LED光源照明技術(shù)及在燈光環(huán)境中的應用
有顏色,其中最重要的是超高亮度白光LED的出現,使LED應用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場(chǎng)成為可能。曾經(jīng)有人指出,高亮度LED將是人類(lèi)繼愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈泡后,最偉大的發(fā)明之一。
2.LED發(fā)光原理
發(fā)光二極管主要由PN結芯片、電極和光學(xué)系統組成。其發(fā)光體——晶片的面積為10.12mil(1mil=0.0254平方毫米),目前國際上出現大晶片LED,晶片面積達40mil。
其發(fā)光過(guò)程包括三部分:正向偏壓下的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。微小的半導體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹(shù)脂物中,當電子經(jīng)過(guò)該晶片時(shí),帶負電的電子移動(dòng)到帶正電的空穴區域并與之復合,電子和空穴消失的同時(shí)產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量(帶隙)越大,產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過(guò)來(lái)與光的顏色對應,可見(jiàn)光的頻譜范圍內,藍色光、紫色光攜帶的能量最多,桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙,從而能夠發(fā)出不同顏色的光。
LED照明光源的主流將是高亮度的白光LED。目前,已商品化的白光LED多是二波長(cháng),即以藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來(lái)較被看好的是三波長(cháng)白光LED,即以無(wú)機紫外光晶片加紅、藍、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光,它將取代熒光燈、緊湊型節能熒光燈泡及LED背光源等市場(chǎng)。
3.LED光源的基本特征
a.發(fā)光效率高
LED經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)改良,其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明/瓦,熒光燈50~70流明/瓦,鈉燈90~140流明/瓦,大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經(jīng)改良后將達到達50~200流明/瓦,而且其光的單色性好、光譜窄,無(wú)需過(guò)濾可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。目前,世界各國均加緊提高LED光效方面的研究,在不遠的將來(lái)其發(fā)光效率將有更大的提高。
b.耗電量少
LED單管功率0.03~0.06瓦,采用直流驅動(dòng),單管驅動(dòng)電壓1.5~3.5伏,電流15~18毫安,反應速度快,可在高頻操作。同樣照明效果的情況下,耗電量是白熾燈泡的八分之一,熒光燈管的二分之一、日本估計,如采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED替代日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節約相當于60億升原油。就橋梁護欄燈例,同樣效果的一支日光燈40多瓦,而采用LED每支的功率只有8瓦,而且可以七彩變化。
c.使用壽命長(cháng)
采用電子光場(chǎng)輻射發(fā)光,燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點(diǎn)。而采用LED燈體積小、重量輕,環(huán)氧樹(shù)脂封裝,可承受高強度機械沖擊和震動(dòng),不易破碎。平均壽命達10萬(wàn)小時(shí)。LED燈具使用壽命可達5~10年,可以大大降低燈具的維護費用,避免經(jīng)常換燈之苦。
d.安全可靠性強
發(fā)熱量低,無(wú)熱輻射,冷光源,可以安全抵摸:能精確控制光型及發(fā)光角度,光色柔和,無(wú)眩光;不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。內置微處理系統可以控制發(fā)光強度,調整發(fā)光方式,實(shí)現光與藝術(shù)結合。
e.有利于環(huán)保
LED為全固體發(fā)光體,耐震、耐沖擊不易破碎,廢棄物可回收,沒(méi)有污染。光源體積小,可以隨意組合,易開(kāi)發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品,也便于安裝和維護。
當然,節能是我們考慮使用LED光源的最主要原因,也許LED光源要比傳統光源昂貴,但是用一年時(shí)間的節能收回光源的投資,從而獲得4~9年中每年幾倍的節能凈收益期。
二、LED照明光源技術(shù)的應用前景及趨勢
長(cháng)期以來(lái),由于LED光效低的原因,其應用主要集中在各種顯示領(lǐng)域。隨著(zhù)超高亮度LED(特別是白光LED)的出現,在照明領(lǐng)域的應用成為可能。據國際權威機構預測,二十一世紀將進(jìn)入以L(fǎng)ED為代表的新型照明光源時(shí)代,被稱(chēng)為第四代新光源。
