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石墨烯在路燈行業的應用初探

放大字體  縮小字體 發布日期:2018-10-24  來源:中國智慧照明網  作者:徐赟、胡彥 常州市城市照明管理處  瀏覽次數:3215
核心提示:本文詳細說明了石墨烯材料在LED路燈燈具上的應用原理,主要體現在散熱和防腐等方面,對于路燈行業的節能減排有重大的研究意義。
    中國照明特別報道:石墨烯( Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的納米新材料。2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈.蓋姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,并證實它可以單獨存在,兩人也因“二維石墨烯材料的開創性實驗”共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。
    石墨烯原料如圖1所示。
 石墨烯原料

    圖1石墨烯原料照片
    石墨烯的性能有以下幾個方面:
    1.高導熱性:單層石墨烯的導熱系數高達5300W/m.K,是目前已知材料中導熱系數最高的物質。
    2.高機械強度:石墨烯厚度僅為0.335nm,楊氏模量高達ITPa,斷裂強度高達130GPa。
    3.高導電性:石墨烯電阻率僅10-6Ω.cm,常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V.s。
    4.其他性能:高比表面積,理論值可達2630m2/g;單層石墨烯的厚度只有0.335nm;具有良好的化學穩定性,耐腐蝕性以及耐紫外光、耐老化等性能。
    對于石墨烯在路燈行業的應用,主要有以下二個方面:
    1.對LED燈具進行散熱、防腐。
    2.采用石墨烯電池對太陽能路燈供電。
    目前路燈行業對石墨烯的應用主要是對LED燈具的散熱,石墨烯電池對太陽能路燈供電還在研究階段。
    自然界中已知的散熱方式有:熱傳導、熱對流、熱輻射、蒸發散熱。其中蒸發散熱在常規生產作業中較難實現;熱對流需要借助液體或氣體將熱量傳遞,市面已有非常成熟的產品,其對于降溫、散熱所起的作用也基本發揮到了極限。
    而石墨烯LED燈具是利用石墨烯涂料、石墨烯導熱膠的熱傳導與熱輻射原理,極大的降低了基體的溫度。通常,金屬材料擁有較高的導熱系數(例如鋁約為170W/m.K),但其熱輻射率卻很低(鋁為0.05)。高導熱系數有助于鋁材從熱源快速吸收熱量,但過低的熱輻射率卻限制了鋁材向空間環境釋放熱量。
    石墨烯本身擁有極高的導熱系數,可以迅速將底材的熱量吸收至自身,再憑借熱輻射系數高的特性將熱量傳遞到空間環境,使基底材料的溫度迅速降低。
    由于石墨烯擁有很高的比表面積,這也增大了涂層與空間環境的接觸面積,對底材的對流散熱與輻射散熱都起到了極大的增強效果,如表1所示,
 石墨烯本身擁有極高的導熱系數
    據了解,石墨烯涂料分為油性涂料及粉末涂料,其中油性涂料適用于軍艦、建筑等大型物體,不過涂料顏色只有白色、灰色及黑色;而粉末涂料則更適用于空調外機、路燈燈具等小型物體的散熱,涂料顏色可以任選,如圖2、3所示
圖2石墨烯燈具實樣照片
圖2石墨烯燈具實樣照片
圖3粉末涂料顏色選型
圖3粉末涂料顏色選型
    圖2中燈具外層涂層采用了石墨烯涂料,在橢圓的金屬片上涂石墨烯導熱膠,在導熱膠上安裝LED模組。在亮燈的時候,LED模組產生的熱量傳導到石墨烯導熱膠上,導熱膠會把熱能吸收,由固態變為液態,熱能再次由導熱膠轉遞到燈具外殼石墨烯涂料上。根據光源的功率的不同,可以降溫5-10攝氏度。石墨烯LED路燈的亮點就在于節能,相比市場傳統的LED路燈,石墨烯路燈可節能20%至30%左右。
    北京城市副中心通州區內的28條道路照明改造項目中,采用了石墨烯LED路燈,且在黑龍江大慶市的路燈改造項目中還首次采用了“全光譜黃光、高光效“石墨烯散熱LED模組模擬傳統鈉燈光色。在第三批國家新型城鎮化綜合試點地區的禹州市路燈改造項目中.還運用了大數據模塊,基于路燈桿實現了分布式互聯網系統,LED模組路燈作為城市數據運營平臺,通過收集周邊環境為政存提供大數據。
    石墨烯作為一種新型材料,目前在路燈上的使用仍十分有限。相信未來通過材料技術的不斷發展,其可得到更為廣闊的運用。
徐赟、胡彥  常州市城市照明管理
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