低碳经济下的LED节能灯应用及技术研发方向分析_图文

1、2011年9月第22卷增刊照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOSep2011低碳经济下的LED节能灯应用及技术研发方向分析孙建国(南京汉德森科技股份有限公司,江苏南京211100摘要:在当前全球能源短缺的忧虑再度升高,供电日趋紧张的背景下,世界各国均不约而同地开始了新型照明光源的探索。以发光二极管(LED为光源的LED节能灯具凭借节能、环保、寿命长的特点逐渐开始占据市场,来替代白炽灯泡、灯泡型荧光灯等传统灯泡,近来更是备受关注,并且有望在普通家庭中广泛使用。本文将从LED 节能灯具应用前景及技术研发方向上进行宏观和微观分析,阐述LED节能灯具研发的特点,研发中需要解决

2、的主要问题,以便于在室内照明领域的应用设计提供新的思路和突破口。关键词:低碳经济;LED;节能灯具;应用;技术方向LED Bulbs Application and Analysis of RD DirectionUnder Low-carbon EconomySun Jianguo(NanJing Handson Co,Ltd,Nanjing211100AbstractThe current whole world shortage of energy the anxiety elevates once again,under the power supply tense backgroun

3、d,various countries as if by prior agreement started the new lighting source exploration day by dayTake the light emitter diode(LEDas the photo source Replace the type of sexual orientation LED bulbs rely on the energy conservation,the environmental protection,the life long characteristic to start t

4、o occupy the market gradually,Italy substitutes the incandescent lamp bulb,traditional light bulbs and so on light bulb fluorescent lamp,recently receives the attention,and hopefully in ordinary family widespread useThis article will carry on macroscopic and the microscopic analysis from Replace the

5、 type of sexual orientation LED bulbs application prospect and in the technical research and development direction, elaborated Replace the type of sexual orientation LED bulbs and lanterns research and developments characteristic,in the research and development needs to attack and capture the subjec

6、t matter,will be advantageous for Replace the type of sexual orientation LED bulbs to provide the new mentality and the breach in the interior lighting domain application designKey words:low carbon economy;LED;bulbs;application;RD direction1引言科学研究发现,LED(LightingEmittingDiode即发光二极管,是一种半导体固体发光器件,其被称为第

7、四代照明光源或绿色光源,它采用固体封装,结构简单、耐冲击、耐振动;同时,LED光源无紫外光、红外光等辐射,且能避免荧光灯管破裂溢出汞的二次污染,具有节能、环保、寿命长、体积小等特点,理论上可实现比白炽灯节约能耗80%,比荧光灯节能50%。一位美国专家曾指出,LED半导体已在电子学方面完成了一场革命,一股LED照明Vol.22增刊孙建国:低碳经济下的LED 节能灯应用及技术研发方向分析85热潮席卷全球,掀起了照明行业“产业革命”,LED 照明产业正在进入快速发展阶段,如图1所示,美国、日本、韩国、欧洲等国家和地区基于能源效率考量,纷纷制订了自己的“半导体照明计划”,陆续提出了禁止白织灯的生产与销

8、售应用计划,并由政府部门进行强制照明节能推广,LED 作为一种新型的绿色光源产品,必然是未来发展的趋势。国家节能措施澳大利亚3年内将逐步禁用白炽灯泡欧盟2010年,全部使用节能型照明设施加拿大宣布到2012年将禁止销售白炽灯泡美国包括加州在内的部分州,将于2012年禁用白炽灯泡日本到2012年止,停止制造销售高能耗白炽灯韩国至2015年将有30%灯泡采用LED 光源中国未来十年内将禁用白炽灯泡台湾2009年淘汰一部分,改用LED 光源照明,2010年起陆续停产白炽灯图1各国家和地区制订的“半导体照明计划”图 图2全球LED 照明市场产值预测统计表2008年北京奥运会的成功举办,也给了LED 照

