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        新聞導(dǎo)航

        LED在綠色節(jié)能照明中的應(yīng)用進(jìn)展

        來(lái)源:jjgxdt.com 發(fā)布時(shí)間:2019-09-18 返回

               在電能消耗中,照明用電占發(fā)電總量的比例:發(fā)達(dá)國(guó)家是19%,我國(guó)是10%。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,我國(guó)的照明用電將有大比例的提高,綠色節(jié)能照明的研究應(yīng)用越來(lái)越受到重視。開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用節(jié)能燈具,成為迫在眉睫的任務(wù)。LED照明就是在這樣的形勢(shì)下發(fā)展起來(lái)的。

          LED(light emitting diode)即發(fā)光二極管,它是一種在P-N結(jié)上施加正向電流時(shí)能發(fā)出紫外光、可見(jiàn)光、紅外光的半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。LED的發(fā)光機(jī)理是:半導(dǎo)體材料中的電子和空穴在P-N結(jié)處結(jié)合,發(fā)出與電子和正電荷空穴之間的能量差相對(duì)應(yīng)的光子而發(fā)光。不同的半導(dǎo)體材料可制成各種波長(zhǎng)發(fā)光的LED。

          近年來(lái),隨著半導(dǎo)體外延技術(shù)和制造工藝技術(shù)的快速發(fā)展,LED照明在國(guó)外(尤其是在美日等發(fā)達(dá)國(guó)家)發(fā)展很快,而我國(guó)的LED照明發(fā)展嚴(yán)重滯后。本文從照明用燈的發(fā)展,節(jié)能燈的應(yīng)用現(xiàn)狀,LED的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,國(guó)內(nèi)外的研究應(yīng)用發(fā)展、應(yīng)用前景等方面做簡(jiǎn)要地分析介紹。

          2 LED照明光源的發(fā)展

          上世紀(jì)70年代,首先發(fā)現(xiàn)了橙黃綠LED,但是光效很差,且需要環(huán)氧塑料做濾光器。1996年,首先在藍(lán)光上取得突破。現(xiàn)在,高亮LED發(fā)明以后,LED的市場(chǎng)份額明顯增加。交通燈市場(chǎng)的發(fā)展驗(yàn)證了這個(gè)趨勢(shì):如果用高亮LED代替使用濾色片的標(biāo)準(zhǔn)白熾燈,將節(jié)能90%。惠普公司發(fā)明了一種平頭倒錐形的LED,發(fā)射黃光的光效達(dá)到100lm/W。現(xiàn)在,以氮化物為管芯材料的LED的研究重點(diǎn)是如何提高亮度,預(yù)計(jì)在5a內(nèi)將其發(fā)光效率從15lm/W提升到50lm/W。以InGaN為基芯的超亮藍(lán)色LED的主要目標(biāo),是通過(guò)調(diào)整氮化物,將發(fā)光效率提升到100lm/W,從而可以用到白色超亮LED中。

          自1996年白色)LED開(kāi)發(fā)成功以來(lái),其發(fā)光效率不斷地提高。LED開(kāi)發(fā)初期光效率只有5lm/W,到1999年,達(dá)到相當(dāng)于白熾燈的光效(15lm/W)。初期采用的GaN芯片發(fā)藍(lán)光,通過(guò)激發(fā)熒光粉發(fā)出黃色光,芯片的藍(lán)光和熒光粉的黃光混合在一起,形成白光。用三基色(R、G、B)LED芯片集成制成三色混合模塊,這是另外一種混合白光LED燈,亮度相當(dāng)—只40W白熾燈。后來(lái)白光LED的光效相當(dāng)于鹵鎢燈的光效25lm/W,但是,它還只能作為局部照明的光源。最近,美國(guó)Agilient實(shí)驗(yàn)室己研制開(kāi)發(fā)成功光效為100lm/W的有色LED和光效達(dá)40-50lm/W的白色LED。預(yù)計(jì)2005年白光LED發(fā)光效率將達(dá)100lm/W上,相當(dāng)于熒光燈的光效。

