新一代绿色照明—LED光源 PDF.doc

新一代绿色照明LED光源 山东工商学院信息与电子工程学院山东 烟台264005 摘要: LED具有很多其他传统照明光源无法比拟的优势因此被认为是取代白炽灯和荧光灯最具潜力的绿色光源。该文根据目前半导体照明的发展现状介绍了绿色照明的主要含义和LED光源的基本原理、主要优点及其在照明领域的应用及发展趋势并指出了LED光源在发展中的一些主要问题。 关键词LED 绿色照明 节能 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 随着生产的发展和社会的进步电力行业在人类的生产、生活、科研等领域起到越来越重要的作用。现有的电力资源不能完全满足人类日益增长的生产、生活需要而且地球留给人类的资源也是有限的恐怖分子、自然灾害、人类所需较高的生存环境也给电力系统带来挑战。所以节能、环保、防恐、防灾是摆在电力行业面前最主要的、永恒的话题。而照明耗电在各个国家的发电量中占有很大比例。我国照明消耗约占整个电力消耗的20。据统计我国每年仅照明用电就有2000亿至3000亿度如果全部用LED光源代替每年至少可节电1600亿度。为此照明节电具有重要意义。在全球照明科技研究领域半导体照明被公认为是照明史上一次历史性飞跃它具有节能、环保、寿命长、安全可靠、响应快、单色性、体积小、色彩丰富可控、免维护等众多优点市场及社会价值巨大。 发光二极管Light Emitting DiodeLED是20世纪60年代末期出现的一种半导体光源20世纪以来LED的研制取得了重大突破LED亮度的不断提高价格持续下降。LED使用寿命长、光利用率高、能耗低、发光效率高而且还在不断提高是一种理想的绿色光源。随着这项技术在全球的推广LED必将取代日光灯、节能灯、白炽灯等产品迎来一个崭新的照明时代。 1关于照明 照明技术的发展与人类文明的进步息息相关。 人类从原始的薪火延续到灯光照明的现代文明时经历了漫长的岁月在建筑室内外光环境的创造中出现了光环境与主体间的诸多变异。当人类高高举起第一根火把时就开始了照明领域的第一次革命。人类从此有了自己能够控制的光源。1879 年爱迪生发明了第一只白炽灯碳丝白炽灯在开始第二次照明领域革命的同时也拉开了人类现代文明的帷幕。然而那时的人工照明虽为人们带来光明却无法达到足够的照度更不用说创造宜人的光环境。现代设计把照明视为创造光环境是一种环境意识和技术上的进步。因为光环境是包括照明灯光、建筑、相关环 境因素和人在内的综合环境系统这个系统的主体则是人。从环境科学的定义大凡所谓环境在人类生活的空间里离开了人这个主体研究环境没有任何意义因此“环境”是绝对不存在的。 照度是衡量照明水平的一项基本指标纵观二十年来各国制定的照明标准都体现了照度水平的提高并且普遍把照度计算摆在照明工程里的重要位置。反映了人们对照明数量上的追求同时是在技术进步的基础之上增强了对照明科学性的重视。 随着现代物质文化生活的不断发展人们不再满足于物理与生理的要求开始对精神生活提出了新要求。光环境作用于人的心理影响逐渐引起广泛的关注。人们注重美讲究环境效果追求生活空间的装饰创意要求将人们的心理需求体现在照明设计中将照明质量提升到一个新高度。所谓精确、正确、卓越即是指科学合理的用光处理则是指科学的规划与设计。 目前在国?诮彰饕驳玫浇峡旆埂彰骰谌死嗟南执罘绞酱丛斐鲎笆握彰鞯男吕砟詈托履阶乜占涞淖笆未匆夤刈嗣堑男睦硇枨笸蒲际鹾驼彰魃杓频耐昝澜岷鲜迪至苏彰髦柿坑肟占湟帐醯耐骋弧庵窒冉恼彰鞣绞椒险彰鞣钩绷鳌?照明领域未来发展的趋势从2000年北美照明工程学会新出版的照明手册The IESNA LIGHTINGHANDBOOK-9h Edition可见端倪。它的主编Mark S. Rea在手册前言中写道“我们许多人都深信第九版的IESNA照明手册代表照明实践的一个分水岭。过去二十年来在照明实践中有从照明工程illuminating engineering到照明设计lighting design的动向从照度计算到美学评价的动向从数量到质量的动向。北美照明工程学会通过这一版手册把对照明质量的建议格式化反映了照明实践中的这种动向。” 2关于绿色照明 20世纪7080年代全球面临能源危机及全球环境保护浪潮的兴起。节约能源保护全球环境即成为全人类的共识。在这种形势下提出来了“绿色照明”的概念。绿色照明设计的主要任务是在保证照明质量的基础上注重节能。