新一代綠色照明—LED光源 PDF.doc

新一代綠色照明LED光源 山東工商學院信息與電子工程學院山東 煙臺264005 摘要: LED具有很多其他傳統(tǒng)照明光源無法比擬的優(yōu)勢因此被認為是取代白熾燈和熒光燈最具潛力的綠色光源。該文根據目前半導體照明的發(fā)展現(xiàn)狀介紹了綠色照明的主要含義和LED光源的基本原理、主要優(yōu)點及其在照明領域的應用及發(fā)展趨勢并指出了LED光源在發(fā)展中的一些主要問題。 關鍵詞LED 綠色照明 節(jié)能 The New Generation Green Lighting LED Light Source Hao Yingying School of Information and Electronics Engineering Shandong Institute of Business and Technology Shandong Yantai city 264005 Abstract: LED have many advantageswhich other traditional lighting sources can not comparedThereforeLED are regarded as the most potential green lighting source in replacing the currently used incandescent and fluorescent lampAccording to the latest research progress of semiconductor illumination this paper introduces definition of green illumination the theory and primary characteristic of LED light source the LEDs application and development trends in the field of lighting shows the main problems in widespread use of LED in general lighting. Key words: LEDGreen Light Energy Conservation 0 引言 隨著生產的發(fā)展和社會的進步電力行業(yè)在人類的生產、生活、科研等領域起到越來越重要的作用?，F(xiàn)有的電力資源不能完全滿足人類日益增長的生產、生活需要而且地球留給人類的資源也是有限的恐怖分子、自然災害、人類所需較高的生存環(huán)境也給電力系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)。所以節(jié)能、環(huán)保、防恐、防災是擺在電力行業(yè)面前最主要的、永恒的話題。而照明耗電在各個國家的發(fā)電量中占有很大比例。我國照明消耗約占整個電力消耗的20。據統(tǒng)計我國每年僅照明用電就有2000億至3000億度如果全部用LED光源代替每年至少可節(jié)電1600億度。為此照明節(jié)電具有重要意義。在全球照明科技研究領域半導體照明被公認為是照明史上一次歷史性飛躍它具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、安全可靠、響應快、單色性、體積小、色彩豐富可控、免維護等眾多優(yōu)點市場及社會價值巨大。 發(fā)光二極管Light Emitting DiodeLED是20世紀60年代末期出現(xiàn)的一種半導體光源20世紀以來LED的研制取得了重大突破LED亮度的不斷提高價格持續(xù)下降。LED使用壽命長、光利用率高、能耗低、發(fā)光效率高而且還在不斷提高是一種理想的綠色光源。隨著這項技術在全球的推廣LED必將取代日光燈、節(jié)能燈、白熾燈等產品迎來一個嶄新的照明時代。 1關于照明 照明技術的發(fā)展與人類文明的進步息息相關。 人類從原始的薪火延續(xù)到燈光照明的現(xiàn)代文明時經歷了漫長的歲月在建筑室內外光環(huán)境的創(chuàng)造中出現(xiàn)了光環(huán)境與主體間的諸多變異。