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半导体照明系统与应用发展研究

发布时间:2018/8/7 12:06:17    来源:安徽省照明学会    查看次数:0

半导体照明系统与应用发展研究

LED照明系统

与传统光源一样,LED器件实际工作都是以照明器具的形式出现。由于LED的良好控制性,因此,很多时候还包括控制部件。所以,本学科发展报告笼统的把它们称作LED照明系统。在LED照明系统中,除LED器件外,还包括: (1)光学部分,除少数简单应用外,绝大部分包括光学部件; (2)LED驱动电源; (3)散热装置;(4)部分应用中LED照明系统包括控制部件。这几个部件分别对应LED照明系统的三个关键技术,即光学技术、散热技术、驱动与控制技术,本学科发展报告的第三专题对此进行了专题阐述。

LED光学部件主要是实现配光,不同的应用对配光要求不同。总体上,室内照明出于眩光的考虑,多采用扩散片。而高空间(high bay lighting)照明与室外照明一样,采用反射与透射等光学系统。该领域的最大亮点是自由曲面光学设计方法获得很大的发展,国内清华大学、复旦大学与浙江大学等都做了很多研究,并形成了多个有自主知识产权的设计方法。

LED散热技术是实现LED稳定光输出的必要保证。目前主要方法为采用散热鳍片的被动式散热,模组式LED的的灯具中热管散热也常被采用,该方向的研究主要是新型散热材料与微散热结构。

LED的驱动是与LED器具效率与寿命直接相关的,研究主要集中于提升效率与寿命,后者无电解电容方案获得很大重视。LED的控制技术包括有线与无线技术,其中电力载波与Zigbee是主要的研究热点,国内外有很多研究,并形成了多个版本的系统。但研究一个能被广泛接受的版本还有待努力,LED驱动与控制技术的结合也是一个研究热点。

作为实际应用的LED照明系统,除实现基本的照明功能外,还必须具有环境的适应能力。如室外灯具的IP65防护,则需要考虑到灯具系统未来的维护。此外,灯具有整体式、半整体式与模组式等多种形式。其中整体式主要将各种器件密封于一个完整的密封腔内,缺点是未来的维护性;半整体式主要是将影响LED灯具系统寿命的短板即驱动器分离,其它部件则形成一个密封的整体;模组式灯具采用多个模组行成模组化灯具。目前小功率灯具普遍采用一体化灯具的形式,大功率灯具有模组化趋势。

LED视觉应用

按照报告的总体规划, LED的应用包括视觉应用与非视觉应用。在视觉应用中, 又包括显示/信号等以光源为直接观察对象的应用, 以照射物体使人眼看清物体的普通照明。由于LED作为显示等技术已经较为成熟, 因此,报告只作粗略介绍。作为LED的一个重要应用领域的LED背光源, 近年来发展很快,且与颜色科学的融合产生许多值得研究的课题,由于时间仓促而未能涉及,因此报告主要注重普通照明如下领域的应用:

景观照明。目的是通过照明形成相应的景观,由于该类应用中,存在一个景观的主体, 因此,形成与景观主体相匹配的照明渲染是必须遵循的原则,如建筑化照明、个性化照明等。由于LED用于景观照明相对技术比较成熟, 因此本报告只略作介绍。

隧道、道路照明。在科技部等部委的支持下, 我国对LED在道路、隧道等的应用进行了较为深入的研究,包括LED用于隧道照明的标准与评价、灯具的形式等,并进行了包括上海长江隧道、青岛胶州湾隧道等特大型隧道的应用实践,总体上走在世界的前列。而在道路照明上, 通过国内科技部”十城万盏”等项目的推动, 进行了较大规模的示范实践。

室内照明。室内照明分类多, 所用的灯具品种也很多,各种应用要求也不尽相同,但是, 室内照明有其共同点,即注重视觉舒适性、显色指数等指标。而对于室内照明中中小功率的灯具形式, 主要是与传统光源、荧光灯、白炽灯竞争。而替代型的灯具形式,多以一体化灯具形式为主。加之LED的灵活性, 未来的灯具形式如何有待商榷。

交通信号的应用。目前,LED应用交通信号的技术已经成熟,本报告讨论了LED在移动交通信号如汽车灯、铁路车灯、航海/航空灯等应用中的发展。由于这些应用一般都要求较为精确的配光,而LED发光点小的特点为LED在这些领域的应用创造了很好的条件,与交通信号的应用类似,影视舞台照明也获得很大的发展。

以上这些应用中, 由于LED的特点, 注重控制以达到一定的照明效果并兼顾节能成为一个重要的研究方向。

LED的非视觉应用

LED在光谱、时间、尺寸的灵活性,造就了LED在视觉之外的巨大应用前景。本报告主要内容围绕LED在植物种植、家禽养殖、医疗、通信上的应用。其中LED用于生菜、菠菜、甜菜、胡萝卜及铁皮石斛等的补光,育苗与正常生长上都获得比荧光灯更显著的效果。这是因为植物的生长主要依靠叶片中的叶绿素a与叶绿素b吸收光进行光合作用,而叶绿素a与叶绿素b主要吸收光谱中的红光与蓝光成分, 因此, 可以据此研制仅含红光与蓝光的LED灯具,通过调整不同的植物及同一植物不同生长期的红蓝光比值,获得最佳的植物生长效果。据此研究,形成了相应的LED植物照明灯具。

LED用于家禽的养殖主要是给家禽营造一个最佳的光环境,以促进其生长发育,提高肉的品质,降低发病率等。值得一提的是, 家禽对光的感知与人类不完全相同, 它们具有第四种视锥细胞,其感光峰值在415nm左右。因此, 家禽的光照必须研究合适的光谱, 同时要注意家禽的光照周期。

在医疗上,特别介绍了LED用于皮肤治疗与美容, 包括光子嫩肤、痤疮的治疗、皮肤伤口的愈合等相关的研究都获得一定的进展, 部分应用已经进行了临床试验。在这些应用上, LED具有比激光器更大的优势,包括价格、效率、光谱的灵活性、光斑大小等。

近几年,LED在通信上的应用获得很大进展,LED作为信号的一个载体(近乎没有限制的免费载体),这与无线通信需要频道资源完全不同。LED用于通信是未来LED作为照明应用的一个附属应用,严格地说,LED通信不是照明学科的一部分,而是与照明相关的交叉学科。