能源危機與LED照明的探討
摘要：本文從全球能源危機的角度出發(fā)，首先介紹了能源危機的現狀，然后給出了解決能源危機的節(jié)能途徑，最后對節(jié)能型LED照明的國際及國內現狀進行了探討和分析，最后對LED照明的發(fā)展提出了展望。
關鍵詞：能源危機;照明;LED;
1引言
世界經濟的現代化，得益于化石能源，如石油、天然氣、煤炭以及核裂變能的廣泛投入應用，因而它是建筑在化石能源基礎上的一種經濟。然而，這一經濟的資源載體將在21世紀上半葉迅速接近枯竭。石油資源儲量的綜合估算，可支配的化石能源的極限大約為1180～1510億噸，以1995年世界石油的年開采量33.2億噸計算，石油儲量大約在2050左右年宣告枯竭;天然氣儲備估計在131800～152900兆立方米，年開采量維持在2300兆立方米，將在57～65年內枯竭;煤的儲量約為5600億噸，1995年煤炭開采量為33億噸，可以供應169年;鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀30年代中期;核聚變到2050年還沒有實現的希望�；茉磁c原料鏈條的中斷，必將導致世界經濟危機和沖突的加劇，最終葬送現代市場經濟。事實上，近10年來，中東及海灣地區(qū)與非洲的戰(zhàn)爭都是由化石能源的重新配置與分配而引發(fā)。這種軍事沖突，今后還將更猛烈、更頻繁;在國內，也可能出現由于能源基地工人下崗而引發(fā)的許多新的矛盾和沖突。世界性的能源危機勢必是全球乃至國人將直接面臨的問題。
中國是僅次于美國的能源消耗大國，2000年一次性能源消費達13.7億噸標準煤，占全球總量的11%;預計2020年將達到31億噸標準煤，占全球總量的13%。電力資源是人們生產、生活中最重要的能源之一，我國目前的電力結構中火電比例超過70%,燃燒大量的原煤和石油，產生大量的粉塵和二氧化碳、二氧化硫等氣體，環(huán)境污染嚴重。2005年上半年全國發(fā)電量累計達11286.32億千瓦時，比2004年同期增長13.2%，其中，火電發(fā)電量9406.34億千瓦時，同比增長11.8%，經濟快速發(fā)展帶來的強大電力需求讓煤電雙方不堪重負。2004年，全國電力缺口最高達950多億千瓦時，2005年雖然總發(fā)電量同比增長13.2%，但電荒仍在繼續(xù)，電力緊張已經成為我國經濟發(fā)展的瓶頸。
克服能源危機的一個重要途徑是提高現有能源利用效率，大力推廣節(jié)電新技術，如采用新生產工藝流程、高效率設備、照明節(jié)電等。但從實際情況來看，遠水難以解近渴，目前而言最直接有效的辦法就是大力推廣節(jié)電新技術，這與當前所提倡的建設節(jié)約型社會相符。其中照明節(jié)電投入少、見效快，是所有終端用電設備中節(jié)電效率和發(fā)電污染物減排率最高、成本效益最好的一種節(jié)電技術，將是國家經濟和社會建設中具有重要戰(zhàn)略意義的舉措。
據統(tǒng)計，發(fā)達國家照明用電約占總用電量的20%，美國照明用電的年消耗量為6000億度;我國2004發(fā)電量2.19萬億千萬時，照明用電2624億千萬時，預計2010年將達到3000億度，相當三峽完工后的年發(fā)電量的三倍以上，實現節(jié)能照明是國家節(jié)能的極有效途徑。就照明產業(yè)情況來看，目前大量使用的白熾燈沿用至今已有130年歷史，其特點是成本低、顯色指數高、技術成熟。由于這種照明技術是利用電阻絲發(fā)熱從而發(fā)出可見光譜范圍的光，其最大的缺點就是耗電(發(fā)光效率僅為2%)和使用壽命短(1000～1500小時)。繼白熾燈后，人們又發(fā)明了日光燈、高壓汞燈、節(jié)能燈等燈具，一定程度上提高了發(fā)光效率(7～12%)，但這些熒光設備是通過在燈管內壁的熒光層的作用，將汞蒸汽放電發(fā)出的紫外線轉變成為白色光，其光線對人體視力有一定傷害，其燈管易碎、燈管內含有的汞也會對人體和環(huán)境造成毒害。近年來由于發(fā)光材料及其制備技術發(fā)展進步，以半導體發(fā)光二極管(LED)和聚合物發(fā)光二極管(OLED)為代表的固態(tài)照明，掀起了一場新的照明革命。其中以半導體發(fā)光二極管為基礎的白光LED燈，尤其受到人們的關注。白光LED具有省電(白熾燈泡的1/8，熒光燈泡的1/2)、體積小、發(fā)熱量低、可低壓或低電流啟動、壽命長萬小時以上)、響應快、抗震耐沖、可回收，無污染、可平面封裝、易開發(fā)成輕薄短小產品等優(yōu)點，經濟與環(huán)境效益明顯，如表1.1列出了白光LED燈照明的經濟與環(huán)境效益。
