美國固態照明發展國家戰略及其對我國的啟示

莫虹頻

(國家節能中心推廣處，北京 100045)

引言

美國非常重視固態照明技術應用帶來的節能潛力，因此制定了推進固態照明研發和推廣的國家戰略，以能源部為主構建了完善的政策體系，出臺了一系列研發計劃和商業化支持計劃，并根據固態照明技術發展的最新進展，不斷調整其戰略重點和規劃目標。對我國固態照明相關政策制定具有重要借鑒意義。

1 美國固態照明發展國家戰略的頂層設計

2010年，美國照明電力消費約為7000億kWh，其中由于固態照明產品 (Solid-State Lighing，SSL，包括LED和OLED)推廣帶來的節電量為26億kWh。據測算，如果能夠在全美范圍內的通用照明領域推廣固態照明產品，到2030年的年節電潛力將達到3000億kWh，減少46%的照明電力消費，按照目前的能源價格，這將為美國節約每年300億美元的能源費用。美國能源部 (Department Of Energy)長期致力于高效通用白色光源的發展和市場推廣，認為固態照明技術具有其他傳統照明技術無法比擬的節能潛力，能夠改善未來建筑環境。但是，固態照明技術與傳統照明技術相比具有本質差異，從實驗室走向市場需要建立多方協調機制，為此，美國能源部制定了國家綜合戰略來支持固態照明技術和產品的研發、商業化和推廣。一方面，能源部在其能效和可再生能源辦公室下建立了固態照明專項，另一方面，能源部在其他基礎能源科學研究等項目中協助固態照明的發展，并通過與一系列戰略合作伙伴的合作，共同推進固態照明技術轉化為能夠投放市場的高效照明產品。總體戰略構架如圖1所示:

圖1 美國固態照明發展國家戰略構架

1.1 總體目標

美國于2005年簽署能源政策法案 (Energy Policy Act of 2005，EPACT2005)，于2007年簽署能源獨立與安全法案 (Energy Independence and Security Act of 2007，EISA2007)，這兩項法案中包含一項指令，要求能源部長 (Secretary of Energy)制定“下一代照明行動方案 (Next Generation Lighting Initiative，NGLI)”，支持固態照明技術的研究、開發、示范和商業化應用。

為了落實EPACT2005和EISA2007法案要求，能源部提出了SSL研發戰略目標:在政府－工業合作伙伴的指導下，通過推動半導體技術進步，建立一個新的、美國主導的高效通用照明產品市場，達到減少照明能耗、降低照明費用、增強照明質量的目標。

具體目標包括:一是設立獎勵基金鼓勵工業聯盟、國家實驗室、研究機構等開展固態照明技術研發;二是建立信息收集渠道，追蹤固態照明技術的研究需求和最新進展，并與工業聯盟合作提出固態照明技術研發路線圖;三是設立獎勵資金，管理和支持下一代照明行動，鼓勵開展試點和商業化應用項目;四是幫助通用照明產品制造商開發滿足EISA2007中最低能效要求的替換白熾燈的新型照明燈具。

1.2 執行機構

美國固態照明國家戰略由能源部主導實施。能源部的職責是通過科學技術更新來應對美國面臨的能源、環境和核問題挑戰，從而保證美國的安全和持續繁榮。根據這一職責，能源部設立了3個目標，其中前兩個目標都與SSL研發密切相關:一是加速美國能源系統實現及時、實質性和有效轉變，保證美國在清潔能源技術領域的世界領先地位;二是保持美國在科技領域持續不斷的投入，將其作為經濟繁榮的重要基石，并在戰略領域占據主導地位。

1.2.1 能效和可再生能源辦公室 (EERE)

能效和可再生能源辦公室 (Energy Efficiency and Renewable Energy，EERE)直屬于美國能源部，專注于研究和加快實現可持續能源供應的技術應用，固態照明技術研發推廣也被納入該辦公室管理。

EERE的戰略目標包括:一是顯著減少甚至結束美國對外的石油進口依賴;二是減少能源價格帶來的負擔;三是促進可再生能源技術開發和應用;四是提高電力生產、輸送和使用過程的可靠性和效率;五是提高建筑和電器能效;六是提高工業能效;七是鼓勵推動國內生物產業發展;八是通過政府自身行動垂范節能。EREE的任務是通過公私合作伙伴關系增強美國能源安全、改善環境質量、促進經濟繁榮，具體任務包括:一是提高能效和能源生產率;二是提供清潔、可靠和經濟的能源，并將相關技術推向市場;三是通過提高民眾的節能意識，改變公眾的日常生活習慣，并提高其生活質量。