當人類高高舉起第一根火把時就開始了照明領域的第一次革命。人類從此有了自己能夠控制的光源。1879 年愛迪生發(fā)明了第一只白熾燈碳絲白熾燈在開始第二次照明領域革命的同時也拉開了人類現(xiàn)代文明的帷幕。然而那時的人工照明雖為人們帶來光明卻無法達到足夠的照度更不用說創(chuàng)造宜人的光環(huán)境?，F(xiàn)代設計把照明視為創(chuàng)造光環(huán)境是一種環(huán)境意識和技術上的進步。因為光環(huán)境是包括照明燈光、建筑、相關環(huán) 境因素和人在內的綜合環(huán)境系統(tǒng)這個系統(tǒng)的主體則是人。從環(huán)境科學的定義大凡所謂環(huán)境在人類生活的空間里離開了人這個主體研究環(huán)境沒有任何意義因此“環(huán)境”是絕對不存在的。 照度是衡量照明水平的一項基本指標縱觀二十年來各國制定的照明標準都體現(xiàn)了照度水平的提高并且普遍把照度計算擺在照明工程里的重要位置。反映了人們對照明數量上的追求同時是在技術進步的基礎之上增強了對照明科學性的重視。 隨著現(xiàn)代物質文化生活的不斷發(fā)展人們不再滿足于物理與生理的要求開始對精神生活提出了新要求。光環(huán)境作用于人的心理影響逐漸引起廣泛的關注。人們注重美講究環(huán)境效果追求生活空間的裝飾創(chuàng)意要求將人們的心理需求體現(xiàn)在照明設計中將照明質量提升到一個新高度。所謂精確、正確、卓越即是指科學合理的用光處理則是指科學的規(guī)劃與設計。 目前在國?誚彰饕駁玫澆峽旆埂彰骰諶死嗟南執(zhí)罘絞醬叢斐鱟笆握彰韉男呂砟詈托履階乜占淶淖笆未匆夤刈嗣塹男睦硇棖笸蒲際鹺駝彰魃杓頻耐昝瀾岷鮮迪至蘇彰髦柿坑肟占湟?guī)的万G弧庵窒冉惱彰鞣絞椒險彰鞣鉤繃鰲?照明領域未來發(fā)展的趨勢從2000年北美照明工程學會新出版的照明手冊The IESNA LIGHTINGHANDBOOK-9h Edition可見端倪。它的主編Mark S. Rea在手冊前言中寫道“我們許多人都深信第九版的IESNA照明手冊代表照明實踐的一個分水嶺。過去二十年來在照明實踐中有從照明工程illuminating engineering到照明設計lighting design的動向從照度計算到美學評價的動向從數量到質量的動向。北美照明工程學會通過這一版手冊把對照明質量的建議格式化反映了照明實踐中的這種動向?！?2關于綠色照明 20世紀7080年代全球面臨能源危機及全球環(huán)境保護浪潮的興起。節(jié)約能源保護全球環(huán)境即成為全人類的共識。在這種形勢下提出來了“綠色照明”的概念。綠色照明設計的主要任務是在保證照明質量的基礎上注重節(jié)能。1991年1月美國環(huán)保局EPA首先提出實施綠色照明Green Lights和推進“綠色照明工程Green Lights Program”概念很快得到了聯(lián)合國的支持引起許多發(fā)展中國家的重視并積極采取相應的政策和技術措施。許多發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家先后制訂了“綠色照明工程”計劃并取得了顯著效果。照明的質量和水平已成為人類社會現(xiàn)代化程度的一個重要標志之一成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的一項重要的措施。 綠色照明的科學定義是指通過科學的照明設計采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產品電光源、燈用電器附件、燈具、配線器材以及調光控制和控光器件改善提高人們工作、學習、生活的條件和質量從而創(chuàng)造一個高效、舒適、安全、經濟、有益的環(huán)境并充分體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明。 我國目前提倡的也是“綠色照明”要求一個好的照明設計既要能滿足人們的正常工作生活需要又要保證照明質量同時還須注重節(jié)能。 