9、明集中展示的机会,使人们对LED 的概念有了新的认识,如图2所示,全球LED 照明市场产值预测,LED 室内建筑照明占有很大的比例,另据中国LED 照明网预测统计,在奥运的强力带动下,中国LED 照明市场规模将从2007年的120亿元快速增长至2010年的250亿元,LED 将逐渐进入主流照明体系,而目前,我国照明行业年产值已达1000多亿元,发展LED 节能照明成为全球产业的焦点。2LED 节能灯具与传统灯具相比具有的优势在室内照明领域,主要应用的传统光源一般包括白炽灯、卤钨灯、荧光灯、金卤灯等,这一类光源耗电量大、颜色和控制方式单一,且光源热辐射大,在某些特殊场所的应用受到了一定的局限;L

10、ED 光源除了节能、环保、寿命长、无辐射、无污染等优点之外,在照明领域中,特别是在功能性照明中,还有很多优势,如:低压供电、恒流驱动、可靠性高;结构牢固、耐冲击具有固体光源的最大优点;可控性好响应时间快,无频闪,色彩丰富三基色技术;结构封装形式多种,使LED 灯具能适应各种几何尺寸和不同空间大小的装饰照明要求,如:点、线、面、球等形式,乃至任意造型的灯具设计;其在LED 室内照明领域应用与传统室内照明灯具对比,具有目前其他灯具无法比拟的优越性,如图3、图4所示,在同等使用条件灯具类型数量传统灯具功率LED 灯具功率筒灯10025W 6W 吊灯5036W 10W 吸顶灯2560W 18W 格栅灯

11、10090W 36W 射灯5040W 5W 合计32516800W5400W图3传统灯具与LED 灯具功率对比表86照明工程学报2011年9月及照明效果的情况下,LED 节能灯具耗电量只有传统灯具的三分之一,于是LED 节能灯具以长寿和更节能的性能优势大大降低了灯具的成本,因此在节能和节约成本等方面具有显著的优势以及广阔的发展前景。名称传统灯具功率LED 灯具功率功率(W 168005400投入成本(万元 1.97511.35年耗电费用(万元(280天/年,8小时/天,1元/度3.7632 1.2096年维护费用(万元0.80.1五年总费用(万元2节约成本(万元图4传统灯具与LED灯具成本对比

12、表 图5小型的LED 射灯或LED 球形灯泡3LED 节能灯具主要分类当前市场上的节能灯具种类繁多,通常可以分为稀土三基色紧凑型荧光节能灯、日光型荧光节能灯,在日常生活中通常使用的是稀土三基色紧凑型荧光节能灯,一般地,三基色荧光节能灯主要是按灯管外形来分类,用英文字母来象形化地命名,例如:H 、2H 形、U 、2U 、3U 形、2D 形、O 形、T 形和螺旋形等;不同的外形,能适应不同的装配等需求,有的还在灯管外面罩上一个透明或磨砂的外罩,用于防护灯管和使光线均匀,而技术比较先进并且更环保的要算LED 型节能灯,这里说的LED 节能灯具主要是指非定向性出光角度,发光角度大,且可以调整角度,出光

13、角度可以接近360理想化的用于室内照明的LED 光源灯具,如图5所示,包括一些小型的LED 射灯和LED 球形灯泡两大类,主要接口类型有MR16,GU10,E27系列,此外还有E26、E17、E14、E11等类型。颜色为白色或者暖白色,两者都可用于替换传统白炽灯。两者的主要区别在于,前者发出的光线是方向性的LED 灯泡,一般发光角度较小,从10到50不等,后者发出的光线为发散性的LED 灯泡,发光角度较大,通常在100以上,而适合在家庭或办公场所照明通常是比较大的出光角度,故此,LED 球形灯泡类的节能灯将有可能成为未来的照明领域中最具有竞争力的产品。此外,按照功率来分,LED 节能灯泡可分为

14、:小功率和大功率两种类型,小功率一般指单颗光源功耗低于1W 以下,其工作电流一般在几十毫安,所以功率较小,而大功率主要为单颗光源功耗1W 或以上,目前有1W 、3W 、5W 等常用型号可供选择;其中,早期也有小功率的LED 射灯、球形灯泡设计和生产,并已在大规模使用,但其质量和寿命不是很稳定,这类产品主要是在国外的零售商场及网站上进行销售;而大功率的LED 节能灯为最近2 3年才开始使用和推广的,总体来说要比小功率的LED 灯泡效率高、寿命更长,随着大功率LED 光源的价格下降,大功率LED 节能灯泡将会成为市场主流。4LED 节能灯具推广和普及上存在的问题目前,LED 节能灯具的使用主要集中