1.2.2 建筑技術項目 (BTP)

能效和可再生能源辦公室下設立了建筑技術項目 (Building Technology Program，BTP)，在該項目下建立了固態照明專項。BTP項目的使命是發展并促進高效、經濟和環境友好的技術、系統和應用，并在美國的住宅和商業建筑中進行推廣，從而促進經濟繁榮、減少溫室氣體排放、保障國家能源安全，同時滿足建筑用能服務和性能的要求。為了實現這一使命，BTP項目設立了發展和推廣能效技術和實踐的目標，并為這一目標制定了相應戰略:一是制定并實施技術路線圖促進相關技術的市場化推廣;二是在新技術開發中加強與私人部門的合作;三是加強公開宣傳和合作研究;四是關注降低成本和發掘市場機會，使相關產品更加適應市場需求;五是推動關鍵技術領域的創新，包括固態照明 (SSL)、暖通空調 (HVAC)、傳熱工質以及傳感控制技術。

1.2.3 固態照明專項

能源部在建筑技術項目 (BTP)下設立了固態照明專項，資助固態照明技術的應用研究、產品開發和制造技術研發，以推動固態照明技術進步從而實現節能。能源部SSL項目的核心技術研究和產品開發項目的目標是通過大力研究和應用新型照明技術，提高建筑物的終端能效。能源部與其合作伙伴緊密合作，旨在開發具有極大減少照明能源消耗潛力的技術，為實現這一目標，能源部制定了SSL研發行動政策，并廣泛聽取了工業企業、研究機構、大學、貿易組織和國家實驗室的建議。

1.3 固態照明專項

固態照明專項的目標是:到2025年，相比于現有照明技術，發展先進的高能效、長壽命、價格具有競爭力固態照明技術，照明系統的整體效率達到50%，并產生接近于太陽光譜可見光組分的照明。在目標指導下，能源部在固態照明專項下設立了三項獨立且相互聯系的子項目:核心技術研究和產品開發(Core Technology Research and Product Development)、制造技術研發 (Manufacturing Research and Development)以及商業化支持(Commercialization Support)，并制定了相關路線圖。

1.3.1 核心技術研究和產品開發

核心技術研究項目主要由學者、國家實驗室和研究機構承擔。美國能源部與SSL領域合作伙伴建立了一系列相互聯系的工作組，共同研究制定了研發計劃，并在計劃執行全過程中指導，引導能源部資金支持改善SSL技術能效和加快SSL產品推廣的關鍵研究項目。核心技術研究項目支持SSL領域最為關鍵的技術進步，涵蓋范圍廣闊，旨在填補技術空白，提供關鍵知識或數據。

產品開發項目主要由照明產業企業承擔，通過系統集成基礎科學研究成果和應用研究成果，生產商業化的材料、設備或系統，開發測試產品原型，并根據反饋意見修改原型設計，最終實現技術成果的產業化。除技術研發外，產品開發項目還包括市場和用戶調查，保證產品能夠成功實現商業化并推向市場。

1.3.2 制造技術研發

制造技術研發項目通過改進制造SSL產品的設備、工藝和管理技術，解決制造技術挑戰，推動SSL產品制造費用降低，從而使SSL產品的初始投資下降到與傳統照明產品具有競爭力的水平。通過該項目，美國能源部旨在加速美國高性能LED照明產品市場開發，替換傳統照明產品，從而達到節約照明能耗，降低照明費用，減少環境影響的目的。

1.3.3 商業化支持

為保證能源部核心技術研究、產品開發和制造技術研究的成果順利實現商業化，推廣高質量高能效的SSL通用照明產品，能源部在總結以往能效產品推廣經驗的基礎上，與標準制定組織、能效項目投資方、用戶、零售商、照明設計人員等相關方合作，制定了SSL商業化支持五年計劃 (Five Year SSL Commercialization Support Plan)。

商業化支持計劃的總體目標是為美國能源部推廣高性能SSL通用照明產品提供戰略指導和五年規劃。推廣工作目標包括:一是引導消費者購買能最大限度減少能耗并滿足消費者需求的高性能SSL產品;二是加速SSL產品的市場推廣;三是支持SSL產品的適當應用以實現節能效益最大化。通過與市場相關各方的合作，DOE開展了一系列活動，包括:商業化SSL產品測試，示范工程建設及其節能效益的測算，以及SSL產品和照明系統設計競賽。

