LED光源在建筑照明中的應(yīng)用

焦寅川+鄭艷斌

摘 要：自工業(yè)革命以來(lái)，人類向大氣中排放的二氧化碳等吸熱性強(qiáng)的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應(yīng)也隨之加劇，引發(fā)全球氣候變暖等一系列嚴(yán)重問題，加之世界能源危機(jī)逐步加重，節(jié)能環(huán)保已然成為了全人類都必須面臨的一個(gè)重要議題。為此，本文在充分了解LED照明概念的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑照明中LED光源存在的問題進(jìn)行了分析，并對(duì)其應(yīng)用前景及趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：LED光源；建筑照明

LED光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產(chǎn)物。“綠色照明”是國(guó)外照明領(lǐng)域在上世紀(jì)80年代末提出的新概念，我國(guó)“綠色照明工程”的實(shí)施始于1996年。實(shí)現(xiàn)這一計(jì)劃的重要步驟就是要發(fā)展和推廣高效、節(jié)能照明器具，節(jié)約照明用電，減少環(huán)境及光污染，建立一個(gè)優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟(jì)舒適、安全可靠、有益環(huán)境的照明系統(tǒng)。

1 LED照明概念

LED（LighyEmittingDiode），又稱發(fā)光二極管，它們利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。發(fā)光二極管主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。其發(fā)光體——晶片的面積為10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前國(guó)際上出現(xiàn)大晶片LED，晶片面積達(dá)40mil。其發(fā)光過程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中，當(dāng)電子經(jīng)過該晶片時(shí)，帶負(fù)電的電子移動(dòng)到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時(shí)產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來(lái)與光的顏色對(duì)應(yīng)，可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)色光、紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。

LED照明光源的主流將是高亮度的白光LED。目前，已商品化的白光LED多是二波長(zhǎng)，即以藍(lán)光單晶片加上YAG黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來(lái)較被看好的是三波長(zhǎng)白光LED，即以無(wú)機(jī)紫外光晶片加紅、藍(lán)、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光，它將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈泡及LED背光源等市場(chǎng)。采用電子光場(chǎng)輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點(diǎn)。而采用LED燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易破碎。平均壽命達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。LED燈具使用壽命可達(dá)5～10年，可以大大降低燈具的維護(hù)費(fèi)用，避免經(jīng)常換燈之苦。LED為全固體發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品，也便于安裝和維護(hù)。

2 建筑照明應(yīng)用中LED光源存在的問題

近年來(lái)，LED的發(fā)光效率正在逐步提高，商品化的器件已達(dá)到白熾燈的水平，景觀燈采用的白色LED發(fā)光效率接近熒光燈的水平，并在穩(wěn)步增長(zhǎng)中。但是，在照明普及應(yīng)用方面仍存在一些技術(shù)性問題：

一是光通量有待進(jìn)一步提高。采用LED作為照明光源，必須可以發(fā)出更多的光，必須具有更高的能量效率。

二是LED發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距。白熾燈具有非常強(qiáng)的黃色光的成分，給人一種溫暖的感覺。而白光LED發(fā)出的白光帶有藍(lán)色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺不很自然。

三是價(jià)格較高。這是影響LED照明普及的主要原因。但是，近年來(lái)出于晶片技術(shù)的改良，制造成本正在急劇下降，近三年來(lái)LED的價(jià)格下降了近50%，其正朝著高效率、低成本的方向發(fā)展，這為L(zhǎng)ED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有利條件。此外，較好的性價(jià)比也可以彌補(bǔ)成本價(jià)格方面的不足。

3 LED照明光源技術(shù)的應(yīng)用前景及趨勢(shì)

長(zhǎng)期以來(lái)，由于LED光效低的原因，其應(yīng)用主要集中在各種顯示領(lǐng)域。隨著超高亮度LED（特別是白光LED）的出現(xiàn)，在照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，二十一世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時(shí)代，被稱為第四代新光源。

目前，照明消耗約占整個(gè)電力消耗的20%，大大降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)業(yè)界已研究開發(fā)出許多種節(jié)能照明器具，并達(dá)到了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，開發(fā)和應(yīng)用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢(shì)在必行。LED以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。美國(guó)、日本等國(guó)家和臺(tái)灣地區(qū)對(duì)LED照明效益進(jìn)行了預(yù)測(cè)，美國(guó)55%白熾燈及55%的日光燈被LED取代，每年節(jié)省350億美元電費(fèi)，每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。日本100%白熾燈換成LED，可減少1～2座核電廠發(fā)電量，每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。臺(tái)灣地區(qū)25%白熾燈及100%的日光燈被白光LED取代，每年節(jié)省110億度電。日本早在1998年就編制“21世紀(jì)計(jì)劃”，針對(duì)新世紀(jì)照明用LED光源進(jìn)行實(shí)用性研究。近年來(lái)，日本日亞化工、豐田合成、SONY、佳友電工等都已有LED照明產(chǎn)品問世。世界著名的照明公司如飛利浦、歐司朗、GE等也投入大量的人力物力進(jìn)行LED照明產(chǎn)品的研究開發(fā)和生產(chǎn)。美國(guó)GE公司和EMCORE公司合作成立新公司，專門開發(fā)白光LED，以取代白熾燈、緊湊型熒光燈、鹵鎢燈和汽車燈。德國(guó)歐司朗公司與西門子公司合作開發(fā)LED照明系統(tǒng)。臺(tái)灣目前的LED產(chǎn)量?jī)H次于日本列在美國(guó)之前，從1998年開始投入6億臺(tái)幣進(jìn)行相關(guān)開發(fā)工作。

LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。隨著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的逐步提高，LED的應(yīng)用市場(chǎng)將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場(chǎng)的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認(rèn)為在未來(lái)10年成為最被看好的市場(chǎng)以及最大的市場(chǎng)將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。隨著全國(guó)城市化的進(jìn)一步發(fā)展，建筑工程領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，LED光源的應(yīng)用也將不斷發(fā)展。LED作為第四代新光源，在城市建設(shè)領(lǐng)域中已得到了有效的應(yīng)用，但要在路燈建設(shè)和維護(hù)中取代大功率的高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈等光源，還需進(jìn)一步的研究和探討，認(rèn)真解決LED光源在照明應(yīng)用中存在的技術(shù)問題，還需LED光源生產(chǎn)廠家結(jié)合路燈行業(yè)的實(shí)際情況，生產(chǎn)符合路燈建設(shè)和維修所需的新產(chǎn)品，使第四代新光源在城市照明建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由于LED光源具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠性強(qiáng)，有利于環(huán)保等特性，近幾年來(lái)在城市建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前已應(yīng)用于護(hù)欄照明、廣場(chǎng)照明、庭院照明、投光照明、水下照明系列。許多城市利用LED光源照明技術(shù)應(yīng)用于工程建設(shè)中，產(chǎn)生了良好的效果，積累了豐富的的經(jīng)驗(yàn)。

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