摘 要:文章介绍了LED灯的发光原理和发光特点,并对LED灯在照明应用方向的发展以及在国内照明市场的应用前景进行了调查和研究。

关键词:LED照明技术  优点  应用前景  低碳经济

从北京奥运会开幕式上4500多m2的“梦幻长卷”到上海世博会上以绚丽的色彩吸引世人眼球的LED灯,已逐渐进入大众的视野。但由于LED灯尚未成熟的制造技术和高昂的价格以及有限的市场,目前LED灯仍未得到有效的普及。尽管如此,LED灯制造业近年来的迅猛发展,以及世界各国对节能降耗的需要日益增加,LED灯必将在不远的将来引发照明市场节能环保的重大革命,并且最终取代传统灯具,引领我们进入低碳照明新时代。

１  ＬＥＤ灯的结构及发光原理

１．１ＬＥＤ灯的结构

LED(Light Emitting Diode)即发光二极管的英文缩写,是一种固态的半导体晶片,晶片主要由砷(As)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、磷(P)、氮(N)、锶(Sr)这几种元素中的若干种组成1,晶片的一端附在一个支架上(如图1),一端是负极;另一端连接电源的正极,整个晶片被环氧树脂封装起来。

１．２ＬＥＤ灯的发光原理

半导体晶片由两部分组成(如图2),一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位;另一端是N型半导体,在这边主要是电子。当这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,形成光源。

２  ＬＥＤ灯作为第四代灯具逐渐出现在我们的视野之中

它具有高效节能、超长寿命、安全环保、可控性和适用性强等优点如下表1。２．１高效节能

LED的发光部件是半导体晶片,具有单向导通,反向截流的特性;单个LED灯的驱动电压为1.5V～3.5V;通电后发光反应速度为纳秒级,可进行高频操作;发光效率高,光通量2相等情况下耗能最小(见表1),并且LED灯可通过电路设计实现发光强度的调节,最大限度的实现节能。

光通量相等的情况下一盏7W的LED灯仅一年就比一盏100W的白炽灯节省电量约170°,节省电费约136元。

注:换算公式(1)年用电量=365天×5小时×瓦数(按10小时/天计算);(2)按0.8元/度计费。

２．２超长寿命

整个LED晶片被环氧树脂封装,抗冲击能力好,坚固耐用;LED灯的寿命主要取决于LED光衰减的3%,通常以LED光衰减的35%作为其寿命。而LED灯发热量小,光衰理论时长为10万小时,保守估计使用5年以上。而普通的节能灯只有8000小时左右的寿命,白炽灯寿命仅有500小时左右。

２．３安全环保

采用低压驱动,多数LED灯工作电压2V～24V低于人体安全电压(36V);材料不含汞、铅、水银等有害物质,灯具损坏后完全可以回收再利用;无电磁干扰(普通节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰);LED灯光无闪烁,无眩光,亮色柔和,有利于视力健康,可用于室内照明及工作学习等场所;冷光源,发热量低,无热辐射,可以安全触摸。

２．４可控性和适用性强

点光源,窄光束,高亮度,能精确控制其发光角度,可应用于汽车等集中光束照明;可以通过控制电流大小调整LED的发光强度,能有效节约能源;每颗LED灯仅有一个边长3mm～5mm的正方体大小,所以能制成各种形状的器件;大规模集成电路和芯片的技术使得超大面积LED屏成为可能;显色性4高达75%～90%,配光方式灵活便捷,配光效果好可以适用于各种场所。

３  尽管ＬＥＤ灯有诸多优点但由于ＬＥＤ的自身缺陷以及制造技术尚未成熟其有一定的不足

(1)目前,全球单个最大功率的LED灯也只有5W左右,光通量有限,为达到照明效果需要多个串联或并联。串联时单个LED灯断路则整个电路断路;并联时单个LED灯短路则整个电路短路,这是LED灯的致命性弱点。

(2)大功率LED散热技术还不够成熟,温度升高会使LED光衰加快,直接影响LED灯寿命。

(3)白光LED在制造工艺上由于反射杯和透镜配合的不当容易出现黄圈现象。

(4)LED灯中电流只能单向通过,所以必须使用直流供电,要使LED应用于家庭照明,需提高变压器的功率,目前还存在技术上的缺陷。

４  ＬＥＤ灯在照明应用中的发展

LED光源最早问世于20世纪60年代初,1962年美国通用电气公司的NickHolonyakJr使用GaAsP芯片开发出第一盏红光LED灯,发光效率只有0.1lm/W。70年代中期,绿光、黄光和橙光成功研发,光效提高到1lm/W。90年代初新材料的应用使LED的光效提升至50～100lm/W。1998年白光LED灯开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。现在,对于GaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温3500K～10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法,构造简单、成本低廉、技术成熟度高,至今任被广泛采用。2001年LED灯首次在照明市场出现即引起了世界各国的高度关注。十年来白光LED灯在材料、结构和工艺上的不断改进和提高使其在性能上有了长足的进步。

