孫仲良費(fèi)偉民孫加磊華東理工大學(xué) 上海交通大學(xué)

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綠色照明光源
——LED燈具的發(fā)展簡(jiǎn)述及在上海高校應(yīng)用初探

孫仲良1費(fèi)偉民2孫加磊2
1華東理工大學(xué) 2上海交通大學(xué)

摘要：介紹了LED照明技術(shù)的發(fā)展過程和應(yīng)用情況，并分析LED光源與其他照明光源燈具在技術(shù)參數(shù)和在節(jié)能、環(huán)保及使用壽命等性能指標(biāo)諸多方面的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：綠色照明；LED光源；發(fā)光效率

LED（發(fā)光二極管）被稱之綠色照明光源，其最大優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)［1］。近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，LED光源產(chǎn)品發(fā)光效率已達(dá)到100 Lm/w 以上，其節(jié)電率可達(dá)普通白熾燈的80%以上，約是一般節(jié)能燈的30%，LED作為綠色照明光源，替代傳統(tǒng)的照明光源，取決于LED光源燈生產(chǎn)技術(shù)和工藝的全面提高和生產(chǎn)成本的下降，近10年來，隨著其技術(shù)不斷創(chuàng)新，以及生產(chǎn)工藝的提高和規(guī)模化發(fā)展，已大有取代傳統(tǒng)的照明光源的趨勢(shì)。

1　LED燈發(fā)展概述

據(jù)報(bào)道［2］，早在1907年，人們已發(fā)現(xiàn)某些半導(dǎo)體材料制成的二極管在正向?qū)〞r(shí)有發(fā)光的物理現(xiàn)象。在1955年時(shí)，美國(guó)無(wú)線電公司（Radio Corporation of America）的Rubin Braunstein發(fā)現(xiàn)了砷化鎵（GaAs）與及其他半導(dǎo)體合金的紅外線放射作用，到1962年美國(guó)通用電氣公司（GE）的Nick Holonyak Jr則研制出可見光的LED。直至1969年，才研制和生產(chǎn)出有紅光的并具有一定發(fā)光效率的LED。緊接著LED綠色等光源也相繼研制成功，但仍缺少了三原色中的藍(lán)色光源，就無(wú)法獲得可用于照明，且能讓消費(fèi)者感受既舒適又健康的白色LED光源。LED藍(lán)色光源的開發(fā)，針對(duì)氯化鎵（GaN）半導(dǎo)體材料的研究獲得重大突破是在1995年，并在1998年這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品的商品化。很顯然，藍(lán)色光源LED的研發(fā)成功使得LED光源替代傳統(tǒng)照明光源成為可能。但真正全面替代，要走的路還很長(zhǎng)，特別是藍(lán)色光源在整個(gè)光源組成中的作用程度，盡可能減少對(duì)視力的影響諸問題仍是需要關(guān)注的。

2000年以來，美國(guó)、日本、臺(tái)灣、韓國(guó)等一些國(guó)家和地區(qū)進(jìn)一步加大了LED照明技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)品商品化的力度，以LED光源的發(fā)光效率和成本效益為目標(biāo)，使得LED燈的技術(shù)有飛躍的發(fā)展。LED燈光源在20世紀(jì)60年代研制時(shí)采用CaAsp材料產(chǎn)生的紅色光源（λp=650 nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20 mA時(shí)，其發(fā)光效率約為0.1 Lm/W。至20世紀(jì)70年代中期，LED導(dǎo)體材料引入元素In和N，使得LED可產(chǎn)生綠光（λp=555 nm），黃光（λp=590 nm）和橙光（λp=610 nm），相應(yīng)的發(fā)光效率也提高到1 Lm/w。到20世紀(jì)80年代初，針對(duì)LED光源所用材料的進(jìn)一步研究和探索，以及CaAlAs的成功應(yīng)用，使得紅色光源的LED的光效達(dá)到10 Lm/w。到20世紀(jì)90年代，藍(lán)光CaInN 新材料的開發(fā)成功，LED光源已能發(fā)出人們所需要的紅、橙、黃、綠、藍(lán)等諸多種色光，從而使得LED的光效也得到更大的提高［3］。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著LED技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使得LED光源的光效有數(shù)量級(jí)的提高。LED燈的綠色光源的光效已達(dá)到50 Lm/w，其紅色和橙色區(qū)域的光源光效可達(dá)到100 Lm/w。目前，用于照明的LED光效最高的可達(dá)到250 Lm/w。