標準化工作也被看作是商業化支持的一部分，SSL產品測試程序和標準的開發和宣貫，推動所有廠家使用相同的測試程序和評估指標體系對其產品進行測試，從而幫助消費者科學比較不同廠家的產品。能源部與照明產業企業和標準化組織密切合作，為新標準開發提供技術支持和政策管理，幫助加速標準開發和宣貫。

SSL商業化支持五年計劃定期更新，吸收能源部專家工作組和合作伙伴的最新意見，并根據最新市場調查情況進行調整。

1.3.4 固態照明戰略合作伙伴

在固態照明專項中，為促進SSL產品的快速發展和市場化，能源部還與照明產業聯盟和相關組織建立了戰略合作伙伴關系:能源部與下一代照明工業聯盟 (Next Generation Lighting Alliance，NGLIA)合作，利用該聯盟在SSL制造方面的專長，幫助能源部改進SSL制造和商業化的政策;能源部與照明工程學會 (Illuminating Engineering Society，IES)的合作促進了包括SSL照明在內的照明標準開發;能源部與國際照明設計協會 (International Association of Lighting Designers，IALD)的合作推動了照明設計理念和技術的創新，提高了照明質量和能效。

1.4 協助機構

除以上直接負責管理固態照明研發的執行機構和固態照明專項外，美國能源部還在其能源技術研發項目中支持固態照明技術的研發，具體情況如下:

1.4.1 基礎能源科學項目

基礎能源科學項目 (Basic Energy Sciences Program)由能源部科學辦公室負責，支持的基礎研究范圍包括理解、預測和最終控制電子、原子和分子層面的物質和能量，從而支持新能源技術開發和能源部的職能。能源部在該項目中，也對固態照明技術發展提供了支持。

1.4.2 能源先進技術研究機構 (APPA-E)

能源先進技術研究機構 (Advanced Research Projects Agency-Energy，ARPA-E)資助具有顯著節能潛力的高風險、高回報項目。固態照明技術由于其巨大的節能潛力，也被該機構納入資助范圍，該機構正在資助一項開發廉價大規模氮化鎵基底LED生產的高風險項目，如果該項目成功，將大大提高LED的性能。APPA-E還支持先進高效能源供應技術的研發，同樣能夠應用于固態照明技術。

2 美國固態照明發展現狀和預測

2.1 美國固態照明發展現狀

美國能源部在固態照明研發中長期規劃 (Solid-State Lighting Research and Development Multi Year Program Plan)中，將目前LED照明產品與白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈 (HID)等其他照明產品進行了比較，核算了成熟商業化照明產品的初始投資和生命周期總費用分析。

2.1.1 與傳統照明產品光效對比

盡管可替換白熾燈的白光LED燈泡在固態照明市場中僅占很小的一部分，但由于目前居民和用戶中仍然擁有大量使用白熾燈的傳統燈泡基座，因此白光LED燈泡被認為是近期固態照明最有可能實現突破性大規模推廣的LED照明產品。因此，選取白光LED燈泡與其他傳統產品進行對比，隨著固態照明技術的快速進步，目前白光LED燈泡的光效已經達到了緊湊型熒光燈等替換白熾燈的照明產品的兩倍以上，不同種類照明產品光效的演化歷史和未來變化趨勢如圖2所示。

圖2 各種照明產品光效演化歷史和未來變化趨勢

目前使用最為廣泛的傳統光源包括白熾燈、熒光燈 (包括緊湊型熒光燈和直管熒光燈)和高強度氣體放電燈 (HID)。

白熾燈和鹵鎢燈的光效大約在10～20lm/W之間，目前提高白熾燈和鹵鎢燈光效的基礎研究和應用研究重點是改進發光體的性能，提高可見光區輻射在整體輻射中所占的比例，有研究者聲稱通過改進發熱設計、紅外涂層、沉積過程和提高燈絲溫度(可能會降低使用壽命)等手段，鹵鎢燈光效能夠達到45lm/W。

熒光燈自身光效隨長度、電壓、色溫變化而變化，光效范圍在25～118lm/W之間，但熒光燈自身光效不包含熒光燈所必需的鎮流器帶來的能量損失，將鎮流器考慮在內后熒光燈照明系統的總體能效目前最高可達到108lm/W。提高熒光燈光效的方法包括使用高效鎮流器和T5熒光燈組成的照明系統、減少電極壓降、提高高效稀土熒光粉的配比等。