1991年1月美国环保局EPA首先提出实施绿色照明Green Lights和推进“绿色照明工程Green Lights Program”概念很快得到了联合国的支持引起许多发展中国家的重视并积极采取相应的政策和技术措施。许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划并取得了显著效果。照明的质量和水平已成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。 绿色照明的科学定义是指通过科学的照明设计采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材以及调光控制和控光器件改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。 我国目前提倡的也是“绿色照明”要求一个好的照明设计既要能满足人们的正常工作生活需要又要保证照明质量同时还须注重节能。 绿色照明的理想境界应从以下诸多方面考察 1无汞汞有毒污染环境后患无穷 2节能不仅照明要节电运行而且光源和灯具从原材料至成品的生产过程也应有利于节能 3节材光源及其附件要节约耗用黑色金属、有色金属、稀有金属和非金属材料 4环保的制造工艺排放无污染和绿色生产工艺包括采用无毒、无溶剂树脂与密封材料提倡采用水溶性树脂 5无有害的射线光源无紫外线成份等 6长寿命耐用性好 7对环境无电磁干扰运行时无高次谐波分量泄漏 8对电网无伤害电抗分量小功率因数高启动时浪涌小 9绿色废弃失效后废弃物可回收无环境污染后患。 由此可见绿色照明的理念不能只停留在节能和高光效上应该有一个综合性的全面评估的观点。 因此真正实现绿色照明研究和开发的征途还很长这是一种挑战。 随着第三代半导体材料氮化镓制备技术的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世被誉为“照亮未来的技术”的LED渐渐走进了人们的日常生活。 按前面9 项“绿色照明”的要求我们一起来分析绝大部分气体放电光源无汞荧光灯除外包括第三代HID或更先进的HID如果打分评分比LED要低得多。作为固体光源的LED真正点燃了“绿色照明”的光辉被认为是21 世纪最有价值的新光源将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导使照明 技术面临一场新的革命从而在一定程度上改善人类的生产和生活方式。 LED照明的应用前景在全世界都掀起了高潮被寄予了厚望。固态照明将成为最有效的节能和环保手段通过改善人类生存环境、发展照明的新概念和新模式固态照明改善和提高人类的生活质量将引导人们走向更加光明的未来。 美国能源部预测到2010年将会有50的白炽灯和荧光灯被半导体灯代替每年可节电350亿美元。美国、日本、欧盟都相继出台了关于大力发展半导体光源的照明计划。美国激光世界曾撰文称到2025年白光LED将占照明工具市场的55以上份额。业内人士预计20052010年全球LED照明市场规模将逾10亿美元。国外也有报道称5年后半导体灯将替代20的白炽灯。这个估计可能比较乐观但揭示了半导体灯未来的应用前景和增长潜力。据PIDA统计若台湾25的白炽灯和全部日光灯被白光LED取代每年可节省110亿度电力相当于一座核电站的供电能力。由于照明消耗占整个电力消耗的20全球每年使用这种新光源所节省的电能达1000亿美元因此大力发展白光LED技术将是保护环境和节省能源的一个有效途径。 因此在专家们眼里固态照明带来了第三次照明领域的革命并且其意义绝不亚于前两次照明领域的革命。 3 LED的基本概念 LED是发光二极管Light Emitting Diode的简称。顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能并具有二极管特性的电子器件。LED是一种半导体二极管与普通半导体二极管一样有两个电极正极与负极。LED在工作时需外加电源外加的电能也是由这两个正、负电极加入到半导体二极管内。LED在内部结构上有和半导体二极管相似的P区和N区P区和N区相交的界面形成PN结。与普通半导体二极管一样是一种允许电流单向导通的器件如图。LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。