关于LED普通照明系统效率问题的思考.doc

随着世界经济的高速增长，全球能源短缺越来越严重。而在总的能源消耗量中，照明用电占了约20%的份额，并且还在不断增长。因此，对普通照明的光源来说，光效是最重要的指标之一。 随着世界经济的高速增长，全球能源短缺越来越严重。而在总的能源消耗量中，照明用电占了约20%的份额，并且还在不断增长。因此，对普通照明的光源来说，光效是最重要的指标之一。中国照明网技术论文LED照明 而照明系统光效取决于光源，光学透镜或反光杯，以及镇流器或驱动电路。在各种新光源中，最受瞩目的就是半导体发光二极管（LED）。尤其是白光LED,它在光效（理论光效350lm/W）和寿命方面具备一般光源所无法比拟的潜在优点，并且面临突破的可能。LED广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、装饰性灯等领域。其中，最有潜力的应用当属大规模的通用照明应用。然而，目前LED依然价格偏高，成本因素制约了大功率LED的广泛推广应用。同时，大功率白光LED的现有光效约为90-100 lm/W,与传统光源相比节能并不明显。除了提高LED光效以外，我们还可通过光学和电学设计来提高LED照明系统的效率。中国照明网技术论文LED照明 关于系统光效中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 光效高，对于国家来说意味着节能节电，对于用户来说意味着省钱，即同样照度可以用较低瓦数的光源实现。中国照明网技术论文LED照明 事实上，用户关心的是照射在实际需要照射到的面积（空间）的照度。因此，与照明系统效率相关的概念有：光源光效、灯具效率和光利用率（如图1）。中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 光源光效 = 总光通量/总功率；中国照明网技术论文LED照明 灯具效率 = 灯具出射光通量/光源光通量；中国照明网技术论文LED照明 光利用率 = 要求被照明的有效面积内的光通量/光源光通量。中国照明网技术论文LED照明 因此，照明系统的效率为：系统光效 =光源效率X光利用率=驱动器效率X光效 X光利用率。由于驱动器效率一般为90%左右，各类光源差别不大，故本文主要针对光效和光利用率展开分析和讨论。中国照明网技术论文LED照明 光源光效中国照明网技术论文LED照明 首先，分析一下光源光效。中国照明网技术论文LED照明 光源光效可表示为：中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 由表1可见：当前LED的绝对光效约为90-100 lm/W,比高压钠灯、金卤灯、荧光灯等略低。但是高压钠灯、金卤灯、荧光灯等光源的光效提高难度较大，而LED的潜力巨大，其理论光效为355 lm/W.由于现有技术和工艺水平的限制，LED难以达到理论光效值。但近年来LED的光效已在快速提高，如已有报道160lm/W以上的实验室数据及130lm/W以上的市场产品。可以预见，从光效的角度，LED将对现有的其它光源形成很大的挑战。中国照明网技术论文LED照明 光利用率中国照明网技术论文LED照明 该部分将通过一个照明系统的例子，来分析系统的光利用率。中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 由表1可见：当前LED的绝对光效约为90-100 lm/W,比高压钠灯、金卤灯、荧光灯等略低。但是高压钠灯、金卤灯、荧光灯等光源的光效提高难度较大，而LED的潜力巨大，其理论光效为355 lm/W.由于现有技术和工艺水平的限制，LED难以达到理论光效值。但近年来LED的光效已在快速提高，如已有报道160lm/W以上的实验室数据及130lm/W以上的市场产品。可以预见，从光效的角度，LED将对现有的其它光源形成很大的挑战。中国照明网技术论文LED照明 光利用率中国照明网技术论文LED照明 该部分将通过一个照明系统的例子，来分析系统的光利用率。中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 LED照明系统光学设计中国照明网技术论文LED照明 传统光源的灯具利用效率较低，这是由于以下这两个原因造成的：1四面发光，部分光被光源本身挡住；2发光点大，不易做光学设计，灯具效率不高，且出射光斑不会与要求的有效照射面重合而会浪费部分光；在不同的应用下传统光源的光利用率也不同。相反的，LED的光利用率较高，我们从理论模拟可达到90%.所以，合理的光学设计对LED的应用非常重要。中国照明网技术论文LED照明 商品化的白光LED具有内置的反射器和封装树脂透镜等，这已经形成了一次光学系统，使得其光输出具有固定的方式。二次光学设计是提高灯具的有效光利用率的必要途径。中国照明网技术论文LED照明 具体实现方法分为（如图3）：中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 A） 按光学元件分类：中国照明网技术论文LED照明 （1）、LED+反光杯中国照明网技术论文LED照明 （2）、LED+透镜中国照明网技术论文LED照明 （3）、LED+反光杯+透镜中国照明网技术论文LED照明 B） 按投射方式分类：中国照明网技术论文LED照明 （1）、单个LED模块投照中国照明网技术论文LED照明 （2）、多个LED模块分区域投照中国照明网技术论文LED照明 图4 是一个LED路灯用光学软件tracepro模拟后得到的光斑。这是一个道路照明较好的灯具方式。