大功率节能白光LED灯可行性报告.doc

大功率节能白光LED灯可行性报告
一、简介
在当前世界能源危机愈演愈烈的大背景下，半导体白光LED照明是21世纪最具有发展前景的高新技术领域之一，LED作为第四代照明光源，具有节能、环保、使用寿命长、耐冲击、反应速度快、体积小等独特优点，广泛应用于一般照明和背光源等领域。由于白光LED照明符合绿色照明工程节能与环保的要求，将产生巨大经济和社会效益，因此发展高效绿色节能的半导体照明(SSL)产业已是大势所趋。目前，白光LED在照明市场的前景备受全球瞩目，欧、美及日本等先进国家纷纷投入大量的人力和财力，成立专门的机构和计划推动白光LED研发工作。如欧盟的“彩虹计划”、美国的“国家半导体照明研究计划”以及日本的“21世纪照明研究发展计划”等。我国对LED行业的发展也高度重视，科技部“863”、“973”计划均立项支持对蓝光、白光LED的开发研究。
随着LED(发光二极管)制造技术的不断进步，其光效不断攀升，截止目前大功率白光LED的光效实验室水平已超过190lm/w，稳定的产品光效也有90lm/w。这一光效值展现出LED应用于实际意义上的通用照明的潜力。加上LED寿命长、抗震性好、体积小近似点光源、驱动简单等种种特点，LED无疑在道路照明领域拥有很大的潜力，LED路灯成为继LED交通信号灯后又一具有广阔发展前景的产业，各国政府、研究院及制造商都已经意识到这一点并开展了这方面的研发和推广工作，我国在十一五半导体照明工程计划支持下也积极开展了LED路灯的研发工作。
目前我国已经是世界上最大的光源与灯具生产国，2009年，中国的传统照明企业近万家，销售额超过3000亿元，中国的出口占世界贸易的30%以上。随着LED技术的不断进步以及LED应用的不断推广，为了响应国家节能减排的号召，促进半导体照明事业的发展，很多传统照明光源生产厂家纷纷将方向转到LED产品上。目前LED路灯的研究与应用非常热，但国内真正做的好的企业不多，本项目抓住这个契机，研制真正高效节能LED路灯，形成具有自主品牌的产品，从而带动行业与市场的发展。
我国是电力生产与消耗大国，其中道路照明占整个照明用电的比重达到了25%～30%，年耗电达到了1000亿度。如果用LED路灯全部代替高压钠灯，节电达30%（保守估计，可实现更高），每年就可省电300亿度！
目前国内研发的大多LED路灯只是简单地由多颗LED组合成路灯灯具，没有进行合理的配光设计，不能满足道路照明的区域均匀性和照度要求，且灯具整体效率不高。其实际使用效果大多不能得到令人满意的结果，对半导体照明产业的良性发展造成了一定的负面影响。
本项目对LED路灯的配光运用光学软件进行了科学设计，采用了能形成均匀照明矩形光斑的特殊自由曲面透镜，安装在每一个大功率LED前，使得配光完全满足道路照明标准要求且具备高集光效率，提高了LED的光效。
二、白光LED发光结构和原理
本产品所采用的白光LED发光结构都是利用蓝色LED与荧光粉体组合来形成白光，与两个芯片的白光LED发光结构及采用红、绿、蓝三原色三个LED芯片制备的白光LED相比，这种用一个芯片的白光结构不仅具有制备简单、发光效率高、稳定性好等优点，而且具有生产工艺成熟、成本低廉等优点。具体对比情况见表1。
表1 白光LED的发光结构和原理
芯片数
激发源
发光材料
白光发光原理
3
蓝、黄、绿色LED
InGaN，GaP
将发三原色的三个芯片封装
2
蓝、绿色LED
InGaN，AlInGaP
将具有补色关系的两种芯片封装
1
蓝色LED
InGaN/YAG
InGaN的蓝光与YAG的黄光混合
蓝色LED
ZnSe
薄膜蓝光和基板黄光混合
紫色LED
InGaN/荧光粉
InGaN的紫光激发出三基色荧光
表中蓝色LED与YAG荧光粉体组合形成白光的封装结构主要分为两类：第一类是由单颗1W的蓝光芯片封装激发荧光粉，此法结构简单、成本低、工艺成熟，但是存在光色一致性差、眩光大等缺陷；第二类是由多颗1W蓝光芯片集成式（Chips on board）封装后激发荧光粉，具有发光效率高、光色一致性好、制备效率高等优点，但此类方法目前工艺相对不是很成熟。上述第二类中的集成式封装工艺主要有两种：
①荧光粉直接涂覆在蓝光芯片上。此法工艺相对简单，但荧光粉激发效率低且受温度影响大，易老化，如图2：

图2 集成式封装工艺（一）
②芯片上涂覆硅胶后，再涂覆荧光粉。此法荧光粉虽然远离发热芯片受热影响相对小，但是荧光粉仍然老化严重，如图3：

图3 集成式封装工艺（二）
本项目所采用的封装工艺技术是在荧光粉涂覆于透镜中，蓝光芯片经过硅胶层和透镜底面后激发荧光粉层。此法由于透镜内空腔易设计，可得到面光源，光色一致性好，荧光粉的激发效率高且不易老化，如图4。