根据加在二极管两端的电压大小利用通过LED的电流最终使PN结发光。 图1 LED的PN结 3.1 LED基本结构 LED器件的制造目的是为了得到光所以它的结构与普通半导体二极管并不一样。图2表示了LED的结构图图3给出了LED芯片的基本结构示意图。 图2 LED的结构图 图3 LED芯片的基本结构 3.2 LED发光原理 半导体发光二极管发光原理发光二极管是由族化合物如GaP磷化镓、GaAsP磷砷化 镓等半导体制成的。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层称为PN结因此它具有一般PN结的I-U特性即正向导通反向截止击穿特性此外在一定的条件下它还具有发光特性。注入的少数载流子与多数载流子复合时把会多余的能量以光的形式释放出来从而把电能直接转换为光能如图4。 图4 发光二极管发光原理图 PN结加反向电压少数载流子难以注入故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管通称LED。当它处于正向工作状态时即两端加上正向电压电流从LED阳极流向阴极对半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线光的强弱与电流有关。 LED 的半导体二极管特性决定了每个LED的工作电压仅为1.2、.4伏特。如图5所示当工作电源电压大于其正向导通阀电压VF以后发光亮度随工作电流的增大而提高而端电压变化很小。因此 LED照明光源通常都是由多个流明粒子流明粒子即单个LED串联连接构成一个组合发光体单元。在需要调色调光的应用场合则按照RGB三元色的白平衡调色比例组成三个发光体单元集成为一个照明光源。 图5 LED工作电流I与电压V 4 LED的优点 现今用于照明的光源主要有三类 1低光效的普通白炽灯和卤钨灯光效为1224lm/W 2荧光灯光效为5080lm/W 3HID灯光效为80150lm/W。 前者消耗照明用电的40产生总光通量的15后者消耗60的照明用电产生85的光。这三类光源的光效还有提高的可能但都有一定的局限前者为热辐射原理和工作温度所限而荧光灯则受253.7nm紫外线转换成可见光的能量效率的制约。但对LED光源基本上不存在这些限制。有人乐观地估计即使今后LED技术进步的速度只有以前30年的一半也可指望到20102015年时其电光转换效率达到50也就是光效为200lm/W。 3.2.1 功能性 发光效率不断提高。目前白光LED的光效已经达到40lm/W优于白炽灯次于荧光灯60100lm/W在彩色光照明应用中因其不需滤色片直接投射彩色光避免了常规光源因为应用滤色片造成的超过40的光通量损失。人们按现在LED技术发展的速度预测到2010年美国计划发光效率为100lm/W韩国为110lm/W日本为120lm/W专家们预期2020年将达到200lm/W。超过所有照明光源的光效。光线质量高。现在使用的白炽灯工作的过程中发出过多的热量影响环境温度。LED的光谱几乎全部集中于可见光波段没有红外光和紫外光辐射因此被称为“冷”光源属于绿色光源。适合在室内尤其是对光效有特殊要求的场所采用如博物馆、展览馆等。 4.1 艺术性 光色纯。LED是分立的光谱谱线狭窄色彩丰富鲜艳可以有多样化的色调选择和配光。光束集中。LED发光大部分集中会聚于中心发散角小发射光角在100发光均匀性好可以减少眩光减化灯具结构节省遮光设备。小型化。LED是用环氧树脂封装固态光源其结构既不像白炽灯有玻璃泡、灯丝等易损坏部件也不像荧光灯有体积大的灯管和附件它是一种全固体结构因此能经得起震动、冲击而不至损坏而且体积也相对减小重量也轻应用灵活可在狭小空间投光利于隐藏美化建筑环境。响应快。LED灯响应时间短可瞬间启动反复开关可灵活控制加上时序控制电路可实现多种动、闪、跳的灯光变幻。LED发光的响应时间为纳秒级荧光 灯一般为毫秒级。 4.2 绿色环保 低功耗节能省电。一般LED灯使用低电压、低电流驱动功率为0.061W功率因数接近于1不仅LED灯本身省电与之配合的供电电源的耗电量也大大降低用量大的可以通过多种方式组合或集成以满足不同需要减少浪费。绿色环保。现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞这样在发光过程和废弃的灯管都会对人体的人身健康和环境造成危害。而LED不含汞、铅等有毒成份没有玻璃废弃物可回收减少了对环境的污染是一种无污染的光源。