15、在美、欧、日等国家和地区,LED 节能灯产品在国际上得到广泛的响应,但在我国的应用却很缓慢,我国LED 节能灯具普及率相对较低,而白炽灯目前每年销量仍达20亿只左右,中小城市居民白炽灯的使用比例一般在50%以上。虽然LED 节能灯长寿、节能、环保的性能优势,但现阶段的LED 节能灯产品普及还存在不少需要解决的问题,如:价格还要降低,市场需要重新定位,质量稳定性还需要进一步提升等等。4.1价格偏高,市场难以推广普及除了国内政策引导与国民消费理念有待提高之外,在市场实际推广工作中,产品价格偏高、技术尚未完全成熟也是阻碍市场普及的重要因素,在照明、使用寿命等方面很有优势,但是LED 节能灯相Vol.

16、22增刊孙建国:低碳经济下的LED节能灯应用及技术研发方向分析87对于其他节能灯具产品的价格来说是比较贵的。从消费者分析来看,主要有两大类,一类是采购商,一类是终端消费者,由于LED市场现在的渠道效应不明显。目前LED灯泡的采购商没有明显的特征,采购商主要有分销商,网上商店,建筑照明工程商以及做节能系统改造的承包商,无论是哪类采购商,都有可能经常会接到小工程,而做灯饰亮化的采购商,主要采购LED景观及户外亮化的工程类灯具,对于室内功能性照明中LED灯泡的可能性不大。第二类是终端消费者,终端消费者主要有以零售商店为代表的商业用户,和以家庭为代表的个人用户,以零售商店为代表的商业用户的采购倾向于在

17、当地完成,具有地方保护主义特色。另外一方面,目前LED灯泡市场上,不论是生产商、采购商还是终端客户,都不够专业,大多数还只是凭经验或者外观等主观臆断来判断产品质量的好坏,在产品外观雷同的情况下,价格起主导作用。4.2市场地域化分布不平衡、竞争力不强从供应商及产品销售分析看,市场上LED节能灯具的生产商和出口商主要集中在日本、中国台湾和大陆,整体上,日本、中国台湾厂商的设计及生产工艺比大陆要先进许多,而且日本厂商的销售手段也比大陆厂商高明一些。日本厂商的新产品推出很多是以切入某个应用市场为目标的,针对性很强,凭借其强大的技术研发能力迅速占领市场。国内厂商LED节能灯主要存在两种销售形式,第一种是

18、公模的LED大功率或者小功率灯泡;第二种是自己开模或者仿制大公司的LED灯泡的(如Philips、Osram、特别是Philips,前者代表了低档次产品的竞争,价格为主要决定因素;后者代表了自行开发和研制的产品,或者是靠抄袭来加入竞争,比较危险,可能涉及知识产权的诉讼;另外,没有发展固定代理商,而且代理商的实力不是很强;以外贸的形势销售产品,而推广渠道主要是靠展会,销售模式单一,所以,大陆厂商的主要竞争是在价格上的优势,即人力资源和原材料的的价格优势,而技术竞争力不强。4.3品牌化竞争战略意识薄弱,市场不能拓宽在卤素灯、白炽灯和传统节能灯之间,传统节能灯在宣传上是用来替换白炽灯和卤素灯,很少看

19、到宣传LED节能灯具是用于替换传统节能灯的,在国内经济较好省市有少量宣传,对于内陆及西部地区,却寥寥无几,人们根本就不知道LED灯具与传统白炽灯、荧光灯、传统节能灯的区别,更不会关注到LED节能灯的品牌了。对于一些非照明制造型的企业虽然也在销售LED节能灯具,也有自己的研发和生产线,但这些公司一般不自行设计和开发产品,多数为代工工厂,没有形成自己的自主品牌;其次就是生产通用的产品,使用通用的模具,把价格做很低。目前来说,这两种都有其生存空间,但是长远来说,在市场游戏规则(产品国家标准确定之后,一些小厂将会出局,LED节能灯与其他节能产品或者节能技术一样,在其推广普及初期都会在市场遇冷,而最终形