          3 白光LED的特性

          白光LED的特點(diǎn):1)低電壓驅(qū)動(dòng),最低可用2V電壓驅(qū)動(dòng);2)體積小,一般直徑3-5mm,用于被光照明的體積更小;3)重量輕,顯色性好,顯色指數(shù)超過(guò)90,超過(guò)熒光燈,接近白熾燈的顯色性能,接近自然光;4)調(diào)光性能好、壽命超過(guò),10萬(wàn)h、耐振動(dòng)、不易損壞、色溫變化時(shí)不會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)誤差,生產(chǎn)過(guò)程無(wú)汞和鉛的污染,將成為替代白熾燈和熒光燈的高效節(jié)能光源。

          和其他的節(jié)能燈相比,LED燈還有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn):不用鎮(zhèn)流器。眾所周知,熒光燈的啟動(dòng)需要鎮(zhèn)流器,舊式鎮(zhèn)流器為電感式鎮(zhèn)流器,啟動(dòng)電壓高,噪音大,溫升高,個(gè)大笨重,能耗較多。雖然現(xiàn)在推廣使用了電子鎮(zhèn)流器,節(jié)電效果明顯,但是它終歸是有能耗的,而且其成本也很高。LED燈的啟動(dòng)電壓和工作電壓一致,完全不需要鎮(zhèn)流器,這樣就省去了鎮(zhèn)流器成本和相關(guān)的能耗。LED燈的通斷電響應(yīng)時(shí)間很短,在幾十ns的級(jí)別上,比熒光燈快得多。

          現(xiàn)在,已經(jīng)開(kāi)發(fā)并形成了高壓交流電源、低壓直流電源等多種LED 燈系列產(chǎn)品。熒光燈大多工作在高壓交流電源中,雖然也可以用較低的直流電壓,但不能像LED那樣在5V的電源下就可以工作。

          制造LED使用的材料少,原料中不需要汞鉛等重金屬有害物質(zhì),不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

          LED的工作電流對(duì)光效的影響不大,即使在很低的工作電流下,仍可以保持很高光效。發(fā)光效率和順?lè)较螂娏鞯囊来嫘允秦?fù)比例關(guān)系的。

          4 LED光源設(shè)計(jì)

          由于單只LED的功率小,光亮度低,因此,單只LED的使用沒(méi)有大空間照明的實(shí)際意義。為此,必須將多個(gè)LED組裝在一起設(shè)計(jì)成為實(shí)用的LED照明系統(tǒng),這才能具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,世界大的照明公司(如飛利浦、NHK、松下、歐司朗等)都在將多個(gè)LED集中在一起,開(kāi)發(fā)具有不同應(yīng)用范圍和品種規(guī)格的LED照明系統(tǒng)。

          LED光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容如下:1)根據(jù)照明對(duì)象、光通量的需求,決定光學(xué)系統(tǒng)的形狀、LED的數(shù)目和功率的大小;2)將若干個(gè)LED發(fā)光管組合設(shè)計(jì)成點(diǎn)光源、環(huán)形光源或面光源的“二次光源”,根據(jù)組合成的“二次光源”,計(jì)算照明光學(xué)系統(tǒng);3)設(shè)計(jì)“二次光源”上的每只LED 管的配光分布和控制。有人研究設(shè)計(jì)了一種新型的多芯片LED封裝模式,它在單個(gè)塑料封裝里包含了數(shù)十個(gè)LED,亮度大幅度提高,能用于常規(guī)的照明。

          盡管白光LED可以通過(guò)紅綠藍(lán)光LED的混合光來(lái)實(shí)現(xiàn),但是更有前途的是藍(lán)光LED和熒光轉(zhuǎn)換器的結(jié)合,它能在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)上發(fā)射寬光譜現(xiàn)在,將InGaN超亮LED和熒光轉(zhuǎn)換材料結(jié)合制造白光LED,有了很大的進(jìn)展,光效已經(jīng)超過(guò)10lm/W,其關(guān)鍵是采用了紫外發(fā)射器作為促激光源,使用吸光材料把紫外光全部吸收,然后再發(fā)射出全可見(jiàn)光。

          進(jìn)行照明設(shè)計(jì)時(shí),當(dāng)光源滿足顯色性要求的前提下,選用瞳孔亮度大的光源會(huì)有利于改善光環(huán)境質(zhì)量和有利于照明節(jié)能。對(duì)LED來(lái)說(shuō),可以通過(guò)增加藍(lán)色波長(zhǎng)的照射功率達(dá)到節(jié)能效果。

