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LED照明灯具发展概述

编辑:Admin 点击数:439 时间:2012/4/9 17:10:35

自高亮度白光LED问世后,由于它具有发光效率高节电效果好,并且无污染、寿命长的特点,在照明应用上受到各国的重视。用白光LED作照明灯来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着,取得了一些成果。这里举几个实例。

1. 采用白光LED作小型LCD彩屏的背光照明来取代冷阴极荧光灯(CCFT)。由于驱动白光LED有电路简单、无须正负电源、且效率高、尺寸小的特点,在便 携式电子产品中获得极其广泛的应用。随着白光LED性能的提高,白光LED作背光源的应用不仅用于手机、游戏机、PDA、MP4、数码相机等小彩屏电子产 品,目前已应用到屏幕尺寸更大的DVD、GPS及15英寸笔记本电脑中。它已成为LED最大用户之一,占LED年产量的30%左右。
2. 采用白光LED作小型数码相机的闪光灯来取代传统的氙灯。由于采用短时间脉冲给LED供电可以比额定电流大一倍,给出的强光可满足相机补光的要求。驱动LED闪光灯的电路无须高压电源,也没有较长的时间充电的缺点,可获得更多的抓拍机会,并使电池使用时间更长。
  
图1  LED照明系统结构框图
 
图2  太阳能光控LED路灯

3. 采用太阳能电池、蓄电池及白光LED组成的真正绿色照明系统。我国的太阳能电池生产量很大,2006年已达到370MW,太阳能组件的生产能力已大于 1000MW。这对利用太阳能点亮白光LED灯创造了极为良好的条件。这不仅用于无电区,同样适合于城镇(在国外,主要依靠大量安装屋顶并网系统来发展太 阳能光电产业)。目前我国已能生产成套适合牧区人民应用的白光LED照明系统,其结构框图如图1所示。在一些城市也采用太阳能电池、蓄电池及光控电路组成 LED路灯,能自动地天黑点亮,天亮关断,其结构框图如图2所示。
利用太阳能转化成电能来替代火力发电是最理想的,但大规模地应用太阳能电能是一个大的系统工程。虽然我国已能生产大量的太阳能电池,但可惜的是95%用于出口,留在国内应用仅5%,目前利用太阳能点亮LED灯仅仅还在起步阶段。

4. 采用白光LED来取代白炽灯的研发工作起步不晚,在2004年后不少单位采用Φ5高亮度白光LED开发出小功率LED灯泡(15W)、15~20W的管灯 及40~60W的路灯、投射灯等产品,但并未量产。在我国南方一些工厂生产出各种1~5W LED灯泡及一些白光LED灯具,但大部分都出口而在国内市场上反而少见。目前成批生产的替代白炽灯的有:矿灯、各种手电筒、应急灯、小瓦数阅读灯及照明 灯等。另外,有一些城市用LED路灯作试点工作,但尚未普及。
用白光LED灯取代白炽灯达到使火电厂减少二氧化碳、二氧化硫排放及节电的意义是十 分重大的。北大宽禁带半导体研究中心张国义教授说:“如果全国居民用的电灯能有50%改用LED照明灯,每年节省的电量就是一个三峡发电站发电量的总 和。”从目前来看,用白光LED灯取代白炽灯还刚开始,在LED的用户中占很小的比例,不足LED年产量的3%。
发光效率突破100lm/W
随着半导体光电材料及工艺技术的进步及大功率白光LED的封装结构的改进, 使得这两三年内白光LED的发光效率有长足的进步。1~5W的白光LED从以前的发光效率为30~40lm/W提高到50~60 lm/W,最近又提高到80lm/W。有一些顶级的发光效率可达100 lm/W以上。例如,Cree企业的一种4W冷白光LED,其光通量分挡,在350mA电流时其最高挡可达107~114lm(其功率为0.35A× 3.3V=1.15W,其发光效率为93~99lm/W),典型的发光效率是80lm/W,而发展的目标是200lm/W。
 