綠色照明的理想境界應從以下諸多方面考察 1無汞汞有毒污染環(huán)境后患無窮 2節(jié)能不僅照明要節(jié)電運行而且光源和燈具從原材料至成品的生產過程也應有利于節(jié)能 3節(jié)材光源及其附件要節(jié)約耗用黑色金屬、有色金屬、稀有金屬和非金屬材料 4環(huán)保的制造工藝排放無污染和綠色生產工藝包括采用無毒、無溶劑樹脂與密封材料提倡采用水溶性樹脂 5無有害的射線光源無紫外線成份等 6長壽命耐用性好 7對環(huán)境無電磁干擾運行時無高次諧波分量泄漏 8對電網無傷害電抗分量小功率因數高啟動時浪涌小 9綠色廢棄失效后廢棄物可回收無環(huán)境污染后患。 由此可見綠色照明的理念不能只停留在節(jié)能和高光效上應該有一個綜合性的全面評估的觀點。 因此真正實現(xiàn)綠色照明研究和開發(fā)的征途還很長這是一種挑戰(zhàn)。 隨著第三代半導體材料氮化鎵制備技術的突破和藍、綠、白光發(fā)光二極管的問世被譽為“照亮未來的技術”的LED漸漸走進了人們的日常生活。 按前面9 項“綠色照明”的要求我們一起來分析絕大部分氣體放電光源無汞熒光燈除外包括第三代HID或更先進的HID如果打分評分比LED要低得多。作為固體光源的LED真正點燃了“綠色照明”的光輝被認為是21 世紀最有價值的新光源將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導使照明 技術面臨一場新的革命從而在一定程度上改善人類的生產和生活方式。 LED照明的應用前景在全世界都掀起了高潮被寄予了厚望。固態(tài)照明將成為最有效的節(jié)能和環(huán)保手段通過改善人類生存環(huán)境、發(fā)展照明的新概念和新模式固態(tài)照明改善和提高人類的生活質量將引導人們走向更加光明的未來。 美國能源部預測到2010年將會有50的白熾燈和熒光燈被半導體燈代替每年可節(jié)電350億美元。美國、日本、歐盟都相繼出臺了關于大力發(fā)展半導體光源的照明計劃。美國激光世界曾撰文稱到2025年白光LED將占照明工具市場的55以上份額。業(yè)內人士預計20052010年全球LED照明市場規(guī)模將逾10億美元。國外也有報道稱5年后半導體燈將替代20的白熾燈。這個估計可能比較樂觀但揭示了半導體燈未來的應用前景和增長潛力。據PIDA統(tǒng)計若臺灣25的白熾燈和全部日光燈被白光LED取代每年可節(jié)省110億度電力相當于一座核電站的供電能力。由于照明消耗占整個電力消耗的20全球每年使用這種新光源所節(jié)省的電能達1000億美元因此大力發(fā)展白光LED技術將是保護環(huán)境和節(jié)省能源的一個有效途徑。 因此在專家們眼里固態(tài)照明帶來了第三次照明領域的革命并且其意義絕不亞于前兩次照明領域的革命。 3 LED的基本概念 LED是發(fā)光二極管Light Emitting Diode的簡稱。顧名思義發(fā)光二極管是一種可以將電能轉化為光能并具有二極管特性的電子器件。LED是一種半導體二極管與普通半導體二極管一樣有兩個電極正極與負極。LED在工作時需外加電源外加的電能也是由這兩個正、負電極加入到半導體二極管內。LED在內部結構上有和半導體二極管相似的P區(qū)和N區(qū)P區(qū)和N區(qū)相交的界面形成PN結。與普通半導體二極管一樣是一種允許電流單向導通的器件如圖。LED的電流大小是由加在二極管兩端的電壓大小來控制的。根據加在二極管兩端的電壓大小利用通過LED的電流最終使PN結發(fā)光。 圖1 LED的PN結 3.1 LED基本結構 LED器件的制造目的是為了得到光所以它的結構與普通半導體二極管并不一樣。圖2表示了LED的結構圖圖3給出了LED芯片的基本結構示意圖。 圖2 LED的結構圖 圖3 LED芯片的基本結構 3.2 LED發(fā)光原理 半導體發(fā)光二極管發(fā)光原理發(fā)光二極管是由族化合物如GaP磷化鎵、GaAsP磷砷化 鎵等半導體制成的。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層稱為PN結因此它具有一般PN結的I-U特性即正向導通反向截止擊穿特性此外在一定的條件下它還具有發(fā)光特性。注入的少數載流子與多數載流子復合時把會多余的能量以光的形式釋放出來從而把電能直接轉換為光能如圖4。 