零碳科技：新纳米技术让路灯减少超过100万吨二氧化碳排放

阿卜杜拉国王科技大学 （KAUST） 和阿卜杜勒阿齐兹国王科技城 （KACST） 合作进行的一项新研究表明，纳米材料如何在降低 LED（发光二极管）路灯的碳排放方面发挥关键作用。研究小组估计，仅在美国实施这项技术就可以减少超过 100 万公吨的二氧化碳排放量。

迈向可持续照明的一步

热管理是半导体发光二极管 （LED） 面临的一项关键挑战，因为散热不足会降低发光效率并缩短器件的使用寿命。因此，迫切需要更有效的冷却策略来提高 LED 的能源效率。LED 路灯主要在夜间运行，芯片温度较高，可以从改进的热管理中受益匪浅。研究团队采用一种用于户外 LED 路灯的面向天空的辐射冷却策略，这是一种创新但鲜为人知的光电子热管理方法。

关键创新是一种名为 nanoPE 的纳米材料，它改善了 LED 表面的热辐射，有助于降低其工作温度。LED 会自然产生热量，高温会损坏其内部电子设备并缩短其使用寿命。事实上，LED 消耗的大约 75% 的能量最终以热量的形式损失掉。通过减少这种热量积聚，nanoPE 可以提高 LED 的性能和使用寿命，同时显著减少与能源相关的排放。

典型的 LED 路灯将光线对准要照亮的物体，它们还设计将热辐射困在 LED 内部。另一方面，涂有 nanoPE 的路灯实际上是倒置的，因此它们对准天空，远离要照亮的物体。

LED 路灯架构设计。a 面向天空的 LED 路灯的设计示意图。b 阿卜杜拉国王科技大学校园使用的代表性户外LED灯产品。c 黑体在 300 K 和 350 K 时的光谱辐照度以及黑体与大气之间的辐射热通量。紫色区域表示大气的光谱辐照度。绿色区域表示 350 K 黑体和 300 K 黑体之间的辐射热通量。粉红色区域表示 300 K 黑体与寒冷天空之间的辐射热通量。d 当 LED 通过 nanoPE 薄膜进入天空时（冷却开启）与不直接发射到天空时（冷却关闭）时的冷却功率。插图：具有热不透明盖或热透明盖的相应传热网络。对于热不透明盖板，热量通过非辐射和辐射过程从芯片传递到盖板，其特征是系数 hH−C和 hr−c分别。相比之下，热透明盖打开了一个从芯片到天空的额外辐射冷却通道

纳米多孔聚乙烯 （nanoPE）材料同时具有红外透明度和可见反射率。这种方法能够通过面向天空的辐射冷却通道直接释放 LED 产生的热量，同时还将很大一部分光反射回来用于照明。通过将 nanoPE 作为面向天空的 LED 灯的覆盖物，研究团队在受控实验室环境中实现了 7.8 °C 的降温，在室外环境中实现了 4.4 °C 的显著降温。这些降低伴随着效率分别提高了约 5% 和 4%。这种更高的效率转化为可观的年度节能，考虑到在美国使用 LED 路灯，估计每年可节省 1.9 太瓦时。此外，这种节电相当于减少了约 130 万吨的二氧化碳排放量，相当于美国 2018 年年度 CO2 总排放量的 0.03%。

户外实验结果。a 户外实验示意图。b 夜晚晴朗天空和多云天空的图像。c 户外实验演示。带辐射冷却的 LED 灯与公园中的商用灯的比较。d 不同冷却模式下的装置的可见图像及其相应的红外图像（右图）。e 在晴朗的天空和多云的天空下，LED 灯在“冷却开启”和“冷却”模式下的测量温度。在晴朗的天空和多云的天空下，温度分别降低了 ~4.4 和 ~3.2 °C。f 晴朗天空下 LED 芯片发射光的光谱强度。插图显示了 “cooling on” 情况下的蓝移。g 在晴朗的天空下冷却时，电压和温度与峰值波长的关系。h 箱体“降温”的室内和室外实验（即在晴空和多云天空下）的净冷却能力

这种倒置的原因是 NanoPE 的设计使红外光（最负责热辐射的光）穿过它，而可见光被反射。研究表明，涂有 nanoPE 的 LED 路灯发出的红外光中，超过 80% 穿过 nanoPE 并继续向天空延伸。相比之下，超过 95% 的可见光从 nanoPE 反射并返回地面，照亮了下面的区域。

NanoPE 基于聚乙烯，聚乙烯是世界上生产最广泛的塑料。为了制造一种反射低波长光（可见光）但通过高波长光（红外线）的纳米塑料，科学家们小心翼翼地在塑料中制造了小至 30 nm 的孔——大约比人类头发的厚度小 1000 倍——并将其拉伸并转化为更薄的片材。

照明约占全球年用电量的 20%，占全球温室气体排放量的近 6%。LED 具有卓越的效率和使用寿命，而微小的改进可以进一步改善它们，这会对可持续性带来很大影响。

DOI: 10.1038/s41377-024-01724-7

智能LED路灯发展趋势

一、产业化发展趋势

政策驱动与“双碳”目标

“双碳”目标下，地方政府加大对低碳技术的投入。例如，连云港市2024年12月全面达成了市区LED节能路灯覆盖率100%的工作目标，年节约用电量约43%、年节电约740万度、年减排二氧化碳约6900吨。

技术应用前景广阔：我国城市照明系统庞大且处于不断升级改造中，这种更智能、更节能的路灯技术契合了我国节能减排、发展智慧城市的导向，潜在应用市场广阔。

产业链逐步完善：从纳米材料研发、路灯制造到智慧照明系统集成，相关产业链各环节将协同发展。材料科学、电子技术、通信技术等多领域融合创新，推动智能路灯产业化进程。

市场需求与经济性提升

数据显示，2023年我国LED路灯市场规模达到了55.23亿元，2024年中国LED路灯行业市场规模将达到57.69亿元。这背后离不开中国政府对智慧城市建设的高度重视和大力推动，为LED路灯市场提供了极为广阔的发展空间。

2023年中国路灯数量有4519.62万盏，同比增长了4.2%。其中，城市地区路灯数量为3481.7万盏，县城地区路灯数量为1037.92万盏。城市地区对照明产品的能效和环保性能要求更高，LED路灯凭借自身优势成为城市地区路灯改造和新建的首选。而且，政府和企业对智慧城市建设的重视也推动了LED路灯等新型照明产品的市场需求，这些产品不仅能高效照明，还能通过智能控制系统实现能源管理，降耗。

总结

智能路灯在我国产业化发展趋势明显，市场规模持续增长，技术不断融合创新，环保节能功能得到强化。同时，城市布局也在积极推进，多个城市已大规模建设智慧灯杆，提升城市智能化水平。未来，随着政策的进一步落实和技术的不断进步，智能路灯将在智慧城市建设和城市管理中发挥更加重要的作用。

nanoPE 纳米材料的推出，将会进一步促进照明领域节能降碳步伐，助力我国早日实现双碳目标。