表1列出目前各种灯类的一些主要参数,从表1中可以看出,在发光效率上白光LED不仅远远地超过白炽灯,也超过普通荧光灯、紧凑型荧光灯(节能荧光灯),这意味着:白光LED灯比它们更亮、更节电;而在寿命上则遥遥领先。
大 功率白光LED的发光效率的提高给设计白光LED灯创造了条件,目前逐步用1~3W大功率白光LED来取代小功率Φ5白光LED设计LED灯。用1个到几 个(或十几个)LED替代了几十个到几百个小功率Φ5白光LED,不仅增加了亮度、减小了体积,还提高了可靠性、简化了工艺。
例如,采用18个1W的白光LED组成的小型路灯可发出1440lm光通量,若采用白炽灯则需要100W。另外,用一个65lm的1W白光LED做成的强光手电筒,它可照射几十米远;若采用Φ5LED来做则是不可能做到的。
LED灯难进百姓家
上面已先容了白光LED的特点及性能的提高,并开发出应用于各种场合的白光LED 灯,但LED灯难进百姓家。这不是生产上存在什么难题,主要原因是白光LED照明灯的发光效率还不太高,并且价格太贵,使一般百姓家难以接受。以家庭常用 的白炽灯、节能荧光灯与相同亮度的白光LED灯的价格比较目前1W白光LED的单价是8~10元,3W的单价是20~25元(与LED的质量及品牌有 关),另外还要驱动电路及结构件。再考虑生产厂家的利润及商业利润,则单价可能要120元以上。从表2可以看出:9W节能荧光灯的发光效率与LED差别不 大,但单价要比同样功率的白光LED灯价格低十几倍以上。这是白光LED灯难进百姓家的主要原因。要等到大功率白光LED的价格降低8倍左右、发光效率提 高到150lm/W时,LED灯才能普及,这可能要等几年。节能荧光灯的上市到普遍应用也有近二十年时间(这有质量上的提高及价格下降的过程),白光 LED灯的普及可能要比节能荧光灯快些(Φ5高亮度白光LED上市时单价大于1.5元,现在批量单价已降低到0.125~0.15元)。
 
LED灯路在何方
白光LED照明灯的推广及普及的意义十分重大,但真的要在我国进入百姓家还有很多工作 要做,要在技术上(发光效率达到120~150lm/W)、价格上(要比现在的价格降低8~10倍)有重大的突破,还需要不断的努力。白光LED照明灯的 推广及普及工作是一项系统工程、重大项目,需要国家的规划、引导及扶持,在政策上及经济上的支撑。
我国现在在上海、南昌、大连、厦门已建立四大半导体照明基地及有关科研单位,他们将对LED灯的推广工作起到重大作用。
目 前LED照明灯虽然还难进百姓家,但是还有很多领域可以大量地应用LED照明灯。这些领域的应用可促进大功率白光LED的生产、可促进技术的提高,并可降 低生产成本。在LED照明设计、应用上也可获得更多的经验,有利于将来的推广。这些应用领域都是用电大户,对节电能起到很大作用。它们是:
1. 城镇街道的路灯系统(包括太阳能路灯系统);
2. 隧道及地下停车场(包括地下商场);
3. 交通工具的照明(汽车、电车、轮船、飞机等的内部及部分外部照明灯);
4. 大的公共场所的LED照明系统,例如火车站、地铁站、飞机场、大型超市、大型百货企业、大厦及医院等;
5. 无电区的LED灯照明工程。
由 于LED照明灯一般采用低压直流(恒流)供电。若采用交流220V市电供电,需要专门的变电装置输出低压直流电(如12V、24V等)并由LED驱动器来 驱动LED灯,如图3所示。所以最好在新建这些建筑时就考虑到用LED灯,则在建筑设计中都把它设计在内,这要经济得多。而归建筑原用日光灯的照明系统要 改造成LED照明,则改造的费用大、改造的时间长(如改造一个地铁站或一个候机大厅的照明系统)。
新建LED照明供电系统需要比传统照明供电系统要复杂些,费用要高得多,如果没有政策的支撑及经济的扶持是难以成功的。
 
图3  给LED供变电电路
结束语
LED灯的应用是一个综合技术的应用,它涉及到LED、太阳能电池、蓄电池、AC/DC转换器、LED驱动器等各个领域的技术。但目前关键技术问题还是LED的发光效率不够高、生产成本不够低。要使LED灯进入千家万户,可能还要等几年。
 

  
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