圖4 發(fā)光二極管發(fā)光原理圖 PN結加反向電壓少數載流子難以注入故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管通稱LED。當它處于正向工作狀態(tài)時即兩端加上正向電壓電流從LED陽極流向陰極對半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線光的強弱與電流有關。 LED 的半導體二極管特性決定了每個LED的工作電壓僅為1.2、.4伏特。如圖5所示當工作電源電壓大于其正向導通閥電壓VF以后發(fā)光亮度隨工作電流的增大而提高而端電壓變化很小。因此 LED照明光源通常都是由多個流明粒子流明粒子即單個LED串聯(lián)連接構成一個組合發(fā)光體單元。在需要調色調光的應用場合則按照RGB三元色的白平衡調色比例組成三個發(fā)光體單元集成為一個照明光源。 圖5 LED工作電流I與電壓V 4 LED的優(yōu)點 現(xiàn)今用于照明的光源主要有三類 1低光效的普通白熾燈和鹵鎢燈光效為1224lm/W 2熒光燈光效為5080lm/W 3HID燈光效為80150lm/W。 前者消耗照明用電的40產生總光通量的15后者消耗60的照明用電產生85的光。這三類光源的光效還有提高的可能但都有一定的局限前者為熱輻射原理和工作溫度所限而熒光燈則受253.7nm紫外線轉換成可見光的能量效率的制約。但對LED光源基本上不存在這些限制。有人樂觀地估計即使今后LED技術進步的速度只有以前30年的一半也可指望到20102015年時其電光轉換效率達到50也就是光效為200lm/W。 3.2.1 功能性 發(fā)光效率不斷提高。目前白光LED的光效已經達到40lm/W優(yōu)于白熾燈次于熒光燈60100lm/W在彩色光照明應用中因其不需濾色片直接投射彩色光避免了常規(guī)光源因為應用濾色片造成的超過40的光通量損失。人們按現(xiàn)在LED技術發(fā)展的速度預測到2010年美國計劃發(fā)光效率為100lm/W韓國為110lm/W日本為120lm/W專家們預期2020年將達到200lm/W。超過所有照明光源的光效。光線質量高?，F(xiàn)在使用的白熾燈工作的過程中發(fā)出過多的熱量影響環(huán)境溫度。LED的光譜幾乎全部集中于可見光波段沒有紅外光和紫外光輻射因此被稱為“冷”光源屬于綠色光源。適合在室內尤其是對光效有特殊要求的場所采用如博物館、展覽館等。 4.1 藝術性 光色純。LED是分立的光譜譜線狹窄色彩豐富鮮艷可以有多樣化的色調選擇和配光。光束集中。LED發(fā)光大部分集中會聚于中心發(fā)散角小發(fā)射光角在100發(fā)光均勻性好可以減少眩光減化燈具結構節(jié)省遮光設備。小型化。LED是用環(huán)氧樹脂封裝固態(tài)光源其結構既不像白熾燈有玻璃泡、燈絲等易損壞部件也不像熒光燈有體積大的燈管和附件它是一種全固體結構因此能經得起震動、沖擊而不至損壞而且體積也相對減小重量也輕應用靈活可在狹小空間投光利于隱藏美化建筑環(huán)境。響應快。LED燈響應時間短可瞬間啟動反復開關可靈活控制加上時序控制電路可實現(xiàn)多種動、閃、跳的燈光變幻。LED發(fā)光的響應時間為納秒級熒光 燈一般為毫秒級。 4.2 綠色環(huán)保 低功耗節(jié)能省電。一般LED燈使用低電壓、低電流驅動功率為0.061W功率因數接近于1不僅LED燈本身省電與之配合的供電電源的耗電量也大大降低用量大的可以通過多種方式組合或集成以滿足不同需要減少浪費。綠色環(huán)?！，F(xiàn)在廣泛使用的熒光燈、汞燈等光源中含有危害人體健康的汞這樣在發(fā)光過程和廢棄的燈管都會對人體的人身健康和環(huán)境造成危害。而LED不含汞、鉛等有毒成份沒有玻璃廢棄物可回收減少了對環(huán)境的污染是一種無污染的光源。相比之下熒光燈具的燈管中含汞而且用于封裝熒光燈具的材料又以可吸收紫外線的玻璃為主玻璃易碎的特性加上汞廢料的不易回收均會嚴重地造成環(huán)境的污染。歐盟已經明令將在2007年開始禁用這些含汞制品。 4.3 經濟性 壽命長。