低碳經濟下的LED節能燈應用及技術研發方向分析

孫建國

(南京漢德森科技股份有限公司，江蘇南京 211100)

1 引言

科學研究發現，LED(LightingEmittingDiode)即發光二極管，是一種半導體固體發光器件，其被稱為第四代照明光源或綠色光源，它采用固體封裝，結構簡單、耐沖擊、耐振動;同時，LED光源無紫外光、紅外光等輻射，且能避免熒光燈管破裂溢出汞的二次污染，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點，理論上可實現比白熾燈節約能耗80%，比熒光燈節能50%。一位美國專家曾指出，LED半導體已在電子學方面完成了一場革命，一股LED照明熱潮席卷全球，掀起了照明行業“產業革命”，LED照明產業正在進入快速發展階段，如圖1所示，美國、日本、韓國、歐洲等國家和地區基于能源效率考量，紛紛制訂了自己的“半導體照明計劃”，陸續提出了禁止白織燈的生產與銷售應用計劃，并由政府部門進行強制照明節能推廣，LED作為一種新型的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢。2008年北京奧運會的成功舉辦，也給了LED照明集中展示的機會，使人們對LED的概念有了新的認識，如圖2所示，全球LED照明市場產值預測，LED室內建筑照明占有很大的比例，另據中國LED照明網預測統計，在奧運的強力帶動下，中國LED照明市場規模將從2007年的120億元快速增長至2010年的250億元，LED將逐漸進入主流照明體系，而目前，我國照明行業年產值已達1000多億元，發展LED節能照明成為全球產業的焦點。

圖1 各國家和地區制訂的“半導體照明計劃”圖

2 LED節能燈具與傳統燈具相比具有的優勢

在室內照明領域，主要應用的傳統光源一般包括白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈、金鹵燈等，這一類光源耗電量大、顏色和控制方式單一，且光源熱輻射大，在某些特殊場所的應用受到了一定的局限;LED光源除了節能、環保、壽命長、無輻射、無污染等優點之外，在照明領域中，特別是在功能性照明中，還有很多優勢，如:低壓供電、恒流驅動、可靠性高;結構牢固、耐沖擊——具有固體光源的最大優點;可控性好——響應時間快，無頻閃，色彩豐富——三基色技術;結構封裝形式多種，使LED燈具能適應各種幾何尺寸和不同空間大小的裝飾照明要求，如:點、線、面、球等形式，乃至任意造型的燈具設計;其在LED室內照明領域應用與傳統室內照明燈具對比，具有目前其他燈具無法比擬的優越性，如圖3、圖4所示，在同等使用條件及照明效果的情況下，LED節能燈具耗電量只有傳統燈具的三分之一，于是LED節能燈具以長壽和更節能的性能優勢大大降低了燈具的成本，因此在節能和節約成本等方面具有顯著的優勢以及廣闊的發展前景。及照明效果的情況下，LED節能燈具耗電量只有傳統燈具的三分之一，于是LED節能燈具以長壽和更節能的性能優勢大大降低了燈具的成本，因此在節能和節約成本等方面具有顯著的優勢以及廣闊的發展前景。

圖2 全球LED照明市場產值預測統計表

圖3 傳統燈具與LED燈具功率對比表

圖4 傳統燈具與LED燈具成本對比表

3 LED節能燈具主要分類

當前市場上的節能燈具種類繁多，通常可以分為稀土三基色緊湊型熒光節能燈、日光型熒光節能燈，在日常生活中通常使用的是稀土三基色緊湊型熒光節能燈，一般地，三基色熒光節能燈主要是按燈管外形來分類，用英文字母來象形化地命名，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，能適應不同的裝配等需求，有的還在燈管外面罩上一個透明或磨砂的外罩，用于防護燈管和使光線均勻，而技術比較先進并且更環保的要算LED型節能燈，這里說的LED節能燈具主要是指非定向性出光角度，發光角度大，且可以調整角度，出光角度可以接近360°理想化的用于室內照明的LED光源燈具，如圖5所示，包括一些小型的LED射燈和LED球形燈泡兩大類，主要接口類型有 MR16，GU10，E27系列，此外還有E26、E17、E14、E11等類型。顏色為白色或者暖白色，兩者都可用于替換傳統白熾燈。兩者的主要區別在于，前者發出的光線是方向性的LED燈泡，一般發光角度較小，從10°到50°不等，后者發出的光線為發散性的LED燈泡，發光角度較大，通常在100°以上，而適合在家庭或辦公場所照明通常是比較大的出光角度，故此，LED球形燈泡類的節能燈將有可能成為未來的照明領域中最具有競爭力的產品。

