LED灯 洪水猛兽还是诺亚方舟

LED灯 洪水猛兽还是诺亚方舟 ——LED灯评估 姓名: 学号: 班级: 学院: 指导老师: 2010年5月22日 金融危机下，政府通过各种投资或消费拉动经济，节能减排成为大趋势，照明产品是国民经济发展和人民生活的必需品，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对照明产品的需求日益增长。LED(Light Emitting Diode)照明作为一种全新的照明技术，具有高亮度，低能耗，长寿命、色彩丰富、安全环保等特性，是近年来全球最具发展前景的高技术领域之一，LED在照明领域的应用将孕育和催生新的光源革命。 一( LED灯简介 LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 LED历史 50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，1962年，通用电气公司的尼克•何伦亚克(NickHolonyakJr.)开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环 氧树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结施加反向电压时，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 LED最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命、低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。 对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(λp=465nm，Wd=30nm)，高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有 YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。 二(LED产品市场应用现状与前景 2008年LED产品在各主要应用领域销售额分布统计显示:建筑景观为我国LED最大的应用领域,占总市场份额的28%;LED显示屏与家电显示为国内LED第二大应用领域,占总市场份额的27%;手机、电脑笔记本等中小尺寸背光源为第三大应用领域,占总市场份额的22%;交通信号灯、汽车灯、特种照明灯等各类应用占有一定市场份额. 景观照明:半导体照明具有省电、富于变化、色彩亮丽、寿命长等显着特点,正在景观照明工程中得到广泛应用.2008年国内景观及装饰照明市场规模为130亿元,仅北京奥运会LED景观照明的应用就近5亿元.随着上海2010年世博会建设以及城市化进程加快,LED在景观照明领域的应用将进一步加大比重. LED显示屏:2008年LED显示屏市场规模约100亿元.随着北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等重大赛会的举办和筹备,体育场馆、机场、车站、银行、医院、公共广场、商业场所、居民社区的大面积应用,LED显示屏的市场应用空间不断扩大. 家电数码显示及指示:2008年LED家电数码显示与指示的市场规模为20亿元.随着政府推出"家电下乡"等政策拉动及城市居民生活水平的提高.购买力的增强,中国家电产品消费需求猛增.LED信号与指示模块作为数字家电的必要配件,也赢来了发展机遇. 手机、电脑等背光源:2008年手机、mp4、电脑、电视等LED背光源市场规模为100亿元.随着液晶显示技术的不断发展,其应用领域也在不断拓宽,背光源产业呈现出一派繁荣景象,已逐步开始替代CCFL(冷阴极萤光灯管),成为背光源发展的趋势. 交通信号及指示灯:2008年新建和扩建的道路全部使用LED交通信号灯,国内大多数城市的交通信号也都完成了LED改造,其市场规模约为25亿元. 汽车照明:目前汽车应用以车内照明及信号灯为主,随着功率型LED技术的突破,未来前大灯也将使用LED为主要光源.2008年车用灯(除前大灯)LED市场规模约为10亿元,正成为LED的重要应用市场. 特种照明:随着手电筒、矿灯、防爆灯、航标灯等特种照明领域LED产品的普及,LED已逐步取代其他照明光源成为此类产品的主流;太阳能灯、舞台灯、舰船灯、应急照明灯、阅读台灯等使用LED灯具的比例也迅速提高;紫外消毒、医学、农业等新兴的应用市场也正在形成.2008年LED特种照明产品市场规模约为20亿元. LED路灯:2008年LED功能性照明产品市场规模约为10亿元,市政照明的使用增长迅速,其中以LED路灯为主,约占市场的一半.据中国市政工程协会城 市道路照明专业委员会统计,2008年我国路灯总盏数约1500万盏,以后每年约新增路灯200万盏.按目前的发展速度和趋势来预测,政府如能从节能减排角度有效地引导和推动,LED路灯将成为LED最大的应用领域和市场. LED隧道灯:我国是世界上隧道最多的国家,2007年隧道数量4673座,隧道长度255.55万延米.根据《公路隧道通风照明设计规范(JTJ026.1-1999)》估算,隧道照明灯具(按平均长度547米计算)需要160万盏.目前,上海、贵州、陕西、江西、浙江、云南、重庆、安徽、广东、福建等10余个省市,已进行了大约12座、30余公里LED隧道灯的试点应用,取得良好的节能效果.LED隧道灯的应用五一蕴含着巨大的市场潜力. 地铁照明:广州、深圳、香港等地已开始在地铁人行通道、站台、车厢、灯箱等部分使用LED功能性照明产品,从我国规划准备建设和已建设轨道交通的城市来看,未来LED地铁照明也将成为很重要的应用市场. 