绿色照明光源——LED灯具的发展简述及在上海高校应用初探

孙仲良费伟民孙加磊华东理工大学 上海交通大学



绿色照明光源
——LED灯具的发展简述及在上海高校应用初探

孙仲良1费伟民2孙加磊2
1华东理工大学 2上海交通大学

摘要：介绍了LED照明技术的发展过程和应用情况，并分析LED光源与其他照明光源灯具在技术参数和在节能、环保及使用寿命等性能指标诸多方面的优点。

关键词：绿色照明；LED光源；发光效率

LED（发光二极管）被称之绿色照明光源，其最大优点就是节能、环保、使用寿命长［1］。近年来随着技术的发展，LED光源产品发光效率已达到100 Lm/w 以上，其节电率可达普通白炽灯的80%以上，约是一般节能灯的30%，LED作为绿色照明光源，替代传统的照明光源，取决于LED光源灯生产技术和工艺的全面提高和生产成本的下降，近10年来，随着其技术不断创新，以及生产工艺的提高和规模化发展，已大有取代传统的照明光源的趋势。

1　LED灯发展概述

据报道［2］，早在1907年，人们已发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象。在1955年时，美国无线电公司（Radio Corporation of America）的Rubin Braunstein发现了砷化镓（GaAs）与及其他半导体合金的红外线放射作用，到1962年美国通用电气公司（GE）的Nick Holonyak Jr则研制出可见光的LED。直至1969年，才研制和生产出有红光的并具有一定发光效率的LED。紧接着LED绿色等光源也相继研制成功，但仍缺少了三原色中的蓝色光源，就无法获得可用于照明，且能让消费者感受既舒适又健康的白色LED光源。LED蓝色光源的开发，针对氯化镓（GaN）半导体材料的研究获得重大突破是在1995年，并在1998年这项研究实现了工业生产和产品的商品化。很显然，蓝色光源LED的研发成功使得LED光源替代传统照明光源成为可能。但真正全面替代，要走的路还很长，特别是蓝色光源在整个光源组成中的作用程度，尽可能减少对视力的影响诸问题仍是需要关注的。

2000年以来，美国、日本、台湾、韩国等一些国家和地区进一步加大了LED照明技术的研发和产品商品化的力度，以LED光源的发光效率和成本效益为目标，使得LED灯的技术有飞跃的发展。LED灯光源在20世纪60年代研制时采用CaAsp材料产生的红色光源（λp=650 nm），在驱动电流为20 mA时，其发光效率约为0.1 Lm/W。至20世纪70年代中期，LED导体材料引入元素In和N，使得LED可产生绿光（λp=555 nm），黄光（λp=590 nm）和橙光（λp=610 nm），相应的发光效率也提高到1 Lm/w。到20世纪80年代初，针对LED光源所用材料的进一步研究和探索，以及CaAlAs的成功应用，使得红色光源的LED的光效达到10 Lm/w。到20世纪90年代，蓝光CaInN 新材料的开发成功，LED光源已能发出人们所需要的红、橙、黄、绿、蓝等诸多种色光，从而使得LED的光效也得到更大的提高［3］。进入21世纪后，随着LED技术的进一步发展，使得LED光源的光效有数量级的提高。LED灯的绿色光源的光效已达到50 Lm/w，其红色和橙色区域的光源光效可达到100 Lm/w。目前，用于照明的LED光效最高的可达到250 Lm/w。

2　LED产品应用及其性能

LED光源的特点是以单色光为一个基本发光体，LED光源的初级产品是信号灯，最早仅仅只能利用单色光用于仪器仪表的信号指示灯和特殊场合的照明［4］。例：矿工灯、潜水灯、矿工灯蓄电池灯具、手电筒、汽车照明等。

由于LED光源的启动和运行电流量极小，耗能非常低，使得其与电脑程序控制能很好结合的优越特性，利用LED光源单色光的特性和红、绿、蓝3基色原理，在计算机控制下，使3种颜色进行任意的混配，形成不同光色的组合便很快发展到交通指示灯，指示牌，广告牌和大屏幕显示的应用，LED光源在背光照明领域得到非常理想的应用，已广泛用于各类电子设备功能显示背光源，笔记本电脑背光源，大型LED显示器背光源等。其中手机显示的背光源是LED应用最广泛的领域。大型LED显示器背光源也不甘落后，上海陆家嘴金融中心建成的全彩色LED显示屏长度达100 m、宽度达36 m，总面积为3 600 m²的超大型视频屏幕被誉为世界第一。

蓝色光源的开发应用还发展到与太阳能光伏的应用，例：太阳能庭院灯、太阳能路灯、水底灯。目前LED照明已普及到室内外的各类灯具，例LED书写照明灯具和教室照明用的各种类型的LED灯具。