2　LED產(chǎn)品應(yīng)用及其性能

LED光源的特點(diǎn)是以單色光為一個(gè)基本發(fā)光體，LED光源的初級(jí)產(chǎn)品是信號(hào)燈，最早僅僅只能利用單色光用于儀器儀表的信號(hào)指示燈和特殊場(chǎng)合的照明［4］。例：礦工燈、潛水燈、礦工燈蓄電池?zé)艟摺⑹蛛娡?、汽車照明等?/p>

由于LED光源的啟動(dòng)和運(yùn)行電流量極小，耗能非常低，使得其與電腦程序控制能很好結(jié)合的優(yōu)越特性，利用LED光源單色光的特性和紅、綠、藍(lán)3基色原理，在計(jì)算機(jī)控制下，使3種顏色進(jìn)行任意的混配，形成不同光色的組合便很快發(fā)展到交通指示燈，指示牌，廣告牌和大屏幕顯示的應(yīng)用，LED光源在背光照明領(lǐng)域得到非常理想的應(yīng)用，已廣泛用于各類電子設(shè)備功能顯示背光源，筆記本電腦背光源，大型LED顯示器背光源等。其中手機(jī)顯示的背光源是LED應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。大型LED顯示器背光源也不甘落后，上海陸家嘴金融中心建成的全彩色LED顯示屏長(zhǎng)度達(dá)100 m、寬度達(dá)36 m，總面積為3 600 m2的超大型視頻屏幕被譽(yù)為世界第一。

藍(lán)色光源的開發(fā)應(yīng)用還發(fā)展到與太陽(yáng)能光伏的應(yīng)用，例：太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能路燈、水底燈。目前LED照明已普及到室內(nèi)外的各類燈具，例LED書寫照明燈具和教室照明用的各種類型的LED燈具。

LED光源的技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展之快與傳統(tǒng)照明光源所不同，其LED芯片自身具有的優(yōu)勢(shì)相關(guān)。其主要有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）電壓范圍寬，低壓微電流狀態(tài)下即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)；

（2）芯片體積小，固態(tài)封裝，被封裝的芯片不怕振動(dòng)，不損壞，方便運(yùn)輸和安裝；適用于特定或差的環(huán)境；

（3）使用壽命長(zhǎng)，是傳統(tǒng)鎢絲燈的50倍以上；

（4）綠色環(huán)保，與傳統(tǒng)光源比較，制作材料中不含鉛、汞。

隨著更多用于LED光源材料的研發(fā)成功，熱阻也逐漸下降，LED燈的發(fā)光效率普遍提高，燈光的品質(zhì)也不斷提高，其產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)也更為凸顯，特別是昂貴的生產(chǎn)成本的下降，其價(jià)格也從1965年全球第一款紅色光源的商用化LED燈的45美元降低到現(xiàn)在約20元人民幣一只的民用3.5 W LED光源燈。目前，LED光源燈的性能普遍超過白熾燈和其他照明光源［5］。現(xiàn)將各類常見燈具的性能列于表1。

20世紀(jì)，愛迪生發(fā)明的白熾燈為人類文明作出重大的貢獻(xiàn)，但由于其能耗大，影響環(huán)境、壽命短等原因，最終將被LED照明技術(shù)逐步取代［6］。在國(guó)際上2009年，澳大利亞已停止生產(chǎn)并開始禁止使用傳統(tǒng)白熾燈是世界上第一個(gè)計(jì)劃全面禁止使用傳統(tǒng)白熾燈的國(guó)家。2010年，臺(tái)灣開始執(zhí)行白熾燈禁產(chǎn)政策。加拿大、日本、美國(guó)等國(guó)家也相繼禁止和銷售白熾燈。2012年10月1日起，我國(guó)已禁止進(jìn)口和銷售100 W以上的普通照明用白熾燈。2016年10月1日起將禁止進(jìn)口停止銷售和使用≥15 W白熾燈。我國(guó)綠色照明工程的宗旨是推動(dòng)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境和提高照明質(zhì)量，以適應(yīng)和服務(wù)于我國(guó)社會(huì)進(jìn)步和現(xiàn)代化進(jìn)程。