20、成品牌化竞争的局面,需要市场与消费者有一个时间与实践的过程。4.4配套电源稳定性不够高,影响产品整体质量当大家都在宣传LED的长寿命时,忽略或避开了另一个决定LED灯具寿命的关键问题,那就是LED驱动电源的质量,其质量品质的高低,除了要有好的光源保证之外,电源也是影响LED灯具可靠性和适应性的一个重要组成部分,目前我国的市电是220V的交流电,而LED光源属半导体光源,与荧光灯的电子镇流器不同,通常是用直流低电压供电,需要在这些灯具中或外部设置AC-DC转换电路,并同时完成与LED的电压和电流的匹配,以适应LED电流驱动的特征。目前电源选择的途径有开关电源、高频电源、线性恒流电源等多种,根据电

21、流稳定性,瞬态过冲以及安全性、可靠性的不同要求作不同选择。各灯具厂商为了灯具产品结构的整体优美,通常设计会把电源与LED灯壳结构紧密设计在一起,LED的发热与电源的发热叠加,这样电源和LED光源都处在恶劣的工作环境中,当工作环境的温度超过一定的温度时,电源及LED的寿命严重缩短,因此,LED节能灯出现不能达到几万小时的使用寿命,大多数原因是因为电源质量或是结构设计不良,而影响产品的整体质量。5LED节能灯具尚待解决的主要技术及研发的方向从室内照明应用来看,合适的照明效果需要的产品功率范围如下,LED光源灯具在10W左右功率,荧光灯大多在7 15W功率,节能型日光灯在20 40W功率,而LED节

22、能灯具结构要符合替代现88照明工程学报2011年9月有传统灯具的接口方式,还要考虑本身的LED散热要求,通常有以下几种方案和思路。从光源选用上可以分为小功率发光管或大功率发光管,大功率的发光管又可以分为单颗或集成封装的两种方式,散热灯体材质一般为铝质散热器。实践证明,小功率发光管具有成本低的优势,但光衰明显,寿命很低,并且用的数量太多,生产加工不方便,逐渐被市场所淘汰,而采用集成芯片的LED光源封装,平均照度值低,出光效率低,中心热量大并且很集中,往往出现散热不及时,温度会超过LED的内部结温,导致LED失效;从成本考量及不断增长的LED亮度来说,10 20W符合未来LED照明光源发展要求,如

23、果用LED集成设计10W 以上的功率,散热会很难处理,也是影响成本的重要因数,待光效值达到150lm/W时,才是LED照明大呼节能辉煌时代;另外,在结构设计上,存在的方案主要是结构整体化设计,灯罩与散热器或透镜各部分之间由螺钉连接或者粘胶粘接,光源及散热基板部分还填充胶体封死,这种方式使得灯具不易组装或拆卸,而且当其中某个部件出现问题时更换不方便或者不能更换,更换的部件也不能再使用,造成浪费;另外,灯具通过散热片、铝基板这方面来缓减LED产生的热量,此种条件下需要把温度控制在LED芯片结点温度以下,但如果胶体过厚,热阻过大,散热不良,很难以保证LED预期的使用寿命。在二次配光设计上,通用做法,

24、是以灯体散热器为主体,在灯体上设有灯罩,在灯体的中心凹面底部设有光源,出光玻璃或透镜固定在LED光源上方,由于光线透过透镜和灯罩的作用,出光效率大大降低了,同时,灯罩或玻璃较薄,容易破碎;如果不对透镜进行特殊处理,大规模批量生产,还会有眩光的影响,则必需增加适度成本来解决此类问题。基于上述现有技术研发特点,针对LED节能灯具的未来研发方向,总结LED节能灯具在室内照明领域的一些设计要点和经验,以便于推动LED节能灯具节能技术的应用和实施。方面产品多样化、系列化应用于商业照明和家居照明两大领域的传统灯具可谓是名目繁多,主导着室内照明的方向,而目前应用于室内照明LED产品主要就是LED杯灯、LED

25、射灯、LED筒灯、LED格栅灯、LED吊灯、LED节能灯等装饰性照明灯具,产品系列化,具有通用标准灯头,可选择GU、E、MR标准连接灯头组件,直接引入交流市电或者低压电源恒流给LED 供电,可直接替换现有卤素灯、白炽灯、荧光灯,其他常见的传统灯具则少见LED光源的应用,市场的潜力巨大。产品集成化、智能化大功率LED平面集群封装,LED采用高可靠的先进封装工艺共晶焊,充分保障LED散热要求及使用寿命,从根本上满足了LED灯具结构及造型的任意设计,极具LED灯具的鲜明特色;由于LED 灯的可控性好,色彩丰富,结合智能化控制技术,与微电子技术实现智能化控制,可以构思出各种颜色的照明灯具。因此LED智