LED光源的技术和产品发展之快与传统照明光源所不同，其LED芯片自身具有的优势相关。其主要有如下优点。

（1）电压范围宽，低压微电流状态下即可实现驱动；

（2）芯片体积小，固态封装，被封装的芯片不怕振动，不损坏，方便运输和安装；适用于特定或差的环境；

（3）使用寿命长，是传统钨丝灯的50倍以上；

（4）绿色环保，与传统光源比较，制作材料中不含铅、汞。

随着更多用于LED光源材料的研发成功，热阻也逐渐下降，LED灯的发光效率普遍提高，灯光的品质也不断提高，其产品优势也更为凸显，特别是昂贵的生产成本的下降，其价格也从1965年全球第一款红色光源的商用化LED灯的45美元降低到现在约20元人民币一只的民用3.5 W LED光源灯。目前，LED光源灯的性能普遍超过白炽灯和其他照明光源［5］。现将各类常见灯具的性能列于表1。

20世纪，爱迪生发明的白炽灯为人类文明作出重大的贡献，但由于其能耗大，影响环境、寿命短等原因，最终将被LED照明技术逐步取代［6］。在国际上2009年，澳大利亚已停止生产并开始禁止使用传统白炽灯是世界上第一个计划全面禁止使用传统白炽灯的国家。2010年，台湾开始执行白炽灯禁产政策。加拿大、日本、美国等国家也相继禁止和销售白炽灯。2012年10月1日起，我国已禁止进口和销售100 W以上的普通照明用白炽灯。2016年10月1日起将禁止进口停止销售和使用≥15 W白炽灯。我国绿色照明工程的宗旨是推动节约能源、保护环境和提高照明质量，以适应和服务于我国社会进步和现代化进程。

表1　几种常见灯具技术参数性能表

3　高校LED光源应用状况

在高校大面积使用LED光源灯已成为趋势。近几年来，LED灯的节能改造工作已遍及多数高校。据不完全统计，有80%的学校已开始使用，但各学校覆盖的面不等，约在5%～30%之间，其使用效果普遍反应良好。但也有电光学专家针对蓝光对视力的影响提出了质疑。这种现象必须引起重视。学生视力健康不容受到影响。因此，相关部门需要加强对LED光源灯的品质和使用的管理。上海市教育委员会在2011年已组织编制了《中小学校及幼儿园教室照明设计规范》DB31/539-2011［7］，在该规范的第7-1-2节中针对LED光源的管理有特别表述：“其他光源（如LED）应由权威机构证明其能达到本文件所规定的性能和能效要求及相关的安全要求”。2015年，上海市教委学校后勤保卫处曾组织立项起草《LED校园建设和管理标准》规范的编制。这项工作颇为及时，可使绿色照明节能技术改造工作中科学、合理、正确使用LED光源能有章可循，有规可依。

4　结语

LED光源在高校乃至中小学、幼儿园的全面普及是必然的，选择优质，低蓝光的LED光源是绿色照明技术改造工作中必须关注的重点，在招标和采购过程中，不能一味追求低价，而忽视LED灯具的品质，应严格按照上海教委制订的相关标准选定LED灯具。

参考文献

［1］毛兴武《新一代绿色光源LED及其应用技术》人民邮电2010

［2］方志烈，发光二极管材料与器件的历史、现状和展望［J］物理2003.32（5）295.301

［3］ 刘阳《论半导体照明产业的发展现状与问题》城市建设现状研究电子版2015

［4］廖志凌，半导体照明工程的现状与发展趋势［J］电子技术学报，2006.21（9）106-111

［5］刘木清 LED与传统光源光效比较分析——LED用于普通照明市场的前景［J］ 照明工程学报2006.17（4）41.45

［6］姚凯，第四代新光源—发光二极管［J］ 电源世界2008（3）21.26

［7］林燕丹《中小学校及幼儿园教室照明设计规范》DB31/539-2011

Green Illumination Light Source
-Brief Introduction of LED Lamps Development and Discussion on Its Application in Shanghai Colleges and Universities

Sun Zhongliang1，Fei Fumin2，Sun Jialei3
1.East China University of Science and Technology，2.Shanghai Jiaotong University

Abstract：The article introduces development process and application situation of LED illumination technology.It also analyzes technical parameters and performance index advantages based on many aspects，such as energy saving，environment protection，service life and so on between LED illumination source and other lighting sources.

Key words：Green Illumination，LED Light Source，Luminous Efficiency

［作者简介］

孙仲良：（1952-），男，高级工程师，主要从事高校节能环保工作。

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.04.004