超高亮度LED在太陽能城市燈光系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 LED的發(fā)展歷程

　　LED發(fā)展到如今已有近40多年的歷史。第一批商業(yè)化的LED出現(xiàn)于己于1968年，盡管多年以來LED一直受到顏色和發(fā)光效率的限制，但由于GaP和GaAsPLED具有長(zhǎng)壽命、高可靠、工作電流小、可與TTL、CMOS數(shù)字電路兼容等許多優(yōu)點(diǎn)，因而受到使用者的青瞇，開始進(jìn)入包括宇航、飛機(jī)、汽車、工業(yè)應(yīng)用、通信等多種應(yīng)用領(lǐng)域，到1996年LED在全世界的銷售額已達(dá)到幾十億美元。

　　近十年來，LED材料和器件工藝技術(shù)研究的前沿課題一直是超高亮度化、全色化。所謂超高亮度LED（UHB）是指發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到或超過100mcd的LED，又稱坎德拉（cd）級(jí)LED。由于利用A1GaInP和InGaN做發(fā)光層，超高亮度LED的研制進(jìn)展十分迅速，并達(dá)到常規(guī)材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能達(dá)到的性能水平。1991年日本東芝公司和美國(guó)HP公司研制成InGaA1P（λ=620nm）橙色超高亮度LED，1992年InGaA1p（λ=590nm）黃色超高亮度LED實(shí)用化。同年，東芝公司研制InGaA1P（λ=573nm）黃綠色超高亮度LED，法向光強(qiáng)達(dá)2cd。1994年日本日亞公司研制成InGaN（λ=450nm）藍(lán)（綠）色超高亮度LED。

　　至此，彩色顯示所需的三基色紅、綠、藍(lán)以及橙、黃多種顏色的LED都達(dá)到了坎德拉級(jí)的發(fā)光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了超高亮度化、全色化，使發(fā)光管的戶外全色顯示成為現(xiàn)實(shí)。

　　通過技術(shù)改造、技術(shù)攻關(guān)、引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備和部分關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)LED的生產(chǎn)技術(shù)已向前跨進(jìn)了一步。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)是世界LED及管芯的主要產(chǎn)地，年產(chǎn)LED約40億只，產(chǎn)品品種規(guī)格齊全，性能達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平，所生產(chǎn)的管芯也大量出口日本等國(guó)。

2 超高亮度LED的基本性能

　　2.1 各色超高亮度LED的基本特性

　　超高亮度紅A1GaAsLED具有更高的發(fā)光效率，透明襯底（TS）A1GaAsLED（640nm）的流明效率已接近10lm/w，比紅色GaAsP-GaPLED大10倍。超高亮度InGaAlPLED提供的顏色與GaAsP-GaPLED相同，包括：綠黃色（560nm）、淺綠黃色（570nm）、黃色（585nm）、淺黃（590nm）、橙色（605nm）、淺紅（625nm）、深紅（640nm）。InGaAlPLED吸收襯底（AS）的流明效率為101m/w，透明襯底（TS）為201m/w，在590－626nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)比GaAsP-GaPLED的流明效率要高10－20倍；在560－570的波長(zhǎng)范圍內(nèi)則比GaAsP-GaPLED高出2－4倍。超高亮度InGaNLED提供了蘭色光和綠色光，其波長(zhǎng)范圍蘭色為450－480nm，蘭綠色為500nm，綠色為520nm；其流明效率為3－151m/w。

　　2.2 超高亮度LED與白熾燈的比較

　　目前，超高亮度LED的流明效率已超過了帶濾光片的白熾燈，某些品種發(fā)光亮度已高于1000mcd，可以取代功率1W以內(nèi)的白熾燈，將LED組成陣列甚至可以取代功率150W以內(nèi)的白熾燈。對(duì)于許多城市燈光系統(tǒng)應(yīng)用，白熾燈都是采用濾光片來得到紅色、橙色、綠色和蘭色，而用超高亮度LED則可直接得到相同的顏色。近年用AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED將多個(gè)（紅、蘭、綠）超高亮度LED芯片組合在一起，不用濾光片就能得到包括紅、橙、黃、綠、藍(lán)在內(nèi)的七彩色，其發(fā)光效率目前均已超過白熾燈，正向熒光燈接近。此外，用超高亮度LED組成的彩色大屏幕可以表現(xiàn)天空和海洋，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫。

　　新一代紅、綠、藍(lán)超高亮度LED達(dá)到了前所未有的性能。最近，日本日亞公司利用其InGaN藍(lán)光LED和熒光技術(shù)，新推出了白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為6500K，效率達(dá)每瓦7.5流明。超高亮度LED的問世及其產(chǎn)業(yè)化，為太陽能燈光系統(tǒng)增添了新的活力。

3 超高亮度LED在太陽能城市燈光系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　3.1 超高亮度LED燈泡的基本結(jié)構(gòu)