26、能化产品能够提供一系列的整体解决方案,这为室内照明的智能化管理提供了有效的渠道。透镜与灯罩设计一体化由于LED光源发光方向性强,可控性好,所以只要通过合理的光学处理,最大限度的利用其光通量,在照度方面,完全可以达到功能照明的要求,二次配光技术使LED点光源扩展为面光源,增大发光面,消除眩光,消除视觉疲劳;透镜同时具备聚光与防护作用,避免了光的重复浪费,让产品更加简洁美观,提高光通量利用率的同时,也最大限度的降低综合照明成本。LED灯具散热高效化LED是半导体光电器件,其工作过程中只有15% 25%的电能转换成光能,其余的电能几乎都转换成热能,使LED的温度升高,环境温度达到一定的限度就会很快产

27、生光衰,长时间过高的热会都带来稳定性和使用寿命的问题。因而,可靠的设计就需要良好的散热,未来灯具散热方式除了对本身LED导热材料的选择和优化之外,还要考虑灯具整体散热片外表的热交换方式,对于自然散热,灯体四周布置若干散热翅片效果较好,薄的铝翅片散热效果较好,通过将翅片变薄,可以增加翅片数量进而增加散热面积,还有另外一种方式,可以增加一个有效的腔体内外通风散热通道,散热效果会更好。即通过在壳体外表面设置散热孔直接与内部光源腔体导通,提供有效散热通道,避免传统的封闭式结Vol. 22 增刊 孙建国： 低碳经济下的 LED 节能灯应用及技术研发方向分析 89 构，只靠外部散热器散热的局限， 有效解决

28、了 LED 散热问题，合理提升灯具使用寿命。 只有解决大功 率 LED 的散热技术，才能大面积的推广大功率 LED 节能灯具的应用。 产品从人性化、艺术化的角度进行创意设计 LED 照明的变革将扩展人们的照明观念， 不同 的光色和亮度对人的生理和心理能产生不同的影响 ， 人们在很多情况下并不需要很亮的白光， 可能黄光 或其他颜色的光更适合生理和心理的需要 。 三基色 LED 可 以 实 现 亮 度、 灰 度、 颜 色 的 连 续 变 换 和 选 择，使得照明从普遍意义上的白光扩展为多种颜色 的光。外形小巧玲珑， 人性化的照明产品成了人们 的首选，而 LED 体积小，不像传统光源有玻壳、 易 碎

29、，且光线容易控制， 在灯具外观的人性化设计方 面给了 LED 灯具生产商无限的发挥空间，图 6 为室 内照明光源实际应用场所。 图6 室内照明光源实际应用场所 5. 2 LED 节能灯具研发中需要解决的技术 LED 节能灯具进入照明领域是新生事物， 具有 LED 的光效会达到 200 lm / W 左右的理想值， 所以 大功率 LED 灯具作为最被看好的新兴照明光源， 其 在 照 明 市 场 的 发 展 潜 力 值 得 期 待。 国 际 上， Panasonic、 Toshiba、 Sharp、 Philips、 Osran、 Ge 等 大公 司 都 有 LED 节 能 灯 产 品， 特 别

30、是 Philips、 Toshiba、Sharp 公司基于这种光源的照明灯具， 灯 具效率和配光曲线非常优秀。尽管 LED 光源有很多 独特的优势，但国内 LED 高功率光源厂商在这方面 却 是 困 难 重 重， 目 前， Nichia、 Osram、 Toyoda Gosei、Cree、Lumileds 等五大公司几乎控制了整个 白光 LED 产业，其专利 “雷区” 重重，使得想进入 这一领域的其他企业忧虑重重、 望而却步。 随着白 光 LED 的广泛、快速应用，以及各大公司在此领域 的大力投入，国内企业一方面可以寻求自主研发的 策略，另一方面， 可能通过专利技术许可方式解决 批量生产问题。