目前彩色LED的壽命可達510萬小時低功率白光LED的壽命超過3萬小時高功率白光LED的壽命都在2萬小時以上由于壽命長經久耐用減少了維護維修費用降低了成本。相比之下白熾燈的壽命只有10002000小時熒光燈可達18000小時。光線利用率高。LED色彩豐富艷麗需要彩色光線時使用時無須濾光片光線利用率100。相比之下加裝濾光片后其它光源只有少于40的光線可利用。安全可靠。由于LED燈的正向工作電壓低為1.53.0V工作電流小為5150mA耗電量低、壽命長、不易破碎、使用的安全性、可靠性大大提高可用于易燃、易爆、水下、高塔、橋梁等不易到達的地方。 綜上所述從LED燈與傳統(tǒng)燈性能對比可以看出如表2、表3LED是一種符合照明技術發(fā)展大趨勢和綠色環(huán)保要求的光源。 表2 LED 燈與傳統(tǒng)燈性能對比1 名稱 耗電量w 工作電壓v 協(xié)調控制 鹵素燈 100 220 不易 霓虹燈 500 高 鎂氖燈 16W/m 220 較好 日光燈 4100 220 不易 冷陰燈 15W/m 需逆變 較好 鎢絲燈 15200 220 高 節(jié)能燈 3150 220 不宜調光 LED燈 極低 1236 多種形式 表3 LED燈與傳統(tǒng)燈性能對比2 名稱 發(fā)熱量 可靠性 使用壽命h 鹵素燈 極高 低 3000 霓虹燈 高 宜室內 3000 鎂氖燈 較高 較好 6000 日光燈 較高 低 50008000 冷陰極 較好 較低 10000 鎢絲燈 高 低 3000 節(jié)能燈 低 低 5000 LED燈 極低 極高 10萬 5 LED光源的應用 LED光源的應用領域非常廣除了大量用于電子設備、顯示屏的顯示外在照明領域的應用是最能體現(xiàn)其節(jié)能性?，F(xiàn)階段。LED照明主要應用于路面照明、景觀照明、汽車車燈、交通信號燈等方面。在這著重講述在路燈上的應用。 LED光源在照明領域的應用是半導體發(fā)光材料技術高速發(fā)展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產物。目前LED照明技術日趨成熟已在照明領域中得到了有效的應用因其美觀、多變的特點成為市景觀照明的首選。它可以創(chuàng)造全功率與半功率的照明效果以及從白光到全光譜中的任意顏色LED的使用在這類空間的照明中開啟了新的思路。長壽命、高流明的維持值10000小時后仍然維持90的光通降低了維護費用和更換光源的頻率。另外LED克服了金鹵燈使用一段時間后顏色偏移的現(xiàn)象與傳統(tǒng)光源相比沒有熱輻射可以使空間變得更加舒適是一種新型綠色照明光源。 中國是目前全球城市化進程最快的國家之一可以預料在未來的數十年內全國各地對于大功率、高亮度、節(jié)能的LED路燈產品的市場需求是極其龐大的。市政路燈市場統(tǒng)計數據顯示我國城市道路照明共有1500萬盞以上的路燈近幾年的增長率在20以上照此估算全國每年照明路燈的市場規(guī)模不低于50億元。如果把不屬于各級路燈處管理的路燈如廠礦、機關事業(yè)單位、小區(qū)等在內的路燈計算在內則數量更為龐大。加上其他白熾燈、熒光燈的照明總量在9000萬盞以上如果全部替換成LED照明產品每年可節(jié)省電力資源1000億千瓦時以上相當于三峽工程滿負荷的全年發(fā)電量。在世界發(fā)達國家普遍認可LED光源解決、實現(xiàn)照明功能前提下我國在該技術領域也得到了長足發(fā)展生產制造企業(yè)如雨后春筍般派生。 LED路燈因其使用功率低可與風能、太陽能結合 使用在城市次干道上高壓鈉燈及汞燈則不具此功能。對于新裝路燈工程安裝一盞太陽能LED路燈與安裝一盞傳統(tǒng)路燈的造價相近。首先肯定的是目前在太陽能能量利用在道路照明方面歐美國家走在了我國的前面。構建和諧、節(jié)約型社會是我國未來發(fā)展的方向當前在各級政府的倡導推動下環(huán)保節(jié)能產品的改造應用已全面鋪開太陽能在城市道路照明這個高耗能領域的使用顯得尤為重要。太陽能LED燈不需電纜和挖溝埋線布線及布局不受外界電源支持的影響可任意安裝不受位置限制安裝周期短成本上的劣勢又不明顯是當前太陽能半導體照明技術中難得的不需政府支持、完全市場化運作的應用領域。 6 我國LED的發(fā)展前景 LED是未來的新一代光源被公