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開發(fā)成功以來(lái)，其發(fā)光效率不斷地提高。LED開發(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的開發(fā)計(jì)劃。2000年4月，美國(guó)召開了“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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