圖5 小型的LED射燈或LED球形燈泡

此外，按照功率來分，LED節能燈泡可分為:小功率和大功率兩種類型，小功率一般指單顆光源功耗低于1W以下，其工作電流一般在幾十毫安，所以功率較小，而大功率主要為單顆光源功耗1W或以上，目前有1W、3W、5W等常用型號可供選擇;其中，早期也有小功率的LED射燈、球形燈泡設計和生產，并已在大規模使用，但其質量和壽命不是很穩定，這類產品主要是在國外的零售商場及網站上進行銷售;而大功率的LED節能燈為最近2～3年才開始使用和推廣的，總體來說要比小功率的LED燈泡效率高、壽命更長，隨著大功率LED光源的價格下降，大功率LED節能燈泡將會成為市場主流。

4 LED節能燈具推廣和普及上存在的問題

目前，LED節能燈具的使用主要集中在美、歐、日等國家和地區，LED節能燈產品在國際上得到廣泛的響應，但在我國的應用卻很緩慢，我國LED節能燈具普及率相對較低，而白熾燈目前每年銷量仍達20億只左右，中小城市居民白熾燈的使用比例一般在50%以上。雖然LED節能燈長壽、節能、環保的性能優勢，但現階段的LED節能燈產品普及還存在不少需要解決的問題，如:價格還要降低，市場需要重新定位，質量穩定性還需要進一步提升等等。

4.1 價格偏高，市場難以推廣普及

除了國內政策引導與國民消費理念有待提高之外，在市場實際推廣工作中，產品價格偏高、技術尚未完全成熟也是阻礙市場普及的重要因素，在照明、使用壽命等方面很有優勢，但是LED節能燈相對于其他節能燈具產品的價格來說是比較貴的。從消費者分析來看，主要有兩大類，一類是采購商，一類是終端消費者，由于LED市場現在的渠道效應不明顯。目前LED燈泡的采購商沒有明顯的特征，采購商主要有分銷商，網上商店，建筑照明工程商以及做節能系統改造的承包商，無論是哪類采購商，都有可能經常會接到小工程，而做燈飾亮化的采購商，主要采購LED景觀及戶外亮化的工程類燈具，對于室內功能性照明中LED燈泡的可能性不大。第二類是終端消費者，終端消費者主要有以零售商店為代表的商業用戶，和以家庭為代表的個人用戶，以零售商店為代表的商業用戶的采購傾向于在當地完成，具有地方保護主義特色。另外一方面，目前LED燈泡市場上，不論是生產商、采購商還是終端客戶，都不夠專業，大多數還只是憑經驗或者外觀等主觀臆斷來判斷產品質量的好壞，在產品外觀雷同的情況下，價格起主導作用。

4.2 市場地域化分布不平衡、競爭力不強

從供應商及產品銷售分析看，市場上LED節能燈具的生產商和出口商主要集中在日本、中國臺灣和大陸，整體上，日本、中國臺灣廠商的設計及生產工藝比大陸要先進許多，而且日本廠商的銷售手段也比大陸廠商高明一些。日本廠商的新產品推出很多是以切入某個應用市場為目標的，針對性很強，憑借其強大的技術研發能力迅速占領市場。國內廠商LED節能燈主要存在兩種銷售形式，第一種是公模的LED大功率或者小功率燈泡;第二種是自己開模或者仿制大公司的 LED燈泡的 (如 Philips、Osram、特別是Philips)，前者代表了低檔次產品的競爭，價格為主要決定因素;后者代表了自行開發和研制的產品，或者是靠抄襲來加入競爭，比較危險，可能涉及知識產權的訴訟;另外，沒有發展固定代理商，而且代理商的實力不是很強;以外貿的形勢銷售產品，而推廣渠道主要是靠展會，銷售模式單一，所以，大陸廠商的主要競爭是在價格上的優勢，即人力資源和原材料的的價格優勢，而技術競爭力不強。