加油站及地下停车场照明:2008年中国民用轿车保有量超过2000万辆.如以20%的民用轿车使用地下停车场计算,同时根据《建筑照明设计标准》,每年地下停车场需要36W荧光灯200万只;国内平均每座加油站用10盏陶瓷金卤灯和标示灯箱照明,中国现有加油站约94000座,虽这方面的开发应用还刚刚起步,但潜力巨大. 随着技术的进一步发展,未来LED的应用市场结构也将产生较大的变化.预计2010年,我国半导体照明市场总体规模将达到1000亿元左右,LED背光源市场规模将超过景观装饰照明,成为最大应用领域,功能性及普通照明的市场规模 也将快速增长.预计2010年到2015年的年均复合增长率预计可达40%,2015年产业规模达到5000亿元以上. 三(LED路灯应用的 1.可行性 作为新兴光源，LED正处于飞速发展的阶段，目前大功率白光LED的光效已有100lm/W;而且通过对其发光机理的研究，可以推算出LED的辐射光效可达350lm/W，还具有很大的发展空间。LED的特点之一是定向发光，在实际应用中尽可能使灯具中的LED分别把光线直接射向被照面的各个区域，配合灯具反射器的辅助配光，得到符合各种需求的精确光分布，因此LED路灯灯具配光设计精准到位是其能否替代传统路灯的关键。 LED无明显的失效机理，理论寿命可达10万小时。在泛光照明应用中，通常约定LED输出光通量衰减到初始值的70%时即为寿命终点，照此现有LED寿命也有5万小时。可大幅减少维护工作，节约运行成本。 作为半导体光源，LED响应迅速，能在连续开关闪断状态工作，轻松实现0~100%调光，可与控制系统整合，按需要调整光输出。 2.优势性 对比传统钠灯及金属卤化物灯路灯，LED除节约可观电能外还有如下明显优势。 1)虽然传统光源有更高的光效:钠灯110lm/W，金卤灯80lm/W。但这类光源应用在道路灯具中时，只有40%的光是直接照射到路面，其它光是通过灯具反射器再投射出灯具。而此类灯具的反射器效率仅为50%~60%，灯具效率一般仅有70%。反射器设计难度大，无法真正满足配光需求，普遍存在在直接照射方向照度过大，而在两灯光线交叉处照度过小的问题。 反观LED路灯，3次配光设计使大部分光是直接投射到路面，灯具整体光效达50lm/W。 2)LED光源输出白光显色性达65，色温适中:5000K~6000K,相比钠灯，光色更为自然。按“中间视觉”理论，白光LED具有较高的中间视觉等效光效，即在中间视觉条件下的亮度提高约40%，而此时“黄光”高压钠灯的等效光效要降低约30%。虽然中间视觉理论依据人眼感官，现在还处于争议中并无确切的标准，但LED的高显色性无疑有助于司机及行人识别目标，在同样的路面亮度下提供更好的通行条件。 3)钠灯与金卤灯均为高压气体放电灯，因故熄灭后热启动时间长达5,8分钟;LED灯具则可工作在连续开关闪断的状态下。 4)LED灯具可实现0~100%连续调光，可根据环境光照及交通状况灵活调整光输出，在保证照明质量的同时降低不必要的功耗。采用传统钠灯及金卤灯的路灯，一般只能实现小范围的调光控制，应用中不可避免的受到其最低工作电压要求的局限性。 5)LED灯具寿命长，在良好的散热条件下可达50,000小时，光衰小，有效降低维护工作，减少运行成本。 3.维护问题 LED的一大优势是长寿命，大功率LED芯片的寿命可达50,000小时，大都管理部门在选用LED路灯时，除考虑节能经济性外，往往同时考虑到其免维护或少维护的优点。但实际上LED芯片的寿命可以达到50,000小时，并不意味LED灯具的整体寿命可以达到50,000小时。其中，很大的瓶颈在于其他电子元器件的寿命，比如国内大多驱动电源的寿命仅有20,000小时。如果LED路灯的驱动电源设计未经特别设计，则整灯寿命也就仅为20,000小时。 目前LED路灯灯具的结构设计均为一体化设计，即其相关器件无法在现场更换，无论是LED光源损坏或是电源故障，一有问题则必须整灯拆除更换，维护工作成本大大增加。由于LED产品的升级换代速度很快，许多接口又没有国标约束，随着芯片更大功率的出现，一般厂家很难保证在1年或若干年后是否还会生产现有的产品。届时产品的备品包括维护就成为运行维护部门棘手的问题，一条路一种路灯现象会愈来愈多。 所以，成熟的LED路灯产品除了有精准的配光设计，有效的散热功能，可靠的电子驱动，还应凸显模块化设计理念，要考虑到更新换代的空间及方便检修和长期维护的连续性。 4.性价比问题 由于目前LED芯片的价格仍处于较高水平，LED路灯的价格与传统灯具相比仍处于较高水平。 传统250W高压钠灯:灯具单价2000元，高压钠灯光效120lm/W，按灯具效率0.50计算: 2000/(250W*120lm/W*0.50)=0.13元/lm 本案例中LED路灯:单价4000元，LED实际光效50lm/W，按灯具效率0.65计算: 4000元/(135W*45lm/W*0.65)=0.76元/lm 通过以上比对可发现，目前LED路灯的性价比仍处于较低水平。 综合上述分析可知，作为新兴产品LED路灯由于配光设计、散热、维护、性价比等方面的不足限制了其大规模的应用。但我们也确实看到，这些大都是灯具设计的问题，LED本身具有生产过程及其产品无污染，不拍震动，可实现0~100%的连续调光，可在特低电压下工作，可连续工作于开关、闪断状态及光输出定向性好等许多独特优势，特别是其长寿命多光色更是其他路灯光源所不能替代的。随着世界范围内该技术的不断发展，各产商将逐渐熟悉、理解LED的特性，在路灯灯具设计中针对LED的特点，打破传统思维，进行扬长避短的设计。我们期待着LED路灯在各项指标中达到并超过传统路灯，并早日在道路照明中得到广泛的运用。