高強度氣體放電燈 (包括高壓汞燈、金鹵燈、高壓鈉燈)是目前市場上能效最高的照明產品，整個高強度氣體放電燈照明系統的光效可以達到115lm/W。該類型照明產品的主要問題是顯色性較低 (高壓鈉燈是一個典型)，因此目前研究的重點是提高其顯色性能，陶瓷金鹵燈是目前HID燈發展最為迅速的分支，能夠達到與白熾燈和熒光燈相當的顯色性，同時光效達到123lm/W(實驗室光效能夠達到150lm/W)，未來隨著使用電子鎮流器、改進驅動電路、以及微波技術的進一步發展，陶瓷金鹵燈的光效還有望進一步提升。

商用LED照明產品具有超越傳統光源光效的巨大潛力，2011年，可替換白熾燈的商用A19型LED燈泡平均光效達到了70lm/W，其中，某些產品(如飛利浦獲得L獎的產品)光效已經達到了90～100lm/W，而實驗室原型產品光效已經達到了150lm/W。

美國能源部2011年對美國市場上常見的照明產品的光效、顯色性等性能指標進行了整理，不同種類的典型傳統照明產品與固態照明產品的性能比較如表1所示。

表1 不同種類的典型傳統照明產品與固態照明產品性能對比

盡管固態照明具有巨大的節能潛力，光效能夠超越傳統照明產品，但是要加快固態照明產品推廣仍然面臨一系列的問題:目前LED和OLED相對于傳統照明產品的初始投資仍然過高，此外，固態照明產品光效還需要持續改進，才能夠完全超越高性能熒光燈和高強度氣體放電燈，固態照明的節電潛力還沒有完全釋放，需要進一步研究。

2.1.2 與傳統照明產品制造成本對比

照明產品成本決定了提供照明服務的初始投資，一般用千流明價格作為基準進行比較，從初始投資大小可以看出目前固態照明產品推廣所面臨的挑戰和市場中所處的位置，如表2所示。

表2 傳統照明產品與固態照明產品制造成本對比

通過以上分析我們可以看出，目前LED燈的價格是鹵鎢燈的12倍，普通可調熒光燈的3倍。但是預計LED燈的價格將快速下降，光效和其他性能也將進一步提高，最終LED光源的初始投資成本將變得更具競爭力。

目前，部分SSL通用照明產品已經實現商業化，并在部分照明產品種類和使用場合中替換傳統照明產品。根據Strategies Unlimited公司的調查，盡管2011年美國照明產品的總銷售額出現負增長，但2011年LED照明產品銷售額比2010年增長了69%，從2010年的55億美元增長至2011年的94億美元，該公司預測到2014年LED照明產品的銷售額將達到162億美元，并在2015年后持續增長。

2.2 美國對固態照明技術未來發展趨勢的分析

2.2.1 LED照明技術突破方向

LED封裝器件由半導體器件和光學散射器件構成，為了產生通用照明產品所需的白光，需要對多種顏色的光進行混光。混光方式包括三種:一是使用熒光粉進行混光 (Phosphor-Converted LED，pc-LED)，pc-LED中氮化鎵LED顆粒發出波長為450～460納米的藍光，一部分藍光直接向外發射，剩余一部分藍光激發LED封裝器件中或燈具中的熒光粉，產生波長更長的光輻射 (如綠光、黃光、紅光等)，通過合理的配比產生白光;二是使用三基色直接混光 (Color-mixed LED)，通過合理配比發生不同波長光線的獨立LED光源，混合形成白光;三是以上兩種方式的混合 (Hybrid Method LED)。

目前大多數白光LED照明產品都是用熒光粉混色模式，早期熒光粉混色模式的主要問題是色溫過高，顯色性差，目前很多生產商通過加入第二種熒光粉 (如紅光熒光粉)，降低了白光LED的色溫，提高了顯色指數，2011年，熒光粉混色模式的冷白光LED燈光效已經達到144lm/W，而暖白光LED燈光效達到111lm/W。熒光粉混色模式面臨的主要問題是由于LED顆粒發光波長隨時間變化和熒光粉降解，難以保持白光的穩定性，并對LED光強度、輻射峰值波長和使用溫度十分敏感。此外，熒光粉的厚度和不同使用條件下的溫度變化，也會帶來色漂移，熒光粉的穩定性對產品生命周期內的顏色非常關鍵。