1.前景及發(fā)展趨勢
目前,照明消耗約占整個(gè)電力消耗的20%,大大降低照明用電是節省能源的重要途徑,為實(shí)現這一目標業(yè)界已研究開(kāi)發(fā)出許多種節能照明器具,并達到了一定的成效。但是,距離“綠色照明”的要求還遠遠不夠,開(kāi)發(fā)和應用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。LED以其固有的優(yōu)越性正吸引著(zhù)世界的目光。美國、日本等國家和臺灣地區對LED照明效益進(jìn)行了預測,美國55%白熾燈及55%的日光燈被LED取代,每年節省350億美元電費,每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。日本100%白熾燈換成LED,可減少1~2座核電廠(chǎng)發(fā)電量,每年節省10億公升以上的原油消耗。臺灣地區25%白熾燈及100%的日光燈被白光LED取代,每年節省110億度電。日本早在1998年就編制“21世紀計劃”,針對新世紀照明用LED光源進(jìn)行實(shí)用性研究。近年來(lái),日本日亞化工、豐田合成、SONY、佳友電工等都已有LED照明產(chǎn)品問(wèn)世。世界著(zhù)名的照明公司如飛利浦、歐司朗、GE等也投入大量的人力物力進(jìn)行LED照明產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。美國GE公司和EMCORE公司合作成立新公司,專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)白光LED,以取代白熾燈、緊湊型熒光燈、鹵鎢燈和汽車(chē)燈。德國歐司朗公司與西門(mén)子公司合作開(kāi)發(fā)LED照明系統。臺灣目前的LED產(chǎn)量?jì)H次于日本列在美國之前,從1998年開(kāi)始投入6億臺幣進(jìn)行相關(guān)開(kāi)發(fā)工作。
LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年,但在照明領(lǐng)域的應用還是新技術(shù)。隨著(zhù)LED技術(shù)的迅猛發(fā)展,其發(fā)光效率的逐步提高,LED的應用市場(chǎng)將更加廣泛,特別在全球能源短缺的憂(yōu)慮再度升高的背景下,LED在照明市場(chǎng)的前景更備受全球矚目,被業(yè)界認為在未來(lái)10年成為最被看好的市場(chǎng)以及最大的市場(chǎng)將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。
2.照明應用中存在的主要技術(shù)問(wèn)題
近年來(lái),LED的發(fā)光效率正在逐步提高,商品化的器件已達到白熾燈的水平,景觀(guān)燈采用的白色LED發(fā)光效率接近熒光燈的水平,并在穩步增長(cháng)中。但是,在照明普及應用方面仍存在一些技術(shù)性問(wèn)題:
一是光通量有待進(jìn)一步提高。采用LED作為照明光源,必須可以發(fā)出更多的光,必須具有更高的能量效率。
二是LED發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距。白熾燈具有非常強的黃色光的成分,給人一種溫暖的感覺(jué)。而白光LED發(fā)出的白光帶有藍色光的成分,在這種光的照明下,人們的視覺(jué)不很自然。
三是價(jià)格較高。這是影響LED照明普及的主要原因。但是,近年來(lái)出于晶片技術(shù)的改良,制造成本正在急劇下降,近三年來(lái)LED的價(jià)格下降了近50%,其正朝著(zhù)高效率、低成本的方向發(fā)展,這為L(cháng)ED在照明領(lǐng)域的應用提供了有利條件。此外,較好的性?xún)r(jià)比也可以彌補成本價(jià)格方面的不足。
三、LED照明技術(shù)在燈光環(huán)境中的應用
由于LED光源具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長(cháng)、安全可靠性強,有利于環(huán)保等特性,近幾年來(lái)在城市燈光環(huán)境中得到了廣泛的應用。目前已應用于數碼幻彩、護欄照明、廣場(chǎng)照明、庭院照明、投光照明、水下照明系列。許多城市利用LED光源照明技術(shù)應用于城市燈光環(huán)境建設中,產(chǎn)生了良好的效果,積累了豐富的的經(jīng)驗。
隨著(zhù)全國城市化的進(jìn)一步發(fā)展,燈光環(huán)境(包括路燈、景觀(guān)燈、藝術(shù)燈等)建設領(lǐng)域將不斷擴大,LED光源的應用也將不斷發(fā)展。LED作為第四代新光源,在城市景觀(guān)燈建設領(lǐng)域中已得到了有效的應用,但要在路燈建設和維護中取代大功率的高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈等光源,還需進(jìn)一步的研究和探討,認真解決LED光源在照明應用中存在的技術(shù)問(wèn)題,還需LED光源生產(chǎn)廠(chǎng)家結合路燈行業(yè)的實(shí)際情況,生產(chǎn)符合路燈建設和維修所需的新產(chǎn)品,使第四代新光源在城市照明建設中發(fā)揮更大的作用。