能源危机与LED照明的探讨

　　
　　摘要：本文从全球能源危机的角度出发，首先介绍了能源危机的现状，然后给出了解决能源危机的节能途径，最后对节能型LED照明的国际及国内现状进行了探讨和分析，最后对LED照明的发展提出了展望。
　　关键词：能源危机；照明；LED；
　　1引言
　　世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭以及核裂变能的广泛投入应用，因而它是建筑在化石能源基础上的一种经济。然而，这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速接近枯竭。石油资源储量的综合估算，可支配的化石能源的极限大约为1180～1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050左右年宣告枯竭；天然气储备估计在131800～152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57～65年内枯竭；煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年；铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期；核聚变到2050年还没有实现的希望。化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发。这种军事冲突，今后还将更猛烈、更频繁；在国内，也可能出现由于能源基地工人下岗而引发的许多新的矛盾和冲突。世界性的能源危机势必是全球乃至国人将直接面临的问题。
　　中国是仅次于美国的能源消耗大国，2000年一次性能源消费达13.7亿吨标准煤，占全球总量的11%；预计2020年将达到31亿吨标准煤，占全球总量的13%。电力资源是人们生产、生活中最重要的能源之一，我国目前的电力结构中火电比例超过70%,燃烧大量的原煤和石油，产生大量的粉尘和二氧化碳、二氧化硫等气体，环境污染严重。2005年上半年全国发电量累计达11286.32亿千瓦时，比2004年同期增长13.2％，其中，火电发电量9406.34亿千瓦时，同比增长11.8％，经济快速发展带来的强大电力需求让煤电双方不堪重负。2004年，全国电力缺口最高达950多亿千瓦时，2005年虽然总发电量同比增长13.2%，但电荒仍在继续，电力紧张已经成为我国经济发展的瓶颈。
　　克服能源危机的一个重要途径是提高现有能源利用效率，大力推广节电新技术，如采用新生产工艺流程、高效率设备、照明节电等。但从实际情况来看，远水难以解近渴，目前而言最直接有效的办法就是大力推广节电新技术，这与当前所提倡的建设节约型社会相符。其中照明节电投入少、见效快，是所有终端用电设备中节电效率和发电污染物减排率最高、成本效益最好的一种节电技术，将是国家经济和社会建设中具有重要战略意义的举措。
　　据统计，发达国家照明用电约占总用电量的20%，美国照明用电的年消耗量为6000亿度；我国2004发电量2.19万亿千万时，照明用电2624亿千万时，预计2010年将达到3000亿度，相当三峡完工后的年发电量的三倍以上，实现节能照明是国家节能的极有效途径。就照明产业情况来看，目前大量使用的白炽灯沿用至今已有130年历史，其特点是成本低、显色指数高、技术成熟。由于这种照明技术是利用电阻丝发热从而发出可见光谱范围的光，其最大的缺点就是耗电（发光效率仅为2%）和使用寿命短（1000～1500小时）。继白炽灯后，人们又发明了日光灯、高压汞灯、节能灯等灯具，一定程度上提高了发光效率（7～12%），但这些荧光设备是通过在灯管内壁的荧光层的作用，将汞蒸汽放电发出的紫外线转变成为白色光，其光线对人体视力有一定伤害，其灯管易碎、灯管内含有的汞也会对人体和环境造成毒害。近年来由于发光材料及其制备技术发展进步，以半导体发光二极管（LED）和聚合物发光二极管（OLED）为代表的固态照明，掀起了一场新的照明革命。其中以半导体发光二极管为基础的白光LED灯，尤其受到人们的关注。白光LED具有省电（白炽灯泡的1/8，荧光灯泡的1/2）、体积小、发热量低、可低压或低电流启动、寿命长万小时以上）、响应快、抗震耐冲、可回收，无污染、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，经济与环境效益明显，如表1.1列出了白光LED灯照明的经济与环境效益。