4.3 品牌化競爭戰略意識薄弱，市場不能拓寬

在鹵素燈、白熾燈和傳統節能燈之間，傳統節能燈在宣傳上是用來替換白熾燈和鹵素燈，很少看到宣傳LED節能燈具是用于替換傳統節能燈的，在國內經濟較好省市有少量宣傳，對于內陸及西部地區，卻寥寥無幾，人們根本就不知道LED燈具與傳統白熾燈、熒光燈、傳統節能燈的區別，更不會關注到LED節能燈的品牌了。對于一些非照明制造型的企業雖然也在銷售LED節能燈具，也有自己的研發和生產線，但這些公司一般不自行設計和開發產品，多數為代工工廠，沒有形成自己的自主品牌;其次就是生產通用的產品，使用通用的模具，把價格做很低。目前來說，這兩種都有其生存空間，但是長遠來說，在市場游戲規則 (產品國家標準)確定之后，一些小廠將會出局，LED節能燈與其他節能產品或者節能技術一樣，在其推廣普及初期都會在市場遇冷，而最終形成品牌化競爭的局面，需要市場與消費者有一個時間與實踐的過程。

4.4 配套電源穩定性不夠高，影響產品整體質量

當大家都在宣傳LED的長壽命時，忽略或避開了另一個決定 LED燈具壽命的關鍵問題，那就是LED驅動電源的質量，其質量品質的高低，除了要有好的光源保證之外，電源也是影響LED燈具可靠性和適應性的一個重要組成部分，目前我國的市電是220V的交流電，而LED光源屬半導體光源，與熒光燈的電子鎮流器不同，通常是用直流低電壓供電，需要在這些燈具中或外部設置AC-DC轉換電路，并同時完成與LED的電壓和電流的匹配，以適應LED電流驅動的特征。目前電源選擇的途徑有開關電源、高頻電源、線性恒流電源等多種，根據電流穩定性，瞬態過沖以及安全性、可靠性的不同要求作不同選擇。各燈具廠商為了燈具產品結構的整體優美，通常設計會把電源與LED燈殼結構緊密設計在一起，LED的發熱與電源的發熱疊加，這樣電源和LED光源都處在惡劣的工作環境中，當工作環境的溫度超過一定的溫度時，電源及LED的壽命嚴重縮短，因此，LED節能燈出現不能達到幾萬小時的使用壽命，大多數原因是因為電源質量或是結構設計不良，而影響產品的整體質量。

5 LED節能燈具尚待解決的主要技術及研發的方向

從室內照明應用來看，合適的照明效果需要的產品功率范圍如下，LED光源燈具在10W左右功率，熒光燈大多在7～15W功率，節能型日光燈在20～40W功率，而LED節能燈具結構要符合替代現有傳統燈具的接口方式，還要考慮本身的LED散熱要求，通常有以下幾種方案和思路。

從光源選用上可以分為小功率發光管或大功率發光管，大功率的發光管又可以分為單顆或集成封裝的兩種方式，散熱燈體材質一般為鋁質散熱器。實踐證明，小功率發光管具有成本低的優勢，但光衰明顯，壽命很低，并且用的數量太多，生產加工不方便，逐漸被市場所淘汰，而采用集成芯片的LED光源封裝，平均照度值低，出光效率低，中心熱量大并且很集中，往往出現散熱不及時，溫度會超過LED的內部結溫，導致LED失效;從成本考量及不斷增長的LED亮度來說，10～20W符合未來LED照明光源發展要求，如果用LED集成設計10W以上的功率，散熱會很難處理，也是影響成本的重要因數，待光效值達到150lm/W時，才是LED照明大呼節能輝煌時代;另外，在結構設計上，存在的方案主要是結構整體化設計，燈罩與散熱器或透鏡各部分之間由螺釘連接或者粘膠粘接，光源及散熱基板部分還填充膠體封死，這種方式使得燈具不易組裝或拆卸，而且當其中某個部件出現問題時更換不方便或者不能更換，更換的部件也不能再使用，造成浪費;另外，燈具通過散熱片、鋁基板這方面來緩減LED產生的熱量，此種條件下需要把溫度控制在LED芯片結點溫度以下，但如果膠體過厚，熱阻過大，散熱不良，很難以保證LED預期的使用壽命。在二次配光設計上，通用做法，是以燈體散熱器為主體，在燈體上設有燈罩，在燈體的中心凹面底部設有光源，出光玻璃或透鏡固定在LED光源上方，由于光線透過透鏡和燈罩的作用，出光效率大大降低了，同時，燈罩或玻璃較薄，容易破碎;如果不對透鏡進行特殊處理，大規模批量生產，還會有眩光的影響，則必需增加適度成本來解決此類問題。