５  ＬＥＤ在国内照明市场的现状

2010年LED灯照明占总照明市场比重较低,产值仅3.2%。并且LED灯在中国仅作为室外路灯照明和室内商业照明,家庭中仅用于装饰和小功率照明(如台灯)。可见消费者对于LED的照明功能并不太了解,原因如下。

５．１零售价格过高

目前中等白光LED灯与节能灯及白炽灯相比价格高出许多(如表2)。

５．２产品质量参差不齐:

LED灯的核心制造技术一直以来都把持在国外几家大企业手中。国内企业在LED灯制作方面的水平参差不齐,具有生产规模的企业相对较少,而家庭用灯的生产企业更少,加之企业生产设备和工艺相对国外相对较为落后,质量难以得到保证。

５．３投资者参与积极性不高

目前LED灯照明市场尚未正式建立,企业要形成一定规模尚需较长时间,加之目前LED灯质量的可靠性不大,价格太高,市场混乱,产品销售困难,所以投资者为避免风险大多处于观望状态。

５．４消费者了解程度不够

LED灯作为新兴第四代照明灯具还未得到有效的的推广,消费者对低碳照明经济的认识不够,节能环保观念未能深入人心,加之暂时高昂的价格,使得LED灯在消费者心中的地位不够高。

６  ＬＥＤ在国内照明市场的发展前景

尽管目前LED在国内照明市场所占的份额不大,但笔者仍对LED的发展抱有十分乐观的态度,理由如下。

６．１国家政策的扶持

在全球能源短缺的严峻形势下,占中国能源消耗约12%的照明市场具有巨大的节能潜力。2011年11月4日国家发展改革委员会公布白炽灯淘汰路线:2012年10月1日起中国将进入白炽灯淘汰期,期间将逐步实现从大功率白炽灯到小功率白炽灯的停售,预计到2016年底实现普通照明白炽灯完全停售,此举将为LED灯的发展提供更为广阔的空间。同时,国家发展改革委员会环境资源司副司长谢极明确表示:“现在正在和财政部研究制定鼓励LED灯的政策,希望能够不久后发布”。谢极还透露:目前正在起草LED灯“十二五”发展规划,预计LED灯制造产业将在五年内产值翻两番。目前LED路灯的置换工程正在国内各个主要城市火热进行,有统计数据显示,仅此一项每年就能为中国节省约一座三峡大坝所发的电力,因此在全国形成了一定的节能示范效应。

６．２ＬＥＤ灯性价比的逐年上升

伴随科技的不断进步,LED灯的发光效率逐年显著上升,相比荧光粉价格近十倍的陡增,用于制作LED的芯片和硅胶价格则有较大的降幅。DIGITIMESResearch分析师兼项目经理林芬卉预估LED照明价格每年将有20%～30%的下跌空间,因此LED灯的竞争实力将逐年增强。

６．３国内企业的兴起

国内照明市场容量大,企业生存空间广阔,有利于LED灯制造企业的兴起、竞争和发展,目前,参与LED灯制造产业的企业约有2000家。尽管国内企业在集成电路的制造力相对薄弱,但国内一些企业拥有一定核心知识产权,具有一定的全球竞争力,可以起到一定的示范效应,能有效的促进LED灯在国内照明市场的健康发展。

让我们姑且设想一下:如果世界上所有的传统灯具都被LED灯所取代,那么低碳经济还会离我们远吗？

７  结语

伴随2012年禁“白”令的到来,节能灯成本上的陡增,以及LED灯性价比的逐年上升,LED灯必将引发国内照明市场的巨大变革。在此之前国家应尽早制定相关政策来鼓励研发照明LED灯;国家财政补贴政策的尽早实施将有效引导国内照明市场的发展,有利于LED灯的推广。谢极也承认:“LED灯作为新一代的能源,价格还比较高,被市场接受还需要一定时间,我们会大力推动LED灯的推广。”相信在不远的将来LED灯将逐步取代传统灯具,引领我们进入低碳照明新时代。