相比于三基色直接混光模式，熒光粉混光模式存在一系列能量損失:熒光粉量子效率損失 (熒光粉吸收的光子不能激發出等量的光子，存在一定的損失)、散射損失、和Stokes損失 (指的是熒光粉激發前后光子波長差異帶來的損失，吸收的藍光波長短能量高，而發出的黃光波長長能量低，存在一定的能量損失)，這些損失由熒光粉混光模式的本質決定，無法避免。直接混光模式不存在上述能量損失，因此被看作是獲取固態照明最高理論光效的混光模式。但目前直接混色模式LED的光效提高主要受制于黃綠光LED單元光效過低，需要優化設計來提高LED的整體光效，且不同顏色的LED單元對溫度和電流密度的反應不同，壽命期內的變化也各不相同，為補償這些差異的影響，直接混光模式所需要的控制電路也更加復雜，降低了系統的整體光效。

Hybrid模式將直接混光模式和熒光粉混光模式結合，充分利用了這兩種模式的優勢，實現了高光效、高顯色性照明。目前市場上已經出現了一些非常好的結合混色模式LED照明產品，擁有非常好的顏色性能，顯示出這一模式可以同時實現高光效和高顯色性。但Hybrid模式需要新型熒光粉，同時仍然會產生一些Stokes損失。

2.2.2 LED照明光效的理論極限

為科學設定LED照明研發目標，美國能源部對LED照明光效的理論極限進行了分析。LED封裝器件將電能轉化為可見光的效率稱為輻射發光效能(Luminous Efficacy of Radiation，LER)，輻射發光效能理論極限值LERmax受到色溫和顯色指數的影響。表3和表4中顯示了典型色溫和顯色指數下，三基色直接混光模式和熒光粉混光模式的輻射發光效能理論極限值和LED封裝器件光效的理論極限值 (假設轉化效率為67%時)。

表3 三基色直接混光模式光效理論極限值

表4 熒光粉混光模式光效理論極限值

目前領先的熒光粉混光模式由于光譜效率低，大量輻射以不可見光的形式流失，Stokes損失較高，從根本上限制了光效提高潛力。而三基色直接混光模式不存在這一問題，因而光效潛力更高。在此基礎上預測了LED封裝器件光效的發展目標，如圖3所示。

圖3 LED照明產品光效提高預測

2012年4月更新的固態照明研發中長期規劃中暖白光LED封裝器件和燈具光效目標如表5所示。

表5 固態照明研發中長期規劃暖白光LED目標

2.3 LED照明產品成本預測

2.3.1 LED燈具價格

LED燈具和光源價格隨著應用模式、裝飾材料、控制器件變化很大，為了有效評估LED照明的價格變化，比較替換白熾燈的燈具價格是一個比較實用和合適的辦法。圖4比較了2012年4月更新的美國固態照明長期規劃對LED白光通用照明產品的價格預測和13W緊湊型熒光燈的平均零售價格的比較。A19型替換白熾燈的LED燈價格下降最為迅速，2011年，隨著制造成本的下降和市場競爭的加劇，400lm暖白光A19型LED燈 (相當于40W白熾燈)的零售價格降至約16美元，800lm暖白光A19型LED燈 (相當于60W白熾燈)零售價格降至24美元，此外在美國的部分地區，政府還對以上產品給予補貼，進一步降低了售價。2011年美國市場上LED照明產品的零售價格約為30美元/klm(2010年為50美元/klm)，領先于圖4所示的規劃目標。預計2012年該產品的價格將進一步下降，照明科學集團 (Lighting Science Group)于2011年12月發布了報告，認為2012年該產品的價格將降低至15美元/klm。

圖4 典型白光LED通用照明產品與緊湊型熒光燈價格的比較

LED PAR燈和MR16型LED射燈的價格也持續下降。2011年，MR16型LED射燈價格下降最為顯著，415lm的MR16型LED射燈 (相當于35W傳統射燈)的價格下降至25美元，17～18W的LED PAR38燈 (750～850lm)價格下降至25～30美元(2010年為40～60美元)，筒燈價格也明顯下降，目前價格約為50美元/klm(2010年為87美元/klm)。

總體而言，如果考慮節能效益、使用壽命長和運行維護成本低，2011年美國LED照明產品相對于傳統照明產品已經具備了相當的價格競爭力，進行LED照明改造的投資回收期也隨著高性能新產品的引入而持續下降。

2.3.2 LED封裝器件價格

LED封裝器件 (LED Package)價格也是表征LED價格的重要指標，市場調查和分析顯示:目前，不同的LED封裝器件制造商都生產多種色溫和光通量不同的LED封裝器件，在分析中選擇能效最高的LED封裝器件為代表，并將所有LED封裝器件價格都換算為千流明價格，測試條件包括電流密度為35A/cm2，溫度為25攝氏度。