相比之下荧光灯具的灯管中含汞而且用于封装荧光灯具的材料又以可吸收紫外线的玻璃为主玻璃易碎的特性加上汞废料的不易回收均会严重地造成环境的污染。欧盟已经明令将在2007年开始禁用这些含汞制品。 4.3 经济性 寿命长。目前彩色LED的寿命可达510万小时低功率白光LED的寿命超过3万小时高功率白光LED的寿命都在2万小时以上由于寿命长经久耐用减少了维护维修费用降低了成本。相比之下白炽灯的寿命只有10002000小时荧光灯可达18000小时。光线利用率高。LED色彩丰富艳丽需要彩色光线时使用时无须滤光片光线利用率100。相比之下加装滤光片后其它光源只有少于40的光线可利用。安全可靠。由于LED灯的正向工作电压低为1.53.0V工作电流小为5150mA耗电量低、寿命长、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、桥梁等不易到达的地方。 综上所述从LED灯与传统灯性能对比可以看出如表2、表3LED是一种符合照明技术发展大趋势和绿色环保要求的光源。 表2 LED 灯与传统灯性能对比1 名称 耗电量w 工作电压v 协调控制 卤素灯 100 220 不易 霓虹灯 500 高 镁氖灯 16W/m 220 较好 日光灯 4100 220 不易 冷阴灯 15W/m 需逆变 较好 钨丝灯 15200 220 高 节能灯 3150 220 不宜调光 LED灯 极低 1236 多种形式 表3 LED灯与传统灯性能对比2 名称 发热量 可靠性 使用寿命h 卤素灯 极高 低 3000 霓虹灯 高 宜室内 3000 镁氖灯 较高 较好 6000 日光灯 较高 低 50008000 冷阴极 较好 较低 10000 钨丝灯 高 低 3000 节能灯 低 低 5000 LED灯 极低 极高 10万 5 LED光源的应用 LED光源的应用领域非常广除了大量用于电子设备、显示屏的显示外在照明领域的应用是最能体现其节能性。现阶段。LED照明主要应用于路面照明、景观照明、汽车车灯、交通信号灯等方面。在这着重讲述在路灯上的应用。 LED光源在照明领域的应用是半导体发光材料技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的产物。目前LED照明技术日趋成熟已在照明领域中得到了有效的应用因其美观、多变的特点成为市景观照明的首选。它可以创造全功率与半功率的照明效果以及从白光到全光谱中的任意颜色LED的使用在这类空间的照明中开启了新的思路。长寿命、高流明的维持值10000小时后仍然维持90的光通降低了维护费用和更换光源的频率。另外LED克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的现象与传统光源相比没有热辐射可以使空间变得更加舒适是一种新型绿色照明光源。 中国是目前全球城市化进程最快的国家之一可以预料在未来的数十年内全国各地对于大功率、高亮度、节能的LED路灯产品的市场需求是极其庞大的。市政路灯市场统计数据显示我国城市道路照明共有1500万盏以上的路灯近几年的增长率在20以上照此估算全国每年照明路灯的市场规模不低于50亿元。如果把不属于各级路灯处管理的路灯如厂矿、机关事业单位、小区等在内的路灯计算在内则数量更为庞大。加上其他白炽灯、荧光灯的照明总量在9000万盏以上如果全部替换成LED照明产品每年可节省电力资源1000亿千瓦时以上相当于三峡工程满负荷的全年发电量。在世界发达国家普遍认可LED光源解决、实现照明功能前提下我国在该技术领域也得到了长足发展生产制造企业如雨后春笋般派生。 LED路灯因其使用功率低可与风能、太阳能结合 使用在城市次干道上高压钠灯及汞灯则不具此功能。对于新装路灯工程安装一盏太阳能LED路灯与安装一盏传统路灯的造价相近。首先肯定的是目前在太阳能能量利用在道路照明方面欧美国家走在了我国的前面。构建和谐、节约型社会是我国未来发展的方向当前在各级政府的倡导推动下环保节能产品的改造应用已全面铺开太阳能在城市道路照明这个高耗能领域的使用显得尤为重要。太阳能LED灯不需电缆和挖沟埋线布线及布局不受外界电源支持的影响可任意安装不受位置限制安装周期短成本上的劣势又不明显是当前太阳能半导体照明技术中难得的不需政府支持、完全市场化运作的应用领域。 6 我国LED的发展前景 LED是未来的新一代光源被公