超高亮度LED在太阳能城市灯光系统中的应用

1 LED的发展历程

　　LED发展到如今已有近40多年的历史。第一批商业化的LED出现于己于1968年，尽管多年以来LED一直受到颜色和发光效率的限制，但由于GaP和GaAsPLED具有长寿命、高可靠、工作电流小、可与TTL、CMOS数字电路兼容等许多优点，因而受到使用者的青眯，开始进入包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信等多种应用领域，到1996年LED在全世界的销售额已达到几十亿美元。

　　近十年来，LED材料和器件工艺技术研究的前沿课题一直是超高亮度化、全色化。所谓超高亮度LED（UHB）是指发光强度达到或超过100mcd的LED，又称坎德拉（cd）级LED。由于利用A1GaInP和InGaN做发光层，超高亮度LED的研制进展十分迅速，并达到常规材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能达到的性能水平。1991年日本东芝公司和美国HP公司研制成InGaA1P（λ=620nm）橙色超高亮度LED，1992年InGaA1p（λ=590nm）黄色超高亮度LED实用化。同年，东芝公司研制InGaA1P（λ=573nm）黄绿色超高亮度LED，法向光强达2cd。1994年日本日亚公司研制成InGaN（λ=450nm）蓝（绿）色超高亮度LED。

　　至此，彩色显示所需的三基色红、绿、蓝以及橙、黄多种颜色的LED都达到了坎德拉级的发光强度，实现了超高亮度化、全色化，使发光管的户外全色显示成为现实。

　　通过技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术，使我国LED的生产技术已向前跨进了一步。我国台湾地区是世界LED及管芯的主要产地，年产LED约40亿只，产品品种规格齐全，性能达到或接近世界先进水平，所生产的管芯也大量出口日本等国。

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

　　超高亮度红A1GaAsLED具有更高的发光效率，透明衬底（TS）A1GaAsLED（640nm）的流明效率已接近10lm/w，比红色GaAsP-GaPLED大10倍。超高亮度InGaAlPLED提供的颜色与GaAsP-GaPLED相同，包括：绿黄色（560nm）、浅绿黄色（570nm）、黄色（585nm）、浅黄（590nm）、橙色（605nm）、浅红（625nm）、深红（640nm）。InGaAlPLED吸收衬底（AS）的流明效率为101m/w，透明衬底（TS）为201m/w，在590－626nm的波长范围内比GaAsP-GaPLED的流明效率要高10－20倍；在560－570的波长范围内则比GaAsP-GaPLED高出2－4倍。超高亮度InGaNLED提供了兰色光和绿色光，其波长范围兰色为450－480nm，兰绿色为500nm，绿色为520nm；其流明效率为3－151m/w。

　　2.2 超高亮度LED与白炽灯的比较

　　目前，超高亮度LED的流明效率已超过了带滤光片的白炽灯，某些品种发光亮度已高于1000mcd，可以取代功率1W以内的白炽灯，将LED组成阵列甚至可以取代功率150W以内的白炽灯。对于许多城市灯光系统应用，白炽灯都是采用滤光片来得到红色、橙色、绿色和兰色，而用超高亮度LED则可直接得到相同的颜色。近年用AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED将多个（红、兰、绿）超高亮度LED芯片组合在一起，不用滤光片就能得到包括红、橙、黄、绿、蓝在内的七彩色，其发光效率目前均已超过白炽灯，正向荧光灯接近。此外，用超高亮度LED组成的彩色大屏幕可以表现天空和海洋，实现三维动画。

　　新一代红、绿、蓝超高亮度LED达到了前所未有的性能。最近，日本日亚公司利用其InGaN蓝光LED和荧光技术，新推出了白光固体发光器件产品，其色温为6500K，效率达每瓦7.5流明。超高亮度LED的问世及其产业化，为太阳能灯光系统增添了新的活力。

3 超高亮度LED在太阳能城市灯光系统中的应用

　　3.1 超高亮度LED灯泡的基本结构

　　应用于太阳能城市灯光系统，单个超高亮度LED发光管其产生的光线较暗、方向性太强，综合视觉效果较差。因此，应用于太阳能城市灯光系统时，首先须将多个LED发光管集中于一起，加大其发光亮度与面积；其次，根据不同色彩LED发光管的性能差异，通过相关参数匹配优化设计，组合成直流12V、6V、4.8V及其它脉冲系列产品，典型直流LED高效节能灯泡主要技术参数见表1。

最后根据使用场所的要求，设计出120°、90°、70°多种角度的反光板，放置在高透光率的塑料灯罩内（图1），以改善LED的方向性过强而形成的光斑，同时在灯罩内表面设计有网格型的折射面，使LED发出的光线经多次反射与折射，最终达到LED高效节能灯泡各向发光均匀，并形成特殊的光学效果。

　　3.2 应用实例

　　目前，采用前文所述的LED高效节能灯泡的太阳能城市灯光系统，已在武汉、深圳、北京等地建立了示范工程，目前进一步在湖北武汉、鄂州、河南信阳、辽宁大连、江西萍乡等地广泛应用，得到了社会及消费者的认可。

　　以武汉市两江四岸亮化工程为例，工程建设地点位于武汉市长江与汉水沿岸，属于武汉市重点亮化区之一，要求灯光系统具有清洁环保、安全节能、坚固耐用、运行可靠、使用方式灵活、性能价格比高等。

　　因此，该系统采用1500盏LED高效节能灯泡勾勒楼群外廓。由于系统控制器具备丰富的彩灯变化方式控制程式，自动控制灯光选用单色、多色、闪光、追光、跳动、闪耀等多种变化，充分显现了太阳能LED灯光系统强烈动感及流畅的视觉效果。同时，据测算该系统与普通灯光系统相比节电率为85%以上，全年耗电费用仅500多元，解决了我国许多亮化项目建成以后，常由于电费不足以致亮化景点不能全部亮、或不能长时间亮，从而影响城市亮化实际效果的难题。

　　此外，作为我国可再生能源应用示范城市的深圳，市府有关部门已决定：将全市70多个公园中的56个公园的灯光工程，应用或改造为太阳能城市灯光系统。

　　3.3 超高亮度LED在太阳能灯光系统中的实用化和商品化的意义

　　超高亮度LED在太阳能灯光系统中的实用化和商品化，使城市灯光技术面临一场新的革命。尽管目前由多个超高亮度LED制成的这种新型灯泡的成本依然偏高，每只价格在20元左右，但LED高效节能灯泡不仅彩色绚丽，尤其是绿色环保、高效节能、安全。对于相同发光亮度的白炽灯来说，LED的功耗只占前者的10%－20%；白炽灯的寿命一般不超过2000小时，而LED的寿命长达10万小时。这种体积小、重量轻、方向性好、节能、寿命长、耐各种恶劣条件的固体光源，应用于太阳能城市灯光系统及一些特殊场合如矿山、潜水、抢险、军用装置的装饰照明等，其总体上还是合算的，并必将对传统的光源市场造成冲击。

4 结语

　　目前，超高亮度LED新型高效节能灯泡，虽然成本偏高，但已成功应用于太阳能城市灯光系统，并可用于其它一些特殊场合的照明等。随着超高亮度LED生产规模扩大，成本进一步降低，其在节能和长寿命的优势足以弥补其目前价格偏高的不足。超高亮度LED将成为一种很有竞争力的城市灯光系统的新型电光源。