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白光LED照明节能技术现状及展望

摘要：本文介绍了基于白光发光二极管（LED）技术的高效节能照明系统的研究现状与发展前景。在基本照明特性方面引入了三种类型的白光LED，这些特性与发光效率和显色性的改善有关。并且演示了使用高效白光LED照明系统的实际应用。

关键词：白光LED；节能；发光效果；显色性；全球变暖

1. 介绍

发光二极管（LED）是当正向电流施加到半导体的PN结时发光的元件。目前商业化的LED由III-V族混晶半导体（三元，四元）制成，如GaAlAs（红色），AlInGaP（黄橙色），InGaN（蓝色，绿色），AlInGaN（紫外线）等。以往的LED大多用于显示（可见光或感应），随着时代的发展，LED逐渐变为固体光源或具有与传统灯泡和荧光灯管相同的照明功能的装置。

白光LED照明技术于1997年在日本开发。它的基本配置主要包括一个LED芯片和一个荧光元件，特别希望用固体照明系统来取代白炽灯泡和荧光灯。

开发适用于照明的节能技术非常重要，照明不低于民用电能消耗的20％。为了使白光LED照明光源具有比白炽灯泡和荧光灯更高的能源效率，白光LED照明的研究和开发正在世界各国进行。2007年11月，第一届白光LED和固态照明国际会议将在东京举行，届时将展示前沿的研究成果。

敦促日本实施节能措施，确保能源消耗减少到5600万千升原油（相当于6000万碳吨）。特别的在民用和运输部门实施节能措施，对白光的发展抱有很大的期望。 LED照明系统作为增强技术通常用于照明设备的节能上；这种预期导致节能减排效果相当于204万吨二氧化碳（CO2）的下降。

本文将讨论白光LED照明技术创新及其节能的研究趋势，并回顾其扩展使用的措施和问题。

1. 白光LED照明系统的技术创新

2.1. 白色LED照明

目前有两种主要的系统可以产生白光，如图2.1所示。 一个是图2.1中的（a）项所示的三波长系统，通过三个LED的组合产生白光，即红色（R），绿色（G）和蓝色（B）着色；另一个是系统用混合光和具有InxGa1-xN系列蓝色LED或近紫外LED的荧光元件组合产生白光，分别如图2.1（b）和（c）所示。使用三个彩色（RGB）LED来产生白光需要每个LED的电源来平衡它们的发光强度。更糟糕的是，每个光源都有自己特定的光照特性，在反射的表面上产生不均匀的颜色混合，导致光照不足。

图2.1 白光LED的结构和特点：（a）通过彩色RGB LED，准白光；

（b）通过蓝色LED和荧光粉；（c）通过近紫外LED和荧光粉

目前市场销售的子弹形白色LED（蓝色/ YAG型）如图2.1（b）所示（其用作液晶显示器，照明，墙壁显示器等的背光）。人眼将蓝色和黄色的混合物识别为白色（准白色），但它有一些问题。因为这两种颜色是互补的，所以所产生的浅色可能受到色调隔离，并且颜色对温度和电流有着很强的依赖性，并且由于缺少绿色和红色元素而具有不足的显色性。蓝色和黄色的色调分离出现在照明表面上。

光源需要高质量的光，这是因为当我们看到物质时，我们会看到物质上反射的颜色。光源的光谱影响物质的表面，这种现象称为显色。如果颜色光源的光谱不等于阳光或来自灯泡的光，则物质的颜色被认为与自然颜色不同。在近紫外区域，如果发现具有更高效率的荧光元件或具有更高耐久性的密封材料，将获得具有更好显色性能和更高发光效率的白色LED。图2.1（c）显示了由近紫外辐射激发的荧光物质类型的白色LED的结构和特性。

本文作者发明了由近紫外线激发的白光LED照明原理。该原理类似于三波长荧光灯，其原理是近紫外光通过荧光物质中的光致发光过程转换成可见光。该技术提供的白光LED质量高于图2.1（b）所示的蓝/ YAG类型。 这两种类型的白光LED虽然都是荧光材料转换成而成，但是在产生白光的物理原理上是不同的。在蓝色/ YAG类型中，来自蓝色LED的尖锐蓝光是白色配光不可避免的元素，然而，温度和正向电流对配光产生强烈的影响。另一方面，近紫外光不是直接产生白色的元素，因此只能够提供足够的颜色混合特性和均匀的光分布。

2.2. 提高光源的发光效率

图2.2显示了光源的发光效率趋势。从图中可以看出，每个光源都有着上升趋势的一年，但除灯泡型荧光灯外，其发光效率没有显著的上升趋势。1997年诞生的白光LED在最近几年内实现了大约10倍的效率倍增。光源的发展和新光源的出现是提高效率的必然趋势，而在21世纪，它的不同之处在于固体光源的系统开发正在变得流行，这与传统的光源不同，主要是通过灯泡和放电灯。目前，蓝/ YAG方法的发光效率在实验室水平为100 lm / W或更高，而在近紫外激发方面，通过改变色温，发光效率超过60至120 lm / W， 两者都接近高压钠灯（140 lm / W）的水平。