中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 LED散热问题中国照明网技术论文LED照明 LED属于半导体发光器件。我们都知道，对于半导体器件，随着温度的变化，其特性会有明显的变化。对于LED,尤其是大功率LED,结温的升高会导致器件各方面性能的变化与衰减。当大功率LED用于照明，特别是普通照明领域时，我们必须控制结温的升高。随着半导体工艺和技术的进步，在实验室中LED的光效已经达到150lm/W,光电装换效率为20%30%,这意味着输入的电能有70-80%都装换成了热，从而导致LED温度上升。中国照明网技术论文LED照明 结温的上升取决于器件的热阻、封装，以及灯具的热沉。因为普通照明用LED的功率往往超过1 Watts,所以散热问题变得极为重要。对于LED来说，结温过高将对器件带来一系列不利影响，这些影响主要体现在三个方面：中国照明网技术论文LED照明 首先，结温过高将减少LED的外量子效率，从而加速光源的光衰。一般来说，随着温度升高，LED的光输出减少，不同类型的LED衰减也各有不同。中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 图6是在我们实验室里测得的光输出随环境温度变化曲线。我们选用不同厂家的8个LED作为样品：1-4号的功率2为0.06W,5-8号为1W.样品分别在3个温度（-40，25，70）下点亮。经过3小时的点灯稳定时间，测量输出光通量和相对光谱能量分布。由实验结果可以得到：光通量对环境温度（事实上是结温）的变化相当敏感，尤其是大功率LED。中国照明网技术论文LED照明其次，结温过高将导致LED发出光的主波长的偏移，这将导致两个后果：中国照明网技术论文LED照明 1、导致荧光粉与输出光失配，从而导致光输出下降。图7给出了YAG荧光粉的光谱响应。YAG荧光粉是白光LED中最普遍使用的荧光粉。可以看出：波长大于370nm时，激发光谱的响应效率将随波长增大而下降。中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 2、导致输出光的颜色和色温的漂移，这两项都是普通照明的重要指标。中国照明网技术论文LED照明 中国照明网技术论文LED照明 最后，结温过高将加快器件的老化，减短器件的寿命。图8和图9分别给出了市场上常见的某型号LED的期望寿命（B50, L70,即50%的灯光输出下降到70%）随结温和灯壳温度的变化情况。中国照明网技术论文LED照明 综上所述，可以看出：对普通照明用LED来说，散热设计极为重要。当我们评估LED普通照明系统，计算系统光效和光通量时，必须考虑结温的影响。中国照明网技术论文LED照明 普通照明用LED器件的思考中国照明网技术论文LED照明 产业的发展是市场需求决定的，然后技术可行性对市场需求所决定的方向进行修正。也就是说，市场的需求对产业的发展提供了方向，但是具体由何种途径，何种方式达到这个方向，则是由技术决定的。打个比喻：如果对产业发展方向进行一次投票的话，市场需求对某一方向有投赞成票的权利，而技术对某一方向有投反对票的权利。因此，在思考LED用于普通照明产业的方向时必须要考虑：普通照明需要什么？中国照明网技术论文LED照明 我们知道，普通照明需要的是高光效的照明系统，所以光效是LED照明系统重要的指标。中国照明网技术论文LED照明 文章最后，我们对LED产业及产品的发展方向做个分析：中国照明网技术论文LED照明 （1）假如若干年后商业化的LED的光效达到150lm/W200lm/W,LED及其灯具（应用）会是怎样？中国照明网技术论文LED照明 答案1:多个紧密排列的LED封装不是合适的方向。中国照明网技术论文LED照明 1、LED灯具的主要尺寸是散热器，紧密排列的LED并不能减少灯具的尺寸；中国照明网技术论文LED照明 2、紧密排列的LED将增加散热难度；中国照明网技术论文LED照明 3、与单颗LED相比，紧密排列的LED比单颗LED发光点大，增加光学设计的难度；中国照明网技术论文LED照明 4、紧密排列的多颗LED会增加眩光。中国照明网技术论文LED照明 答案2:实用型的单颗LED不是功率越大越好。中国照明网技术论文LED照明 1、只要LED没从机理上解决温度升高出光减少的问题，而大功率的芯片比小功率的芯片散热更难；中国照明网技术论文LED照明 2、大功率的芯片如果需要加大芯片的尺寸进而发光点加大的话，它将增加光学设计的难度；中国照明网技术论文LED照明 3、当然，也不是功率越小越好，以光效高兼顾总光通量为准。中国照明网技术论文LED照明 答案3:分散排列的多颗LED组合是更合理的普通照明应用。中国照明网技术论文LED照明 这样一来，灯具总尺寸将更小，灯具光利用率将更高。中国照明网技术论文LED照明 以上三点，是建立在LED光效在现有基础上进一步提高，但离理论光效仍然有较大距离的基础上分析的。如果光效达到或接近理论光效如80%以上，以上分析将被部分颠覆。因为，这时候散热将不是问题，即只有20%的能量需要散热。但小尺寸有利于光效的分析基础还在的。中国照明网技术论文LED照明 （2）LED产业在中国具有广阔前景中国照明网技术论文LED照明 首先、中国有完整的照明产业链；中国照明网技术论文LED照明 其次、LED的应用如果以多颗组合时，组合的多样性产生了产品的多样性，多样性的产品对中国制造更加有利，这点CFL主要由中国生产就是一个佐证。因此，可以预计，中国将继续成为LED灯具的大国。中国照明网技术论文LED照明 再者、上游（芯片，外延片）国际领先企业将进驻中国。中国进行上游的研发将加速这种过程。中国照明网技术论文LED照明