基于上述現有技術研發特點，針對LED節能燈具的未來研發方向，總結LED節能燈具在室內照明領域的一些設計要點和經驗，以便于推動LED節能燈具節能技術的應用和實施。

5.1 LED節能燈具的研發方向主要有以下幾個方面

①產品多樣化、系列化應用于商業照明和家居照明兩大領域的傳統燈具可謂是名目繁多，主導著室內照明的方向，而目前應用于室內照明LED產品主要就是LED杯燈、LED射燈、LED筒燈、LED格柵燈、LED吊燈、LED節能燈等裝飾性照明燈具，產品系列化，具有通用標準燈頭，可選擇GU、E、MR標準連接燈頭組件，直接引入交流市電或者低壓電源恒流給LED供電，可直接替換現有鹵素燈、白熾燈、熒光燈，其他常見的傳統燈具則少見LED光源的應用，市場的潛力巨大。

②產品集成化、智能化

大功率LED平面集群封裝，LED采用高可靠的先進封裝工藝——共晶焊，充分保障LED散熱要求及使用壽命，從根本上滿足了LED燈具結構及造型的任意設計，極具LED燈具的鮮明特色;由于LED燈的可控性好，色彩豐富，結合智能化控制技術，與微電子技術實現智能化控制，可以構思出各種顏色的照明燈具。因此LED智能化產品能夠提供一系列的整體解決方案，這為室內照明的智能化管理提供了有效的渠道。

③透鏡與燈罩設計一體化

由于LED光源發光方向性強，可控性好，所以只要通過合理的光學處理，最大限度的利用其光通量，在照度方面，完全可以達到功能照明的要求，二次配光技術使LED點光源擴展為面光源，增大發光面，消除眩光，消除視覺疲勞;透鏡同時具備聚光與防護作用，避免了光的重復浪費，讓產品更加簡潔美觀，提高光通量利用率的同時，也最大限度的降低綜合照明成本。

④LED燈具散熱高效化

LED是半導體光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高，環境溫度達到一定的限度就會很快產生光衰，長時間過高的熱會都帶來穩定性和使用壽命的問題。因而，可靠的設計就需要良好的散熱，未來燈具散熱方式除了對本身LED導熱材料的選擇和優化之外，還要考慮燈具整體散熱片外表的熱交換方式，對于自然散熱，燈體四周布置若干散熱翅片效果較好，薄的鋁翅片散熱效果較好，通過將翅片變薄，可以增加翅片數量進而增加散熱面積，還有另外一種方式，可以增加一個有效的腔體內外通風散熱通道，散熱效果會更好。即通過在殼體外表面設置散熱孔直接與內部光源腔體導通，提供有效散熱通道，避免傳統的封閉式結構，只靠外部散熱器散熱的局限，有效解決了LED散熱問題，合理提升燈具使用壽命。只有解決大功率LED的散熱技術，才能大面積的推廣大功率LED節能燈具的應用。

⑤產品從人性化、藝術化的角度進行創意設計

LED照明的變革將擴展人們的照明觀念，不同的光色和亮度對人的生理和心理能產生不同的影響，人們在很多情況下并不需要很亮的白光，可能黃光或其他顏色的光更適合生理和心理的需要。三基色LED可以實現亮度、灰度、顏色的連續變換和選擇，使得照明從普遍意義上的白光擴展為多種顏色的光。外形小巧玲瓏，人性化的照明產品成了人們的首選，而LED體積小，不像傳統光源有玻殼、易碎，且光線容易控制，在燈具外觀的人性化設計方面給了LED燈具生產商無限的發揮空間，圖6為室內照明光源實際應用場所。

圖6 室內照明光源實際應用場所

5.2 LED節能燈具研發中需要解決的技術

LED節能燈具進入照明領域是新生事物，具有劃時代的意義。隨著白光LED技術發展迅速，僅從發光效率這一指標來看，已經達到了傳統節能燈的兩倍，遠遠超過了白熾燈和鹵素燈;但是由于白光LED的成本限制及室內照明對光的質量要求很高，白光LED還有許多需要改進行技術來適用LED室內照明產品的要求，所以目前室內LED照明產品還處于市場探索階段;與任何新技術一樣，LED燈還存在一些急需完善的方面。

