[01778703]高亮度功率LED照明灯具及应用系统的开发和产业化研究

项目背景及主要内容：半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，上世纪九十年代以来，随着以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体的兴起，蓝色和白色发光二级管相继研究成功，结束了没有蓝光LED的历史，使实现半导体白光LED照明成为可能。作为新型高效固体光源，具有长寿命、绿色环保的显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一飞跃，其经济和社会意义巨大。半导体照明的最关键部件半导体发光二极管(LED)。经过40多年的努力，已经实现了红、绿、黄、蓝光LED的生产应用，发光效率提高了近千倍。特别在2003年10月美国cree公司已封装出1200Lm，发光效率321Lm/W的白光LED灯，同年底日本日亚展示了331Lm/W的白光LED灯，这些突破性进展，预示着半导体照明产业的跨越式发展的阶段已经到来。节能：白光LED作为半导体发光灯，相比传统的照明光源，其电能消耗仅相当于后者的20%左右。寿命长：使用寿命长达10万小时，是普通灯管的数十倍。它可靠，维护成本低。使用电压低：工作电压一般在几伏以下，便于用在要求可靠性和安全性高及野外照明场合。开关时间短：响应时间最低可达到1微秒。可在高频条件下使用。应用非常灵活，可以做成点、线、面等各种形式的轻薄短小产品。环保：由于光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，属于典型的绿色光源，且废弃物可回收，没有污染。控制方便，只要调整电流，就可随意调光，不同光色的组合，变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果。因此，发展半导体照明光源对节约能源、减少污染、保护环境，提高科研水平，带动新兴制造业的发展，保障可持续性发展具有巨大的推动作用。鉴于以上的优点和巨大的市场前景，课题组研究的重点是开发LED灯具和其应用系统，可以创造巨大的经济和社会效益。现在世界各国都提出了半导体固体照明产业发展计划日本提出了【21世纪照明技术】研究发展计划；美国提出了【半导体照明国家研究项目】；欧共体有【彩虹】计划；台湾地区也设立了“次世纪照明光源开发计划”，有16个企业、科研和大学参加。中国也提出了半导体照明工程的发展规划，成立了以信息产业部马颂德副部长为组长的协调领导小组，成立了国家半导体照明工程专家组，第一期拿出近亿元的引导资金，支持功率LED的芯片研制，结构设计，新型封装设计，可靠性研究及半导体照明应用等方面的研究项目。就是在这种背景下，课题组开展了半导体照明工程项目和产品开发的研究。LED的应用范围十分广泛，主要有：景观照明市场：包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等。汽车市场：车用市场是LED运用发展最快的市场，主要用于车内的仪表盘、空调、音响等指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等。背光源市场：LED作为背光源已普遍运用于手机、电脑、手持掌上电子产品及汽车、飞机仪表盘等众多领域。交通灯市场：由于红、黄、绿光LED有亮度高、寿命长、省电等优点，在交通信号灯市场的需求大幅增加。户外大屏幕显示。以及其他应用：LED还可用于玩具、礼品、手电筒、圣诞灯等轻工产品之中。总之随着LED产业的技术进步、成本的进一步降低，以及人们对环保、安全、节能等要求的不断提高，LED在特殊领域的应用规模将不断扩大，半导体照明产业一个跨越式发展的临界点即将到来。该项目主要是高亮度LED应用研究与开发，主要目的是提供商业化、大功率、高亮度LED照明产品。1、为提高LED使用的安全性和可靠性，需研究大功率LED在灯具内的散热装置，研究防潮树脂，以提高其密封性和使用寿命。2、根据LED的具体应用场合(如军用手电筒、汽车灯、矿灯等)研究LED的最佳设计方案及光学系统，以提高LED的发光效率。3、研究LED的驱动装置，设计性能可靠而又和LED相配的稳流、稳压及电子开关等电路，并模块化，同时充分考虑在结构上和LED灯具有最佳的匹配。4、为配合在工程上的应用(课题组已和颐和园签订了：颐和园照明工程的前期研究合同)，研究LED照明灯具的整体模式控制，广告屏的模式控制及监控系统等。5、设计研制出部分为颐和园照明工程所需的LED灯具。项目的总体目标是：研究功率LED应用的关键技术，为LED的进一步推广应用打下基础，同时开发出若干种产品。1、通过对矿用LED灯，应急灯及高级军用手电筒的研制，设计出良好的散热装置，光学系统和最佳匹配的驱动电路等，这些研究对功率LED的应用具有普遍意义。2、研制出功率为3W，照度>80Lm的防震防水高级军用手电筒产品(目前市场上多为低档手电筒，高档的均出口且供不应求)。3、功率LED并联使用的模块组件，包括驱动电路、散热装置等，并设计出安全可靠省电适用的矿灯样品。4、LED应用模块。5、研制出效果良好的防潮树脂配方。6、开发出若干照明工程应用的LED各种灯具。7、根据不同的需要和灯具形状，设计出反聚光性能良好的光路系统等。这些研究和产品开发均具有创新性和开拓性，总之既为LED的推广应用做一些应用基础研究，又开发出几种市场效益好的产品。阶段性目标：第一阶段研制出1W照度>25Lm，3W照度>60Lm的方震防水高级军用手电筒样品各50支；在对现有矿灯分析的基础上，完成LED矿灯的结构设计(包括外观、散热、驱动、密封安全等)；通用的LED应用模块。第二阶段：使手电筒达到产业化水平；研制出性能良好的实用矿灯样品；研制出性能良好的防潮树脂配方；2种LED应用模具产业化；应急灯样品等。第三阶段：承接项目工程项目组织实施条件：北工大被国家科技部列为“半导体照明工程”的重点支持单位之一，研制出了具有自主知识产权的高性能蓝白光LED，这是对应用研究的巨大支持；有一批深谙LED性能和应用专家，能从LED的内部特性出发达到合理设计，从而最大限度地提高其可靠性和发光效率；课题组中有电源系统和LED驱动器设计专家，以及光学系统的设计专家，并从外单位聘请了外观及结构设计专家；已初步研制出了以LED为光源的手电筒和几种照明灯，积累了大量的LED应用经验；对密封和防潮树脂的研究也取得了阶段性成果。目前该项目已与北京市园林局颐和园管理处签订了颐和园亮丽工程前期研究总体方案设计协议。主要采用现代化高科技手段，以实现第三代LED固体照明光源为主体，在节能、环保和安全的基础上，使颐和园夜景主次分明，错落有致，和谐统一，既体现出中国古典园林所持有的历史文脉和深厚的文化底蕴，又充分显示出“人文奥运、绿色奥运、科技奥运”的现代精神。