　　應(yīng)用于太陽能城市燈光系統(tǒng)，單個(gè)超高亮度LED發(fā)光管其產(chǎn)生的光線較暗、方向性太強(qiáng)，綜合視覺效果較差。因此，應(yīng)用于太陽能城市燈光系統(tǒng)時(shí)，首先須將多個(gè)LED發(fā)光管集中于一起，加大其發(fā)光亮度與面積；其次，根據(jù)不同色彩LED發(fā)光管的性能差異，通過相關(guān)參數(shù)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)，組合成直流12V、6V、4.8V及其它脈沖系列產(chǎn)品，典型直流LED高效節(jié)能燈泡主要技術(shù)參數(shù)見表1。

最后根據(jù)使用場(chǎng)所的要求，設(shè)計(jì)出120°、90°、70°多種角度的反光板，放置在高透光率的塑料燈罩內(nèi)（圖1），以改善LED的方向性過強(qiáng)而形成的光斑，同時(shí)在燈罩內(nèi)表面設(shè)計(jì)有網(wǎng)格型的折射面，使LED發(fā)出的光線經(jīng)多次反射與折射，最終達(dá)到LED高效節(jié)能燈泡各向發(fā)光均勻，并形成特殊的光學(xué)效果。

　　3.2 應(yīng)用實(shí)例

　　目前，采用前文所述的LED高效節(jié)能燈泡的太陽能城市燈光系統(tǒng)，已在武漢、深圳、北京等地建立了示范工程，目前進(jìn)一步在湖北武漢、鄂州、河南信陽、遼寧大連、江西萍鄉(xiāng)等地廣泛應(yīng)用，得到了社會(huì)及消費(fèi)者的認(rèn)可。

　　以武漢市兩江四岸亮化工程為例，工程建設(shè)地點(diǎn)位于武漢市長(zhǎng)江與漢水沿岸，屬于武漢市重點(diǎn)亮化區(qū)之一，要求燈光系統(tǒng)具有清潔環(huán)保、安全節(jié)能、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、使用方式靈活、性能價(jià)格比高等。

　　因此，該系統(tǒng)采用1500盞LED高效節(jié)能燈泡勾勒樓群外廓。由于系統(tǒng)控制器具備豐富的彩燈變化方式控制程式，自動(dòng)控制燈光選用單色、多色、閃光、追光、跳動(dòng)、閃耀等多種變化，充分顯現(xiàn)了太陽能LED燈光系統(tǒng)強(qiáng)烈動(dòng)感及流暢的視覺效果。同時(shí)，據(jù)測(cè)算該系統(tǒng)與普通燈光系統(tǒng)相比節(jié)電率為85%以上，全年耗電費(fèi)用僅500多元，解決了我國(guó)許多亮化項(xiàng)目建成以后，常由于電費(fèi)不足以致亮化景點(diǎn)不能全部亮、或不能長(zhǎng)時(shí)間亮，從而影響城市亮化實(shí)際效果的難題。

　　此外，作為我國(guó)可再生能源應(yīng)用示范城市的深圳，市府有關(guān)部門已決定：將全市70多個(gè)公園中的56個(gè)公園的燈光工程，應(yīng)用或改造為太陽能城市燈光系統(tǒng)。

　　3.3 超高亮度LED在太陽能燈光系統(tǒng)中的實(shí)用化和商品化的意義

　　超高亮度LED在太陽能燈光系統(tǒng)中的實(shí)用化和商品化，使城市燈光技術(shù)面臨一場(chǎng)新的革命。盡管目前由多個(gè)超高亮度LED制成的這種新型燈泡的成本依然偏高，每只價(jià)格在20元左右，但LED高效節(jié)能燈泡不僅彩色絢麗，尤其是綠色環(huán)保、高效節(jié)能、安全。對(duì)于相同發(fā)光亮度的白熾燈來說，LED的功耗只占前者的10%－20%；白熾燈的壽命一般不超過2000小時(shí)，而LED的壽命長(zhǎng)達(dá)10萬小時(shí)。這種體積小、重量輕、方向性好、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、耐各種惡劣條件的固體光源，應(yīng)用于太陽能城市燈光系統(tǒng)及一些特殊場(chǎng)合如礦山、潛水、搶險(xiǎn)、軍用裝置的裝飾照明等，其總體上還是合算的，并必將對(duì)傳統(tǒng)的光源市場(chǎng)造成沖擊。

4 結(jié)語

　　目前，超高亮度LED新型高效節(jié)能燈泡，雖然成本偏高，但已成功應(yīng)用于太陽能城市燈光系統(tǒng)，并可用于其它一些特殊場(chǎng)合的照明等。隨著超高亮度LED生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，成本進(jìn)一步降低，其在節(jié)能和長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)足以彌補(bǔ)其目前價(jià)格偏高的不足。超高亮度LED將成為一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的城市燈光系統(tǒng)的新型電光源。