图4 本项采用的封装工艺
本项目中的LED白光面光源模块可以通过改变透镜的形状，来满足不同配光曲线的要求，目前已经设计出满足LED路灯、隧道灯等要求的配光曲线透镜。
较早时期的大功率LED路灯只是模仿以高压钠灯为主的道路照明灯具的形式，通过利用LED来替代常用的高压钠灯光源，结构非常简单。一般直接选用常规的路灯外壳、结构件及光输出角度较大的功率LED作为发光器件，采用在兼有反光器和散热器功能、面有散热鳍片的金属平面上将LED简单地等距离排列，并通过LED阵列混联的方式来获得较大的灯功率输出和较强的光输出。由于没有针对LED的出光特点和道路照明标准来进行LED路灯的二次、奇次配光设计，因此就如图5(a)所示的那样：路灯的光输出在路面上形成一个圆形光斑，造成在道路方向上的照明角度有限，圆形光斑之间由于没有光的平滑叠加过渡而形成明显的暗区——斑马效应；在道路垂直方向上散落在道路边外围没有被利用的光较多，无法满足道路照明对路灯光输出特性的要求。
(a)
(b)

图5 不同道路照明配光效果 (a)早期设计 (b)本项目设计
为了满足对路面亮度和路面照度的要求，路灯的光强输出曲线沿着道路方向必须是“蝙蝠翼”型的，在垂直于道路方向上满足均匀度的要求。路灯的光输出配光应该像图5(b)所示，为长方形的均匀光斑，使得绝大部分的光都分布在路面上，尽可能地提高灯光的利用效率，减少不必要的浪费。
本项目对LED路灯的配光运用光学软件进行了科学设计，采用了能形成均匀照明矩形光斑的特殊自由曲面透镜，安装在每一个大功率LED前，使得配光完全满足道路照明标准要求且具备高集光效率。光学设计方法采用光线追迹软件进行仿真，其基本原理即Snell折反射定律。所采用的技术是基于自由曲面光学透镜的设计，采用微分方程数值解构造光学自由曲面来实现均匀照明的设计方法，根据LED的光辐射特性以及目标面上所需的照度分布，推导出一组用于计算自由曲面面型的微分方程组，并利用数值解法直接得到自由曲面的面型数据，再将自由曲面的面型数据进行CAD建模，然后运用MonteCarlo方法进行光线追迹模拟。该项技术是本项目最关键的技术之一。

图6 自由曲面透镜的LED二次配光
在LED白光面光源的基础上，本项目通过合理的结构设计，极大提高了产品的稳定性，延长了使用寿命和拥有合理的照度设计。
三、市场前景
在全球积极节能的趋势不变之，LED路灯的需求量节节上升，2007年全球LED路灯的渗透率仅0.23％，2009年LED路灯超过1％，突破200万盏需求。2011年LED路灯可望达800多万盏，渗透率8.5％，若以2009年LED应用于路灯的需求量相较2008年成长率增加至I78％，成长率达到最高峰阶段。2008年全球路灯市场规漠近1.81亿盏，2009年估计达到l.93亿盏，平均路灯每年成长率约5～6％左右，近1200万盏，市场规模已达饱时期，除了中国市场以外，其它区域新建路成长空间相当有限。
虽然中国并非全球最大路灯市场，但根据中国国家路灯行业统计，中国道路照明2009年约2800万盏路灯。年成长率15～20％，相较全球路灯仅5～6％的成长率。中围1年新增及更换的路灯选300～400万盏，占全球新增路灯1/3，是近年最积极进行城市化建进的国家。再加上中国当地有严重电力供应不足问题。为了顺应节能减碳趋势，2006年中国宣布“十一五计划”，将半导体照明产品名列为第一重点发展领域，促使中央政府扩大新建LED路灯的需求，以目前中国LED路灯市场商机最为明显、规模最庞大势，势必为各家LED业者极力抢攻的区域
虽然在环保节能趋势考虑下，欧美对LED路灯应用起步甚早，但推广脚步缓慢，多半停留在单点测试示范早期阶段，目前LED路灯主要销售市场集中在中国地区，是LED路灯市场的重要先驱，从2007年需求量30万盏，占全球LED数量近75%；2008年需求量60万盏，成长高达1倍，占全球67%；2009年将突破100万盏，达到140万盏，占全球比例达55%。2010、2011年中国LED路灯数量预估为250万盏及500万盏，市场占有率分别占55%及59%，比重相当高，需求量比例皆高达5成以上，是各家行业者目前吉利布局的市场。
本项目产品“新型大功率节能白光LED路灯”其长寿命、高光效、多光色及一次配光定向照射功能，能实现0％～100％调光功能，输出光无频闪等优点，与目前同类产品的生产技术相比且其光学设计合理，满足道路照明标准要求，技术达到国内同行业的领先水平，具有广阔的市场应用前景。
四、投资效益分析
（1）投资效益分析
在国民经济可持续发展的大环境和背景下，单纯的利润额、投入产出
7

代表的五大光电产业基地为代表的示范地区都取得了如火如荼的发展。
LED作为第四代照明光源，具有节能、环保、使用寿命长、耐冲击、反应速度快、体积小等独特优点，广泛应用于一般照明和背光源等领域。由于白光LED照明符合绿色照明工程节能与环保的要求，在提供巨大经济效益的同时，也产生巨大社会效益。
目前我国已经是世界上最大的光源与灯具生产国，2009年，中国的传统照明企业近万家，销售额超过3000亿元，中国的出口占世界贸易的30%以上。随着LED技术的不断进步以及LED应用的不断推广，为了响应国家节能减排的号召，促进半导体照明事业的发展，很多传统照明光源生产厂家纷纷将方向转到LED产品上。目前LED路灯的研究与应用非常热，但国内真正做的好的企业不多，本项目抓住这个契机，研制真正高效节能LED路灯，形成具有自主品牌的产品，从而带动行业与市场的发展。
我国是电力生产与消耗大国，其中道路照明占整个照明用电的比重达到了25%～30%，年耗电达到了1000亿度。如果用LED路灯全部代替高压钠灯，节电达30%（保守估计，可实现更高），每年就可省电300亿度！综上所述，本项目的市场应用具有重大意义。