31、 发展高效率、 高功率因数、 价优的紧凑型模 块化 LED 灯具电源 产品质量问题关键在于如何做到质优价廉 ， 性 能稳定。LED 灯具供电简便， 既可直流供电， 又可 脉冲交流供电。 目前， 低效率的供电电源， 直接影 响 LED 节能灯产品的整体性能，节能效率和寿命严 划时代的意义。随着白光 LED 技术发展迅速， 仅从 发光效率这一指标来看， 已经达到了传统节能灯的 两倍，远远超过了白炽灯和卤素灯； 但是由于白光 LED 的成本限制及室内照明对光的质量要求很高 ， 白光 LED 还有许多需要改进行技术来适用 LED 室 内照明产品的要求，所以目前室内 LED 照明产品还 处于市场探索阶段

32、； 与任何新技术一样， LED 灯还 存在一些急需完善的方面。 研发 LED 高功率光源，提高光源效率 半导体照明 （ LED ） 技术发展非常迅速， 目前 120 lm / W 左右， 但距离达到照明的要求依然差距很大。 单颗大功率 白光 LED 发光效率已经达到 80 5W 的产 品 基 本 上 都 有 散 热 瓶 颈， 发 光 效 率 在 60 lm / W 上下， 而由于制造工艺的原因， 高导热率的 新型支 架 材 料 及 金 属 化 制 程， 照 明 领 域 的 大 功 率 LED 封装的关键技术是要解决器件散热的问题， 所 以首先要考虑的是必须选择具有高热导率的新型封 装支架材料，

33、其次是荧光粉制成工艺， 芯片内外量 子效率和荧光粉转换效率。 理论上， LED 的内外量 子效率 和 荧 光 粉 转 换 效 率 都 可 以 大 幅 提 升， 白 光 90 照明工程学报 2011 年 9 月 重缩水。LED 电源属于开关电源， 开关电源的质量 与可靠性取决于其电路设计， 生产工艺， 及器件的 质量。而开关电源的正常工作寿命要取决于电源所 使用的电解电容的寿命， 电解电容的寿命又取决于 电容本身的寿命及工作温度。 据有关研发机构测试 研究统计，电容温度 65 时的寿命只能保证约 8 万 小时，电容温度 75 时的寿命只能保证约 4 万小时， 电容温度 85 时的寿命只能保证约

34、2 万小时， 电容 温度 95 时的寿命只能保证约 1 万小时， 从以上的 推算，电解电容温度每上升 10 ， 寿命将会减半。 而灯具制造商考虑灯具设计的紧凑以求降低重量 ， 要求将电源体积做得小巧并安装在密闭的空间里 ， 其电源的散热条件受到限制， 对于元器件来说， 尤 其电容的寿命受到严重影响， 因此高的效率， 小的 体积及更好的散热设计是电源面临的挑战 。 研究新型 LED 二次配光技术 随着半导体领域科研的不断深入， LED 光源在 实际应用过程中也存在混光、 混色的均匀性、 透光 率、色温的矛盾问题， 通常出现点状光斑以及混色 不均匀现象。常规的做法之一是用蓝光芯片激发黄 色荧光粉，

35、呈现出的是黄绿色的暖白光， 且显色指 数不高，不符合家庭照明的要求； 另一种常规做法 是采用特定色温的荧光粉， 其缺点是所用的荧光粉 应用范围狭窄，规模化生产与应用范围的矛盾突出 ； 还有一种做法便是在正白光下覆盖琥珀色镀膜 ， 虽 然色温上能够符合要求， 但其不可避免地存在影响 光通量的缺点； 此外，由于二次透镜的选用不合理， 或者不能有效的无缝配合对接， 也可能出现眩光等 影响。因此，突破 LED 灯具在二次光学设计方面遇 到技术难题，有效地控制出光角度和光强分布， 各 种异形透镜的使用使大功率 LED 由点光源变成发光 均匀的面光源， 提高混光的均匀性和视觉舒适性 ， 在透光率和色温上突破半导体发光二极管应用的技 术壁垒，是目前本行业技术人员一个重要的研究方 向。 6 结束语 随着地球资源的日益紧缺， 节能减排已经成为 社会发展的必然趋势。 在照明领域， LED 节能灯具 有绿色、节能