　　LED照明的提倡不仅有利于社会和环境的可持续性发展，还可以带动相关产业，提升我国照明产业的竞争力，并将发展一批具有自主知识产权的有国际竞争力的新兴产业，增加就业机会，是未来能够代替传统照明最具潜力的竞争者。总之，发展半导体照明产业对节约能源，保护环境，建设节约型社会；对带动传统照明产业升级，促进新型制造业发展，走新型工业化道路，以及全面实现小康社会都有非常重要的意义。
　　表1.1白光LED照明经济与环境效益举例

白光LED照明经济与环境效益举例
　　2国际LED照明产业现状与发展趋势
　　2.1国际LED照明产业现状与发展趋势
　　据美国StrategiesUnlimited公司统计，全球LED市场规模年均增长率超过20%，2003年为45亿美元规模，到2004年已达到55亿美元。日本富士综合研究所资料显示，1997年白光LED全球市场销售量为300万颗，销售总值为360万美元，单颗平均单价为1.2美元，因为技术层次高，市场量少，所以价格非常昂贵；1998年销售量为800万颗，销售总值为900万美元，平均单价为1.14美元；1999年销售量为7500万颗，销售总量为6500万美元，平均单价为0.87美元，价格下滑很快，原因在于欧盟各国提出能源政策后，市场掀起照明应用热潮，需求量计增9倍多，致使单颗平均价低于1美元。当时预计2004年有9亿颗的市场潜力，销售总值达到7.18亿美元，平均单价为0.83美元。台湾地区PIDA去年预计，2005年全球普通LED、蓝光和白光LED市场规模将分别达到1537亿日元、2279亿日元、3285亿日元，较2004年分别增长7.5%、4.3%、34%。其中，白光LED在市场规模应用范围逐渐扩大及产品生产技术逐步成熟下，其发展将远远超过其他LED产品的成长，并成为现阶段LED市场的主流产品。白光LED照明现在已开始从小功率白光LED灯用起，如安全照明灯，显微镜灯、白光背光源、手电筒、特种白光照明等，未来将开发高亮度、大功率的白光LED灯，并逐步向白光照明迈进。目前LED产业较强的国家和地区包括美国、日本、韩国、台湾等，中国东南沿海一带近年来的发展也很迅速。其中，美国LED产业引领了全球半导体照明产业的发展方向与趋势，尤其是在外延和芯片技术领域优势非常突出。在美国，半导体照明产业的集中度比较高，主要代表企业有Gree、Gelcore和Lumileds等。未来其发展模式主要是依靠其成熟的市场体制、完善的技术创新体系以及强大的经济基础，通过掌握LED产业核心信息技术来控制全球LED产业链的利润流向，占据技术领先地位。
　　日本高亮度LED照明主要使用在汽车、信息与交通显示领域里，其主要的LED企业有Nichia和ToyodaGosei，这两个公司都拥有世界领先的技术水平。日本LED产业的发展与美国非常类似，主要是采用技术领先的产业发展策略，通过专利权等方式设立壁垒，同时，通过技术垄断的优势获得超额利润。
　　韩国LED企业中三星和LG的技术实力比较强，但是在核心技术上较美国和日本差。韩国是资源贫国，所以具有重大节能和环保意义的LED产业，备受政府的重视。其发展模式是发挥比较优势，强化产业竞争力，保护本国市场，并在政府主导下高效率进行。
　　台湾地区LED产业发展已有30多年，主要技术从是下游封装发展到芯片、外延等。2003年已成为仅次于日本的全球LED第二大供应地。其发展特点是以制造业为基础，拉动整体产业发展。
　　2.2国际LED照明技术现状与发展趋势