LED封裝器件價格和光效如圖5所示。圖中各點代表采樣的LED封裝器件價格和光效，橢圓代表2009年中、2009年末、2010年末和2011年末冷白光和暖白光LED封裝器件的價格和光效的平均值和偏差分布，由于部分樣本與均值差異較大，存在一些處于橢圓外的離散點。2011年能效改進和價格下降的速度明顯放緩，代表2011年末水平的橢圓被2010年末橢圓包圍，僅在價格方向上有所下降。暖白光LED封裝器件性能較上年略有提升，平均價格為12美元/klm，光效達到了99lm/W(Cree XML)。冷白光LED封裝器件價格基本低于2011版規劃預測目標，平均價格為8美元/klm，光效達到124lm/W(飛利浦Lumileds Rebel)，2011版規劃預測為135lm/W。根據技術進步情況，美國對固態照明研發中長期規劃目標進行了修訂，修訂后的2011年版本的目標值如圖5中“×”形符號所示。

圖5 LED封裝器件價格和光效變化趨勢和規劃目標

2.3.3 LED封裝器件價格和光效發展趨勢預測

對比2011年版和2012年版的固態照明中長期研發規劃可以發現，2010年以來，LED封裝器件的價格持續下降，但是其光效提高進程有所放緩。但是，最新報道顯示2012年以來，LED封裝器件光效提高速度又明顯加快，暖白光LED封裝器件光效達到111流明/W，而冷白光LED封裝器件光效達到144流明/W(Cree XT-E)，重新追上了2011年版規劃的預測目標。此外值得注意的是，Cree XT-E產品測試溫度是85攝氏度而不是25攝氏度，而測試溫度的提高通常會降低光效約10%。根據最新的技術發展情況，2012年4月美國能源部更新了固態照明研發中長期規劃，對LED封裝器件價格和光效進行了重新預測，如表6所示。

表6 2012年美國固態照明研發中長期規劃性能預測情況

3 美國固態照明研發戰略

美國能源部支持美國固態照明的研究、開發、試點和商業化活動，其政策重點是通過支持固態照明技術研發和產品開發，推廣商業化的固態照明產品，實現照明節能。美國固態照明研發中長期規劃是指導美國未來數年和2020年固態照明領域研發項目的指導文件，總體目標是推廣低成本、高質量、高光效照明產品，同時幫助美國企業在下一代照明技術領域保持領先地位。固態照明研發政策包括六個研究領域:LED核心技術研發、LED產品開發、LED制造技術研發、OLED核心技術研發、OLED產品開發和OLED制造技術研發。

3.1 美國固態照明研發的主要任務

美國固態照明研發規劃對當前所面臨的障礙進行了分析，認為為了保證美國固態照明研發項目取得成功，五項主要任務是:

一是降低費用。LED通用照明產品的初始價格在過去幾年內已經有了明顯下降，但與傳統照明產品相比仍然過高。盡管LED通用照明產品的全生命周期費用較低，但是照明市場對初始投資較為敏感，因此進一步降低LED封裝器件和燈具材料的生產成本，研發低成本、大批量和可靠的制造方法非常重要。2009年能源部啟動了SSL制造研發項目，并出臺了制造研發技術路線圖作為項目指導文件。

二是進一步提高光效。能源部非常重視能效提高，LED照明顯示出巨大的節能潛力，目前傳統的熒光粉混光模式的LED照明產品光效增長已經開始放緩，需要重點提升熒光粉，尤其是紅光熒光粉的發光效率，同時繼續重視三基色直接混光模式LED照明產品和以上兩種方式結合混光模式的研發，尋求新的突破。盡管目前LED照明產品的光效已經超過了白熾燈和緊湊型熒光燈，但是為了與傳統照明解決方案競爭，并實現最大的節能效益，光效仍需要進一步提高。目前商用LED照明產品光效還遠未達到其理論極限值，仍然有極大的提高空間，光效的進一步提高將帶來更多的節能效益，并加快SSL產品推廣進程。尤其是降低高驅動電流條件下的光效衰減，可以減少單個燈具中LED封裝器件的使用量，從而極大地降低成本。光效提升還能減少熱量的產生，降低散熱需求，從而節約散熱材料成本，進一步降低燈具成本，這對以路燈為代表的高光通量照明產品尤其重要。