表1　幾種常見燈具技術(shù)參數(shù)性能表

3　高校LED光源應(yīng)用狀況

在高校大面積使用LED光源燈已成為趨勢(shì)。近幾年來，LED燈的節(jié)能改造工作已遍及多數(shù)高校。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有80%的學(xué)校已開始使用，但各學(xué)校覆蓋的面不等，約在5%～30%之間，其使用效果普遍反應(yīng)良好。但也有電光學(xué)專家針對(duì)藍(lán)光對(duì)視力的影響提出了質(zhì)疑。這種現(xiàn)象必須引起重視。學(xué)生視力健康不容受到影響。因此，相關(guān)部門需要加強(qiáng)對(duì)LED光源燈的品質(zhì)和使用的管理。上海市教育委員會(huì)在2011年已組織編制了《中小學(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計(jì)規(guī)范》DB31/539-2011［7］，在該規(guī)范的第7-1-2節(jié)中針對(duì)LED光源的管理有特別表述：“其他光源（如LED）應(yīng)由權(quán)威機(jī)構(gòu)證明其能達(dá)到本文件所規(guī)定的性能和能效要求及相關(guān)的安全要求”。2015年，上海市教委學(xué)校后勤保衛(wèi)處曾組織立項(xiàng)起草《LED校園建設(shè)和管理標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范的編制。這項(xiàng)工作頗為及時(shí)，可使綠色照明節(jié)能技術(shù)改造工作中科學(xué)、合理、正確使用LED光源能有章可循，有規(guī)可依。

4　結(jié)語(yǔ)

LED光源在高校乃至中小學(xué)、幼兒園的全面普及是必然的，選擇優(yōu)質(zhì)，低藍(lán)光的LED光源是綠色照明技術(shù)改造工作中必須關(guān)注的重點(diǎn)，在招標(biāo)和采購(gòu)過程中，不能一味追求低價(jià)，而忽視LED燈具的品質(zhì)，應(yīng)嚴(yán)格按照上海教委制訂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選定LED燈具。

參考文獻(xiàn)

［1］毛興武《新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)》人民郵電2010

［2］方志烈，發(fā)光二極管材料與器件的歷史、現(xiàn)狀和展望［J］物理2003.32（5）295.301

［3］ 劉陽(yáng)《論半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與問題》城市建設(shè)現(xiàn)狀研究電子版2015

［4］廖志凌，半導(dǎo)體照明工程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］電子技術(shù)學(xué)報(bào)，2006.21（9）106-111

［5］劉木清 LED與傳統(tǒng)光源光效比較分析——LED用于普通照明市場(chǎng)的前景［J］ 照明工程學(xué)報(bào)2006.17（4）41.45

［6］姚凱，第四代新光源—發(fā)光二極管［J］ 電源世界2008（3）21.26

［7］林燕丹《中小學(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計(jì)規(guī)范》DB31/539-2011

Green Illumination Light Source
-Brief Introduction of LED Lamps Development and Discussion on Its Application in Shanghai Colleges and Universities

Sun Zhongliang1，F(xiàn)ei Fumin2，Sun Jialei3
1.East China University of Science and Technology，2.Shanghai Jiaotong University

Abstract：The article introduces development process and application situation of LED illumination technology.It also analyzes technical parameters and performance index advantages based on many aspects，such as energy saving，environment protection，service life and so on between LED illumination source and other lighting sources.

Key words：Green Illumination，LED Light Source，Luminous Efficiency

［作者簡(jiǎn)介］

孫仲良：（1952-），男，高級(jí)工程師，主要從事高校節(jié)能環(huán)保工作。

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.04.004