          5 LED光源與太陽(yáng)能應(yīng)用相結(jié)合

          LED作為一種節(jié)能無(wú)污染的電光源,可以和綠色能源結(jié)合起來(lái),從而形成真正的綠色節(jié)能用電系統(tǒng),其中與太陽(yáng)能應(yīng)用相結(jié)合就是一個(gè)典型的例子。

          岸村工業(yè)公司制造出一種太陽(yáng)能白光LED路燈。該燈采用55W的晶體類太陽(yáng)能電池,配90個(gè)高亮度的LED,在3.2m高照明燈的正下方路面的照度有3lx,距燈10m的位置能保持1lx的照度。LED太陽(yáng)能路燈還有優(yōu)良的氣候耐性、溫度耐性和超長(zhǎng)的工作壽命。該路燈配用合適的蓄電池,在連續(xù)1周不見(jiàn)陽(yáng)光的情況下,仍能保持電力供應(yīng)。

          我國(guó)深圳朝陽(yáng)太陽(yáng)能公司開(kāi)發(fā)出了太陽(yáng)能夜間交通警示燈。閃爍頻率為60-70次/min,陰天情況下,可以連續(xù)工作15d,采用功率0.3W的太陽(yáng)能電池和4個(gè)黃/紅超亮度發(fā)電二極管,其能見(jiàn)度超過(guò)1km。太陽(yáng)能LED燈可以廣闊應(yīng)用于廣場(chǎng),道路照明、建筑外觀照明等。白色LED照明系統(tǒng)除了可用電能、太陽(yáng)能做能源外,還可以用風(fēng)能、燃料電池等作為輔助能源。

          6 LED光源的發(fā)展展望

          目前,對(duì)用于照明的LED的研究主要集中在無(wú)機(jī)白光LED領(lǐng)域,我們不可忽視有機(jī)LED的研究。有機(jī)LED也能發(fā)射白光,只是白光有機(jī)LED對(duì)發(fā)光電壓的依賴很強(qiáng),效率很低,不過(guò),其改進(jìn)潛力很大。現(xiàn)在,有機(jī)LED的光效已經(jīng)超過(guò)60lm/W,壽命超過(guò)50h,驅(qū)動(dòng)電壓低于5V,它不像液晶顯示那樣,不需要背光照明,可以做到很薄,能耗也就降低了。可以相信,有機(jī)LED用作照明光源也只是遲早的事情。美國(guó)專家預(yù)測(cè),到2008年,有機(jī)LED的全球市場(chǎng)將達(dá)到23億美元。

          利用LED的特性,結(jié)合相關(guān)新技術(shù),能夠開(kāi)發(fā)適用于不同場(chǎng)合和用途的照明系統(tǒng)。LED的發(fā)光效率將在近年內(nèi)超過(guò)熒光燈,成為高效節(jié)能光源,而且可以利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池作為照明系統(tǒng)的能源,大大節(jié)省了電能,減少了因發(fā)電引起的廢氣對(duì)大氣的污染。@AB 生產(chǎn)中不用汞、鉛等有害物,免除了這些廢棄物對(duì)環(huán)境的污染。因此,白色LED是有利于環(huán)境保護(hù)的綠色照明產(chǎn)品。

          作為第4代綠色節(jié)能光源,白色LED將替代白熾燈和熒光燈,世界各國(guó)對(duì)此都很重視。日本正在實(shí)施使白色LED光效達(dá)80-100lm/W的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。2000年4月,美國(guó)召開(kāi)了“LED發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)”推動(dòng)LED技術(shù)的發(fā)展。面對(duì)國(guó)際上照明用白色LED迅速開(kāi)發(fā)和競(jìng)爭(zhēng)的形勢(shì),我國(guó)也加強(qiáng)了對(duì)照明用白色LED的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的重視,2003年6月科技部提出“發(fā)展半導(dǎo)體照明計(jì)劃”,提供用于LED開(kāi)發(fā)的引導(dǎo)經(jīng)費(fèi),盡力地改變照明光源技術(shù)落后的狀況。

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