　　经过几十年的发展，世界主要LED厂商已形成了各自的技术特色。日本Nichia处于技术领先水平，垄

#p#副标题#e#断了高端蓝、绿光LED的市场，在白光LED技术方面具有领先优势；日本ToyodaGosei的蓝绿光LED产量最大；美国Gree具有SiC衬底GaN外延生长和芯片技术，而且在紫光外延和芯片生产技术方面处于国际领先地位；美国Gelcore重点发展白光LED，在LED灯具设计方面处于国际领先地位；美国Lumileds重点发自大功率白光LED。主要厂商的技术指标及特点如表1.2。其中大部分芯片发光效率较高，最大达到250mW，而白光LED的发光效率仅为
　　35~40lm/W，可见目前所生产的白光LED发光效率还有待进一步提高。
　　表1.2国外主要LED厂商技术水平对比

国外主要LED厂商技术水平对比
　　半导体照明技术创新的步伐正在不断加快，陆续有大批新产品上市。如Gree2005年2月已研制出100lm/W标准LED，Lumileds研制出50lm/W功率型白光LED。若LED的发光效率能达到100lm/W以上，并将价格降低到白炽灯的价格的10倍以下，就可以逐步取代现有的照明光源。
　　2.3国内半导体照明产业技术现状及发展趋势
　　1我国半导体照明产业现状及发展目标
　　从2002年开始，我国LED产业出现快速增长，企业数量和职工数量增长率接近40%。到2003年底，我国约有LED企业500个，其中上中游企业约50个，下游企业约250个，应用企业约200个；从业人数约有40000人。据中国光学会光电子行业协会的统计，自1993～2003年中国LED销售量和销售产值的年平均复合增长率分别为20%和32%。目前，中国LED产量约占全球12%的市场，到“十一五”期间将有更大量的增长。中国2003年6月科技部联合信息产业部等17家部委和地方政府，启动了国家半导体照明工程。其目标是以政府引导，企业主题、时常化运作为原则，以应用促发展，解决产业化的关键技术和原创性核心技术，形成一批专利、培育一批企业、建设一批基地，形成有自主知识产权的标准体系。最终发展成为具有国际竞争力的中国半导体照明新兴企业。预计在未来白光LED的亮度将提高8倍，价格将下降100倍，并最终形成大功率通用照明的新产业。
　　2我国半导体照明技术发展现状及未来趋势
　　我国LED起步于20世纪70年代，80年代形成产业，90年代已具相当规模。
　　在90年代后期，我国高亮度LED产业发展迅猛，经历了进口器件销售—进口芯片封装—进口外延片制成芯片并封装—自主生产外延片四个阶段。我国在基础研发方面，从“863”计划开始就认识到高亮LED的迅速发展将对我国产生重大影响，在战略安排中将宽禁带半导体发光和激光器件的研制以及相应的基础材料、在线测量技术和设备、衬底材料、外延设备的研究组成了一个重大研究群体。而且，很多单位都对Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物材料做了大量的基础研究工作，如中科院半导体所和北京大学等。外延片和芯片方面，主要的生产技术来自科研院所和学校多年的经验积累，与外国先进技术水平有较大差距。虽然国内企业已经具备一定的产业化基础，但是还无法提供高档次芯片，芯片参数的一致性、抗光衰、可靠性指标有待进一步提高。
　　3结束语
　　世界性的能源危机使得白光LED照明成为国家发展的战略计划。节能新光源的研发成为全球的焦点，由此发展出了高亮度的LED、高亮度蓝光LED及白光LED，逐步实现了LED的全彩化。直到在消费电气商品领域找到新市场,才真正刺激了光电产业全心投入研究发展，开始大幅提升LED的光输出及红黄绿发光效率，从而成功地运用于交通信号灯及屋外的广告和各类型指示灯。从此，LED光源正式走入各类民生用途,包括汽车交通、通讯与信息产品、便利照明。
　　将来LED凭借体积小、驱动电压低、反应速度快、耐震性佳及无汞污染的特性,适合于轻、薄和小型化设备的需求,加上用电量低于传统白炽灯,而成为全球各行各业及照明界的新焦点。
　　