工艺改善；
3、项目总结和项目验收。
5．资金筹措和使用
5.1经费的筹措
经费预算（单位：
万元）
总投入经费：
180.00
资金来源
总计
自筹资金
政府部门资金
配套资金
来源说明
自有资金
银行贷款
国拨资金
省拨资金
地方配套
资金
已投入经费
50
50
0
0
0
0
新增经费
130
100
0
0
0
0
5.2经费的分配
新增经费预算（单位：
万元）
支出经费
总经费
省科技厅经费
经费额
用途说明
经费额
用途说明
基建费：
（一）直接费用：
180
0
1、设备费：
60
购置新的开发测试设备和工装模具
0
购置新的开发测试设备和工装模具
2、材料费：
68
产品研发、试制材料费用
0
产品研发、试制材料费用
3、测试化验加工外协费：
8
第三方测试、检验、认证和委外开发、加工费用
0
第三方测试、检验、认证和委外开发、加工费用
4、燃料动力费：
2
产品研发、试制、测试过程中燃料动力消耗产生费用
0
产品研发、试制、测试过程中燃料动力消耗产生费用
5、差旅费：
3
项目实施人员因项目工作需要出差产生的费用
0
项目实施人员因项目工作需要出差产生的费用
6、会议费：
0
项目实施过程中参与或开展的学术交流会议、专项计划推广活动、现场会和科技论坛等
0
项目实施过程中参与或开展的学术交流会议、专项计划推广活动、现场会和科技论坛等
7、国际合作与交流费：
0
项目实施过程中参与国际合作与交流产生的费用
0
项目实施过程中参与国际合作与交流产生的费用
8、出版/文献/信息传播/知识产权事务费：
1
文献检索、论文发表、专利申请和保护等费用
0
文献检索、论文发表、专利申请和保护等费用
9、租赁费：
0
产品研发、试制过程中租赁测试、生产设备费用
0
产品研发、试制过程中租赁测试、生产设备费用
10、人员费：
36
项目实施人员的薪酬
0
项目实施人员的劳务费
11、专家咨询费：
0
聘请相关专家担任项目咨询顾问费用
0
聘请相关专家担任项目咨询顾问费用
12、直接费用其他支出：
2
不可预测费用
0
不可预测费用
合计：
180
0
6项目完成后预期实现的技术、经济指标及社会和经济效益，对产业的带动和提升作用
6.1项目完成后预期实现的技术指标
项目完成后，预期实现的技术指标如下（条形大功率LED洗墙灯）：
序号
名称
参数
1
输入电压范围
220V~
2
输入频率范围
50/60Hz
3
整灯光效
XXX
4
功率因数
＞0.92
5
显色指数
＞70
6
总谐波失真
＜15%
7
配光曲线/光斑
圆形光斑
8
防护等级
IP65
9
重量
4Kg
10
工作温度范围
-30℃~+65℃
11
储存温度
-40℃~+85℃
12
专利
实现专利技术1项
6.2项目完成后预期实现的经济指标
预计项目实施期间内（2012年-2015年），实现销售收入3千万元。
实现利润600万元。
6.3社会和经济效益，对产业的带动和提升作用
（1）提升产业竞争力，促进技术发展
本项目在开展关键技术自主研发工作的促进和带动作用下，拓宽相关技术领域的技术开发。
解决大功率LED照明产品的散热处理、结构设计、高效率的二次光学的配光设计、色散、光衰、恒流保护驱动电路设计和材料技术等本领域关键技术。
因此，本
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