LED照明的提倡不僅有利于社會和環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展，還可以帶動相關產業(yè)，提升我國照明產業(yè)的競爭力，并將發(fā)展一批具有自主知識產權的有國際競爭力的新興產業(yè)，增加就業(yè)機會，是未來能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明最具潛力的競爭者�？傊l(fā)展半導體照明產業(yè)對節(jié)約能源，保護環(huán)境，建設節(jié)約型社會;對帶動傳統(tǒng)照明產業(yè)升級，促進新型制造業(yè)發(fā)展，走新型工業(yè)化道路，以及全面實現小康社會都有非常重要的意義。
表1.1白光LED照明經濟與環(huán)境效益舉例
2國際LED照明產業(yè)現狀與發(fā)展趨勢
2.1國際LED照明產業(yè)現狀與發(fā)展趨勢
據美國StrategiesUnlimited公司統(tǒng)計，全球LED市場規(guī)模年均增長率超過20%，2003年為45億美元規(guī)模，到2004年已達到55億美元。日本富士綜合研究所資料顯示，1997年白光LED全球市場銷售量為300萬顆，銷售總值為360萬美元，單顆平均單價為1.2美元，因為技術層次高，市場量少，所以價格非常昂貴;1998年銷售量為800萬顆，銷售總值為900萬美元，平均單價為1.14美元;1999年銷售量為7500萬顆，銷售總量為6500萬美元，平均單價為0.87美元，價格下滑很快，原因在于歐盟各國提出能源政策后，市場掀起照明應用熱潮，需求量計增9倍多，致使單顆平均價低于1美元。當時預計2004年有9億顆的市場潛力，銷售總值達到7.18億美元，平均單價為0.83美元。臺灣地區(qū)PIDA去年預計，2005年全球普通LED、藍光和白光LED市場規(guī)模將分別達到1537億日元、2279億日元、3285億日元，較2004年分別增長7.5%、4.3%、34%。其中，白光LED在市場規(guī)模應用范圍逐漸擴大及產品生產技術逐步成熟下，其發(fā)展將遠遠超過其他LED產品的成長，并成為現階段LED市場的主流產品。白光LED照明現在已開始從小功率白光LED燈用起，如安全照明燈，顯微鏡燈、白光背光源、手電筒、特種白光照明等，未來將開發(fā)高亮度、大功率的白光LED燈，并逐步向白光照明邁進。目前LED產業(yè)較強的國家和地區(qū)包括美國、日本、韓國、臺灣等，中國東南沿海一帶近年來的發(fā)展也很迅速。其中，美國LED產業(yè)引領了全球半導體照明產業(yè)的發(fā)展方向與趨勢，尤其是在外延和芯片技術領域優(yōu)勢非常突出。在美國，半導體照明產業(yè)的集中度比較高，主要代表企業(yè)有Gree、Gelcore和Lumileds等。未來其發(fā)展模式主要是依靠其成熟的市場體制、完善的技術創(chuàng)新體系以及強大的經濟基礎，通過掌握LED產業(yè)核心信息技術來控制全球LED產業(yè)鏈的利潤流向，占據技術領先地位。
日本高亮度LED照明主要使用在汽車、信息與交通顯示領域里，其主要的LED企業(yè)有Nichia和ToyodaGosei，這兩個公司都擁有世界領先的技術水平。日本LED產業(yè)的發(fā)展與美國非常類似，主要是采用技術領先的產業(yè)發(fā)展策略，通過專利權等方式設立壁壘，同時，通過技術壟斷的優(yōu)勢獲得超額利潤。
韓國LED企業(yè)中三星和LG的技術實力比較強，但是在核心技術上較美國和日本差。韓國是資源貧國，所以具有重大節(jié)能和環(huán)保意義的LED產業(yè)，備受政府的重視。其發(fā)展模式是發(fā)揮比較優(yōu)勢，強化產業(yè)競爭力，保護本國市場，并在政府主導下高效率進行。
臺灣地區(qū)LED產業(yè)發(fā)展已有30多年，主要技術從是下游封裝發(fā)展到芯片、外延等。2003年已成為僅次于日本的全球LED第二大供應地。其發(fā)展特點是以制造業(yè)為基礎，拉動整體產業(yè)發(fā)展。
2.2國際LED照明技術現狀與發(fā)展趨勢