三是延長使用壽命。目前燈具使用壽命主要關注光通維持率指標，但這只是使用壽命的一個方面，對于LED照明產品而言，色漂移、器件失效等原因都可能影響其使用壽命。燈具設計也對LED使用壽命具有重要影響，散熱不良、供電系統設計不合理都可能降低LED照明產品使用壽命。目前能源部正致力于建立LED照明燈具組件可靠性數據庫和支持系統來幫助照明設計人員更好地設計燈具。

四是加強測試。市場上的LED照明產品的實際光通量和光效指標往往與實驗室測試結果存在出入。雖然光通量、顯色性和光效的標準化測試方法已經出臺，但是仍然有很多產品無法滿足標準化測試的測試條件。為此，能源部支持了“Lighting Facts”標識項目，向消費者和市場提供標準化的權威測試報告，但是在實際使用過程中，燈具的使用環境和工作條件往往不同于測試條件，尤其是實際使用時燈具溫度往往較高，降低了光效，目前能源部已經開始重視解決這方面的問題，通過開發快速可靠的測試方法，向消費者和市場提供更新更快的測試結果，以縮短LED照明產品的推廣時間。但是，目前仍然沒有準確預測LED照明產品使用壽命的測試方法，制造商和消費者仍然對LED照明器件和燈具的使用壽命存在疑慮，延遲了LED照明產品推廣。

五是改進制造技術。統一制造方法和元件規格對LED照明產品的發展至關重要，這將大大降低制造成本，目前能源部負責的固態照明制造技術研發項目正試圖解決這一問題。

3.2 美國固態照明研發的資金投入

美國歷年固態照明研發的財政資金投入量如圖6所示。美國自2003財年起逐步加大了對固態照明研發的財政支持力度，并在2007財年達到高峰。2009年，在美國振興計劃 (American Recovery and Reinvestment Act，ARRA)中一次性投入了5000萬美元用于加速固態照明研發和制造技術研發項目的啟動。近5年來，美國支持固態照明研發的財政資金投入量穩定在年均2500萬美元左右。2011財年，財政資金實際投入2650萬美元 (預算投入為2700萬美元，實際投入削減了50萬美元)，2012財年預算投入為2580萬美元。

圖6 美國歷年固態照明研發的財政資金投入量

從支持領域看，2012年3月，財政資金支持項目共計37個 (2011年為47個)，涵蓋 LED和OLED技術兩方面，并重視平衡長期項目和短期項目，同時考慮大型企業、中小企業和研究機構的參與，涉及到的政府財政投入和企業投入總計約1.103億美元 (2011年為1.2億美元)，其中政府投入6450萬美元 (2011年為7240萬美元)，參與單位配套經費4580萬美元 (2011年為4760萬美元)。37個項目中，LED技術研發項目占23項，OLED技術研發項目占14項。預算經費中，能源部EERE辦公室下屬建筑技術項目管理32個項目，涉及預算1.054億美元 (包括配套經費)，由美國國家能源技術實驗室 (National Energy Technology Laboratory)負責具體運行管理。科技辦公室的小企業創新研究項目 (Small Business Innovation Research，SBIR)資助了剩余的5個項目，涉及預算490萬美元。

能源部在固態照明研發方面的合作伙伴包括工業企業、中小企業、大學和國家實驗室。從預算資金分配上看，工業企業分配到的預算資金最多，共計7430萬美元 (占總預算的67%)，中小企業獲得2180萬美元預算 (20%)，大學獲得980萬美元(9%)，國家實驗室獲得440萬美元 (4%)。

從研究領域看，2012年正在實施的研發項目中，LED制造技術研發占4460萬美元 (41%)，OLED制造技術研發占2050萬美元 (19%)，LED核心技術研發占1600萬美元 (15%)，OLED核心技術研究占880萬美元 (8%)，LED產品開發占1450萬美元 (13%)，OLED產品開發占590萬美元 (6%)。與2011年相比，制造技術研發的資金投入量和比重有所上升，而產品開發的資金投入量和比重下降，核心技術研發的資金投入和比重基本持平;OLED研究領域的資金投入量和比重有所提高。