①研發LED高功率光源，提高光源效率

半導體照明 (LED)技術發展非常迅速，目前白光LED發光效率已經達到80～120 lm/W左右，但距離達到照明的要求依然差距很大。單顆大功率5W的產品基本上都有散熱瓶頸，發光效率在60 lm/W上下，而由于制造工藝的原因，高導熱率的新型支架材料及金屬化制程，照明領域的大功率LED封裝的關鍵技術是要解決器件散熱的問題，所以首先要考慮的是必須選擇具有高熱導率的新型封裝支架材料，其次是熒光粉制成工藝，芯片內外量子效率和熒光粉轉換效率。理論上，LED的內外量子效率和熒光粉轉換效率都可以大幅提升，白光LED的光效會達到200 lm/W左右的理想值，所以大功率LED燈具作為最被看好的新興照明光源，其在照明市場的發展潛力值得期待。國際上，Panasonic、Toshiba、Sharp、Philips、Osran、Ge 等大公司都有 LED節能燈產品，特別是 Philips、Toshiba、Sharp公司基于這種光源的照明燈具，燈具效率和配光曲線非常優秀。盡管LED光源有很多獨特的優勢，但國內LED高功率光源廠商在這方面卻是困難重重，目前，Nichia、Osram、Toyoda Gosei、Cree、Lumileds等五大公司幾乎控制了整個白光LED產業，其專利“雷區”重重，使得想進入這一領域的其他企業憂慮重重、望而卻步。隨著白光LED的廣泛、快速應用，以及各大公司在此領域的大力投入，國內企業一方面可以尋求自主研發的策略，另一方面，可能通過專利技術許可方式解決批量生產問題。

②發展高效率、高功率因數、價優的緊湊型模塊化LED燈具電源

產品質量問題關鍵在于如何做到質優價廉，性能穩定。LED燈具供電簡便，既可直流供電，又可脈沖交流供電。目前，低效率的供電電源，直接影響LED節能燈產品的整體性能，節能效率和壽命嚴重縮水。LED電源屬于開關電源，開關電源的質量與可靠性取決于其電路設計，生產工藝，及器件的質量。而開關電源的正常工作壽命要取決于電源所使用的電解電容的壽命，電解電容的壽命又取決于電容本身的壽命及工作溫度。據有關研發機構測試研究統計，電容溫度65℃時的壽命只能保證約8萬小時，電容溫度75℃時的壽命只能保證約4萬小時，電容溫度85℃時的壽命只能保證約2萬小時，電容溫度95℃時的壽命只能保證約1萬小時，從以上的推算，電解電容溫度每上升10℃，壽命將會減半。而燈具制造商考慮燈具設計的緊湊以求降低重量，要求將電源體積做得小巧并安裝在密閉的空間里，其電源的散熱條件受到限制，對于元器件來說，尤其電容的壽命受到嚴重影響，因此高的效率，小的體積及更好的散熱設計是電源面臨的挑戰。

③研究新型LED二次配光技術

隨著半導體領域科研的不斷深入，LED光源在實際應用過程中也存在混光、混色的均勻性、透光率、色溫的矛盾問題，通常出現點狀光斑以及混色不均勻現象。常規的做法之一是用藍光芯片激發黃色熒光粉，呈現出的是黃綠色的暖白光，且顯色指數不高，不符合家庭照明的要求;另一種常規做法是采用特定色溫的熒光粉，其缺點是所用的熒光粉應用范圍狹窄，規模化生產與應用范圍的矛盾突出;還有一種做法便是在正白光下覆蓋琥珀色鍍膜，雖然色溫上能夠符合要求，但其不可避免地存在影響光通量的缺點;此外，由于二次透鏡的選用不合理，或者不能有效的無縫配合對接，也可能出現眩光等影響。因此，突破LED燈具在二次光學設計方面遇到技術難題，有效地控制出光角度和光強分布，各種異形透鏡的使用使大功率LED由點光源變成發光均勻的面光源，提高混光的均勻性和視覺舒適性，在透光率和色溫上突破半導體發光二極管應用的技術壁壘，是目前本行業技術人員一個重要的研究方向。

6 結束語

隨著地球資源的日益緊缺，節能減排已經成為社會發展的必然趨勢。在照明領域，LED節能燈具有綠色、節能環保的優勢，可營造出其他傳統光源無法替代的高質量的光環境，能充分滿足室內裝飾氣氛照明的市場需求，給室內照明領域的設計應用提供了新的思路和突破口，其諸多優點成為取代傳統光源的首選，盡管LED節能燈要在國內市場普及還需要一段過渡期，但LED節能燈具有的市場潛力及發展前景是不容置疑的。隨著整個行業的不斷成熟，LED節能燈產品開發的縱向深入，大功率LED光源價格的下降和光效的提高，我們有理由相信，未來十年內，LED節能燈具一定會像現在的熒光燈一樣，普及使用到千家萬戶。

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［3］關秋莉．把脈LED節能燈市場元器件面臨質量與價格新要求［J］．國際電子變壓器2009，(2)

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