經過幾十年的發(fā)展，世界主要LED廠商已形成了各自的技術特色。日本Nichia處于技術領先水平，壟斷了高端藍、綠光LED的市場，在白光LED技術方面具有領先優(yōu)勢;日本ToyodaGosei的藍綠光LED產量最大;美國Gree具有SiC襯底GaN外延生長和芯片技術，而且在紫光外延和芯片生產技術方面處于國際領先地位;美國Gelcore重點發(fā)展白光LED，在LED燈具設計方面處于國際領先地位;美國Lumileds重點發(fā)自大功率白光LED。主要廠商的技術指標及特點如表1.2。其中大部分芯片發(fā)光效率較高，最大達到250mW，而白光LED的發(fā)光效率僅為
35~40lm/W，可見目前所生產的白光LED發(fā)光效率還有待進一步提高。
表1.2國外主要LED廠商技術水平對比
半導體照明技術創(chuàng)新的步伐正在不斷加快，陸續(xù)有大批新產品上市。如Gree2005年2月已研制出100lm/W標準LED，Lumileds研制出50lm/W功率型白光LED。若LED的發(fā)光效率能達到100lm/W以上，并將價格降低到白熾燈的價格的10倍以下，就可以逐步取代現有的照明光源。
2.3國內半導體照明產業(yè)技術現狀及發(fā)展趨勢
1我國半導體照明產業(yè)現狀及發(fā)展目標
從2002年開始，我國LED產業(yè)出現快速增長，企業(yè)數量和職工數量增長率接近40%。到2003年底，我國約有LED企業(yè)500個，其中上中游企業(yè)約50個，下游企業(yè)約250個，應用企業(yè)約200個;從業(yè)人數約有40000人。據中國光學會光電子行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，自1993～2003年中國LED銷售量和銷售產值的年平均復合增長率分別為20%和32%。目前，中國LED產量約占全球12%的市場，到“十一五”期間將有更大量的增長。中國2003年6月科技部聯合信息產業(yè)部等17家部委和地方政府，啟動了國家半導體照明工程。其目標是以政府引導，企業(yè)主題、時�；\作為原則，以應用促發(fā)展，解決產業(yè)化的關鍵技術和原創(chuàng)性核心技術，形成一批專利、培育一批企業(yè)、建設一批基地，形成有自主知識產權的標準體系。最終發(fā)展成為具有國際競爭力的中國半導體照明新興企業(yè)。預計在未來白光LED的亮度將提高8倍，價格將下降100倍，并最終形成大功率通用照明的新產業(yè)。
2我國半導體照明技術發(fā)展現狀及未來趨勢
我國LED起步于20世紀70年代，80年代形成產業(yè)，90年代已具相當規(guī)模。
在90年代后期，我國高亮度LED產業(yè)發(fā)展迅猛，經歷了進口器件銷售—進口芯片封裝—進口外延片制成芯片并封裝—自主生產外延片四個階段。我國在基礎研發(fā)方面，從“863”計劃開始就認識到高亮LED的迅速發(fā)展將對我國產生重大影響，在戰(zhàn)略安排中將寬禁帶半導體發(fā)光和激光器件的研制以及相應的基礎材料、在線測量技術和設備、襯底材料、外延設備的研究組成了一個重大研究群體。而且，很多單位都對Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物材料做了大量的基礎研究工作，如中科院半導體所和北京大學等。外延片和芯片方面，主要的生產技術來自科研院所和學校多年的經驗積累，與外國先進技術水平有較大差距。雖然國內企業(yè)已經具備一定的產業(yè)化基礎，但是還無法提供高檔次芯片，芯片參數的一致性、抗光衰、可靠性指標有待進一步提高。
3結束語
世界性的能源危機使得白光LED照明成為國家發(fā)展的戰(zhàn)略計劃。節(jié)能新光源的研發(fā)成為全球的焦點，由此發(fā)展出了高亮度的LED、高亮度藍光LED及白光LED，逐步實現了LED的全彩化。直到在消費電氣商品領域找到新市場,才真正刺激了光電產業(yè)全心投入研究發(fā)展，開始大幅提升LED的光輸出及紅黃綠發(fā)光效率，從而成功地運用于交通信號燈及屋外的廣告和各類型指示燈。從此，LED光源正式走入各類民生用途,包括汽車交通、通訊與信息產品、便利照明。
將來LED憑借體積小、驅動電壓低、反應速度快、耐震性佳及無汞污染的特性,適合于輕、薄和小型化設備的需求,加上用電量低于傳統(tǒng)白熾燈,而成為全球各行各業(yè)及照明界的新焦點。