3.3 美國固態照明研發的優先任務

固態照明研發中長期規劃是一個動態規劃(living plan)，具有更新機制，定期修訂以反映最新技術進步情況和市場變化。2005年2月能源部相關工作組在San Diego召開的首次研發任務結構和優先行動研討會上，提出了最初的美國固態照明中長期規劃優先任務。在隨后的規劃修訂過程中，優先任務也隨著技術進步和對固態照明技術認識的深入而不斷修訂。以2012財年為例說明規劃更新機制:2011年11月在華盛頓特區召開了一系列圓桌會議(Roundtable sessions)，邀請工業領域專家對LED和OLED技術發展現狀進行討論，找出當前最迫切的研發任務;圓桌會議的討論結果經整理成為優先任務草案，能源部固態照明研發工作組于2012年2月在佐治亞召開工作組會議，對優先任務草案進行討論;工作組在此基礎上提出2012年優先研發任務征求意見稿，提交能源部與照明產業代表討論，收集反饋意見，并征求各部門意見后，由能源部正式發布2012年固態照明研發中長期規劃優先任務。從規劃文本上看，2012年LED技術研發優先任務與2011年版本完全一致。

3.3.1 LED核心技術研發優先任務

2012年LED核心技術研發優先任務包括:一是進一步研究影響LED照明產品光效的關鍵材料，了解LED發光的物理機制和高性能藍光LED照明產品在電流密度上升時光效下降的原因;二是提高LED照明產品的內在量子效率(Internal quantum efficiency，IQE)，尤其是在紅光和黃光區的量子效率;三是提高熒光粉的發光效率和熱穩定性，提高暖白光LED產品的轉化效率、光譜效率和顏色質量。

3.3.2 LED產品開發優先任務

2012年LED產品開發優先任務包括:一是尋找光效能夠達到目前先進水平的替代基底解決方案，制造低成本、高性能的LED封裝器件;二是開發新型LED封裝模式和結構，使LED封裝器件更容易與燈具集成，并有利于解決光效、散熱、成本、顏色、配光、電路集成、敏感性和穩定性問題;三是鼓勵收集固態照明燈具和原件的系統穩定性數據，尋找失效原因，并利用這些數據開發模擬SSL穩定性和壽命的軟件，加快測試速度;四是鼓勵燈具結構的完全創新，充分發揮LED照明特性 (包括形狀因素、配光和顏色控制能力等)，實現節能目標，同時加快市場推廣。

3.4 固態照明研發規劃中長期目標

LED照明目前包括熒光粉混光模式和三基色直接混光模式，不同混光模式的技術路線不同，研發目標也不相同。

3.4.1 熒光粉混光模式LED照明產品研發目標

熒光粉混光模式LED照明產品 (pc-LED)的技術參數水平、2020年目標和遠期目標如表7所示。

3.4.2 三基色直接混光模式LED照明產品研發目標

未來美國更加看好三基色直接混光模式LED照明產品 (Color-Mixed LED)提高光效的前景，技術參數水平、2020年目標和遠期目標如表8所示。

表7 熒光粉混光模式LED照明產品現狀及目標

表8 三基色直接混光模式LED照明產品現狀及2020年目標

3.4.3 固態照明研發目標

根據以上預測，設定了美國固態照明中長期規劃LED封裝器件和燈具的發展目標，如表9所示。

表9 美國固態照明中長期規劃LED封裝器件和燈具發展目標

［1］U．S．Depart of Energy．Solid-State LightingResearch and Development:Multi-YearProgram Plan April 2012．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_mypp2012_web．pdf．April 2012．

［2］U．S．Depart of Energy．Solid-State Lighting Research and Development:Multi-Year Program Plan March 2011．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_manuf-roadmap_july2011．pdf．March 2011．

［3］U．S．Depart of Energy．Solid-State Lighting Research and Development:Manufacturing Roadmap July 2011．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_manuf-roadmap_july2011．pdf．July 2011．

［4］U．S．Depart of Energy．5-Year SSL Commercialization Support Plan FY09 through FY13．http://www1．eere．energy．gov/buildings/ssl/pdfs/ssl_5year-plan_09-13．pdf．May 2009．

(未完待續)

［5］U．S．Depart of Energy．GATEWAY Demonstrations Showcase SSL Product Performance．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/gateway _jan2012_factsheet．pdf．Jan 2012．

［6］U．S．Depart of Energy．CALiPER Program Supports Unbiased Testing， Promotes Consumer Confidence．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/caliper_jan2012_factsheet．pdf．Jan 2012．

［7］U．S．Depart of Energy．DOE Announces Philips as First Winner of the L Prize Competition http://www．lightingprize．org/philips-winner．stm．August 3，2011．

［8］U．S．Depart of Energy．Demonstration Assessmentof Light-Emitting Diode(LED)Retrofit LampsHost Site:InterContinental Hotel， San Francisco， California．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/gateway_intercontinental-hotel．pdf．Jan 2012．