在过去的十年中，每年都会出现新的高输出型白光LED，这伴随着LED应用工程的新发展。子弹型LED足以使应用发出高度定向的光。表面贴装LED具有良好的散热特性，适用于高输出，并且通过施加高电流可以获得大的光流（数十流明或更高）。此外，通过在电路板上安装几十个LED多芯片，可以制造一个紧凑的集成LED光源，其光流量可以提高到160流明/瓦。现在可以通过单个LED元件获得每瓦约100流明的亮度。

图2.2 光源发光效率的变化趋势

表2-1给出了图2.2中，每种光源对应的变化趋势。

表2-1 光源与编号对应关系

1. 有效的节能和特殊活动

3.1. 节能效果

当白光LED的实际光源和设备的效率达到120 lm / W时，由于LED照明的部署将产生节能效果，如表3-1所示，

表3-1 LED照明市场和未来估计

约26亿千瓦时，相当于63万千升原油。 这个数量约占日本所有家庭年度能源消耗总量的1.1％，可以转化为相当于5050万日元电费的成本节约。

政府在2010年实现节能目标是民用部门的原油当量为1860万千升。大约3.4％的民用部门目标只能通过LED照明的效果来实现。 这个值当然代表了LED照明部署的直接影响，如果考虑到由于更少的灯被更换产生的热量和节约资源而导致的冷却效率提高所产生的间接影响等等。预期会有更大的优势。此外，这种光源不含汞，可以说它提供了更好的安全性和足够的环境保护。

图3.1 彩色和白色LED光源和产品的典型应用及其每年的成本估算

图3.1显示了自1998年以来白光LED光源的年发光效率和商业化产品示例的趋势，以及预期的产品到2010年实现商业化。同时，那里显示了每片白色LED的预期成本降低。基于经验丰富的样品应用，未来将制定新开发概念下的白光LED光源，并且在2010年左右之后，普通照明的白光LED将变得切实可行。

3.2. 应用实例

图3.2显示了安装在山口大学工程部设施中的太阳能电池白色LED路灯。这种类型的灯有100多台在日本投入使用。除了具有200W容量的一般水银路灯外，引入具有50W容量的白色LED照明系统，提供与灯相当的亮度，可以减少每一盏灯每年产生10.4吨二氧化碳。

图3.2 安装在山口大学工程学设施内的白色LED照明路灯

图3.3是应用于美术馆的白色LED照明系统的一个例子，其中在油墨画上获得相同的发光强度，具有高显色性的三A荧光灯（240W级）或白色LED使用照明系统（28 W），后者系统仅消耗前者消耗的能量的八分之一，从而产生显着的节能效果。因此，发热也受到抑制，并且由于这种受控条件，可以对绘画最有害的湿度波动限制在最低水平。在图3.3 中，左边三个挂轴是白色LED照明，右侧四个挂轴属于传统的三A荧光灯。

图3.3应用于山口县立美术馆Sesshu展览的白色LED照明系统示例

在日本，LED系统被用于各个领域的交通信号。通过用LED类型替换所有当前的灯泡型交通信号，每年的节电量达到8.3亿千瓦时，相当于大约20万千升的原油节能。 此外，人们认为荧光型纯绿色LED照明的部署将加速节能水平。

如上所述，预计在2010年之后将用LED照明系统替换所有灯泡，荧光灯等大约占10％，并且最终日本的LED照明的市场规模将为约5000亿日元。考虑到日本政府在2010年实现节能目标，LED照明系统可以让每个市民轻松采取节能措施，这可能会让人们真正感到他们正在为环境保护做出贡献。将来只购买LED照明系统可以确保任何人都有可能为防止全球变暖和环境保护做出贡献。

图3.4日本照明工程研究所“白光LED照明环境特别调查委员会”编写的路线图

日本照明工程研究所白光LED照明环境特别委员会特别调查委员会通过性能评估，与传统光源相比，制定了“路线图”，包括白光LED光源的特点和未来前景。灯泡，卤素灯泡，圆形荧光灯，高频荧光灯，双型荧光灯，高压汞荧光灯和金属卤化物灯。图3.4显示了截至2020年的白光LED光源（lm），系统应用和成本性能（yen;/ lm）的路线图。为了加强未来照明的应用开发，有必要为白光LED的照明技术和系统设施定义基础设施并制定国际标准。预计白色LED的全面普及将在2008年或之后开始，届时其成本将降至每流明一个日元左右。除此之外，为了推进LED的使用和应用的照明系统，设计理念，市场和文化，有必要为其独特的照明环境提供建议，与半导体工程师，照明工程师和照明设计师建立良好关系非常重要。

1. 加强扩大使用和前景

实现LED照明系统意味着LED从单纯的显示技术变为照明技术。实现这一变化，预计到2020年LED产业将增长到这一规模，因为它将支持相关的国家工业部门。据推测，电力系统的整个概念，包括电力传输和分配系统，通信基础设施，可能会受到变化的影响。但是，目前可以看到一些实际商业化利用的例子，如图3.4所示。一般照明系统必须灵活设计和安全。因此，白色LED照明系统具有对抗尖锐方向特性的措施，蓝光（波长440nm至460nm）和紫外线（波长不超过360nm），对人眼和皮肤有害，而不是包括汞和铅等有害物质，是开发一般照明用光源的必然技术。

表4-1显示了未来估计的应用领域的预期，其中白光LED照明系统到2010年扩展到现在的条件和当前问题，如图3.1所示。

表4-1未来对LED照明应用的期望