LED光源在建筑照明中的應用

焦寅川+鄭艷斌

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

關鍵詞：LED光源；建筑照明

LED光源在照明領域的應用，是半導體發(fā)光材料技術高速發(fā)展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產(chǎn)物?！熬G色照明”是國外照明領域在上世紀80年代末提出的新概念，我國“綠色照明工程”的實施始于1996年。實現(xiàn)這一計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，建立一個優(yōu)質高效、經(jīng)濟舒適、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，它們利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料，當兩端加上正向電壓，半導體中的載流子發(fā)生復合，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結芯片、電極和光學系統(tǒng)組成。其發(fā)光體——晶片的面積為10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前國際上出現(xiàn)大晶片LED，晶片面積達40mil。其發(fā)光過程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。微小的半導體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中，當電子經(jīng)過該晶片時，帶負電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域并與之復合，電子和空穴消失的同時產(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。光子的能量反過來與光的顏色對應，可見光的頻譜范圍內，藍色光、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，即以藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來較被看好的是三波長白光LED，即以無機紫外光晶片加紅、藍、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。采用電子光場輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用LED燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎。平均壽命達10萬小時。LED燈具使用壽命可達5～10年，可以大大降低燈具的維護費用，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。

2 建筑照明應用中LED光源存在的問題

近年來，LED的發(fā)光效率正在逐步提高，商品化的器件已達到白熾燈的水平，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)步增長中。但是，在照明普及應用方面仍存在一些技術性問題：

一是光通量有待進一步提高。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。

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

3 LED照明光源技術的應用前景及趨勢

長期以來，由于LED光效低的原因，其應用主要集中在各種顯示領域。隨著超高亮度LED（特別是白光LED）的出現(xiàn)，在照明領域的應用成為可能。據(jù)國際權威機構預測，二十一世紀將進入以LED為代表的新型照明光源時代，被稱為第四代新光源。

目前，照明消耗約占整個電力消耗的20%，大大降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑，為實現(xiàn)這一目標業(yè)界已研究開發(fā)出許多種節(jié)能照明器具，并達到了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還遠遠不夠，開發(fā)和應用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。LED以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。美國、日本等國家和臺灣地區(qū)對LED照明效益進行了預測，美國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，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世紀計劃”，針對新世紀照明用LED光源進行實用性研究。近年來，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行LED照明產(chǎn)品的研究開發(fā)和生產(chǎn)。美國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。德國歐司朗公司與西門子公司合作開發(fā)LED照明系統(tǒng)。臺灣目前的LED產(chǎn)量僅次于日本列在美國之前，從1998年開始投入6億臺幣進行相關開發(fā)工作。

LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領域的應用還是新技術。隨著LED技術的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的逐步提高，LED的應用市場將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。隨著全國城市化的進一步發(fā)展，建筑工程領域將不斷擴大，LED光源的應用也將不斷發(fā)展。LED作為第四代新光源，在城市建設領域中已得到了有效的應用，但要在路燈建設和維護中取代大功率的高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈等光源，還需進一步的研究和探討，認真解決LED光源在照明應用中存在的技術問題，還需LED光源生產(chǎn)廠家結合路燈行業(yè)的實際情況，生產(chǎn)符合路燈建設和維修所需的新產(chǎn)品，使第四代新光源在城市照明建設中發(fā)揮更大的作用。

4 結束語

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、安全可靠性強，有利于環(huán)保等特性，近幾年來在城市建設中得到了廣泛的應用。目前已應用于護欄照明、廣場照明、庭院照明、投光照明、水下照明系列。許多城市利用LED光源照明技術應用于工程建設中，產(chǎn)生了良好的效果，積累了豐富的的經(jīng)驗。

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