美國固態(tài)照明發(fā)展國家戰(zhàn)略及其對我國的啟示

莫虹頻

(國家節(jié)能中心推廣處，北京 100045)

引言

美國非常重視固態(tài)照明技術(shù)應(yīng)用帶來的節(jié)能潛力，因此制定了推進固態(tài)照明研發(fā)和推廣的國家戰(zhàn)略，以能源部為主構(gòu)建了完善的政策體系，出臺了一系列研發(fā)計劃和商業(yè)化支持計劃，并根據(jù)固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展的最新進展，不斷調(diào)整其戰(zhàn)略重點和規(guī)劃目標。對我國固態(tài)照明相關(guān)政策制定具有重要借鑒意義。

1 美國固態(tài)照明發(fā)展國家戰(zhàn)略的頂層設(shè)計

2010年，美國照明電力消費約為7000億kWh，其中由于固態(tài)照明產(chǎn)品 (Solid-State Lighing，SSL，包括LED和OLED)推廣帶來的節(jié)電量為26億kWh。據(jù)測算，如果能夠在全美范圍內(nèi)的通用照明領(lǐng)域推廣固態(tài)照明產(chǎn)品，到2030年的年節(jié)電潛力將達到3000億kWh，減少46%的照明電力消費，按照目前的能源價格，這將為美國節(jié)約每年300億美元的能源費用。美國能源部 (Department Of Energy)長期致力于高效通用白色光源的發(fā)展和市場推廣，認為固態(tài)照明技術(shù)具有其他傳統(tǒng)照明技術(shù)無法比擬的節(jié)能潛力，能夠改善未來建筑環(huán)境。但是，固態(tài)照明技術(shù)與傳統(tǒng)照明技術(shù)相比具有本質(zhì)差異，從實驗室走向市場需要建立多方協(xié)調(diào)機制，為此，美國能源部制定了國家綜合戰(zhàn)略來支持固態(tài)照明技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)、商業(yè)化和推廣。一方面，能源部在其能效和可再生能源辦公室下建立了固態(tài)照明專項，另一方面，能源部在其他基礎(chǔ)能源科學(xué)研究等項目中協(xié)助固態(tài)照明的發(fā)展，并通過與一系列戰(zhàn)略合作伙伴的合作，共同推進固態(tài)照明技術(shù)轉(zhuǎn)化為能夠投放市場的高效照明產(chǎn)品?？傮w戰(zhàn)略構(gòu)架如圖1所示:

圖1 美國固態(tài)照明發(fā)展國家戰(zhàn)略構(gòu)架

1.1 總體目標

美國于2005年簽署能源政策法案 (Energy Policy Act of 2005，EPACT2005)，于2007年簽署能源獨立與安全法案 (Energy Independence and Security Act of 2007，EISA2007)，這兩項法案中包含一項指令，要求能源部長 (Secretary of Energy)制定“下一代照明行動方案 (Next Generation Lighting Initiative，NGLI)”，支持固態(tài)照明技術(shù)的研究、開發(fā)、示范和商業(yè)化應(yīng)用。

為了落實EPACT2005和EISA2007法案要求，能源部提出了SSL研發(fā)戰(zhàn)略目標:在政府－工業(yè)合作伙伴的指導(dǎo)下，通過推動半導(dǎo)體技術(shù)進步，建立一個新的、美國主導(dǎo)的高效通用照明產(chǎn)品市場，達到減少照明能耗、降低照明費用、增強照明質(zhì)量的目標。

具體目標包括:一是設(shè)立獎勵基金鼓勵工業(yè)聯(lián)盟、國家實驗室、研究機構(gòu)等開展固態(tài)照明技術(shù)研發(fā);二是建立信息收集渠道，追蹤固態(tài)照明技術(shù)的研究需求和最新進展，并與工業(yè)聯(lián)盟合作提出固態(tài)照明技術(shù)研發(fā)路線圖;三是設(shè)立獎勵資金，管理和支持下一代照明行動，鼓勵開展試點和商業(yè)化應(yīng)用項目;四是幫助通用照明產(chǎn)品制造商開發(fā)滿足EISA2007中最低能效要求的替換白熾燈的新型照明燈具。

1.2 執(zhí)行機構(gòu)

美國固態(tài)照明國家戰(zhàn)略由能源部主導(dǎo)實施。能源部的職責(zé)是通過科學(xué)技術(shù)更新來應(yīng)對美國面臨的能源、環(huán)境和核問題挑戰(zhàn)，從而保證美國的安全和持續(xù)繁榮。根據(jù)這一職責(zé)，能源部設(shè)立了3個目標，其中前兩個目標都與SSL研發(fā)密切相關(guān):一是加速美國能源系統(tǒng)實現(xiàn)及時、實質(zhì)性和有效轉(zhuǎn)變，保證美國在清潔能源技術(shù)領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位;二是保持美國在科技領(lǐng)域持續(xù)不斷的投入，將其作為經(jīng)濟繁榮的重要基石，并在戰(zhàn)略領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

1.2.1 能效和可再生能源辦公室 (EERE)

能效和可再生能源辦公室 (Energy Efficiency and Renewable Energy，EERE)直屬于美國能源部，專注于研究和加快實現(xiàn)可持續(xù)能源供應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用，固態(tài)照明技術(shù)研發(fā)推廣也被納入該辦公室管理。

EERE的戰(zhàn)略目標包括:一是顯著減少甚至結(jié)束美國對外的石油進口依賴;二是減少能源價格帶來的負擔(dān);三是促進可再生能源技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用;四是提高電力生產(chǎn)、輸送和使用過程的可靠性和效率;五是提高建筑和電器能效;六是提高工業(yè)能效;七是鼓勵推動國內(nèi)生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展;八是通過政府自身行動垂范節(jié)能。EREE的任務(wù)是通過公私合作伙伴關(guān)系增強美國能源安全、改善環(huán)境質(zhì)量、促進經(jīng)濟繁榮，具體任務(wù)包括:一是提高能效和能源生產(chǎn)率;二是提供清潔、可靠和經(jīng)濟的能源，并將相關(guān)技術(shù)推向市場;三是通過提高民眾的節(jié)能意識，改變公眾的日常生活習(xí)慣，并提高其生活質(zhì)量。

1.2.2 建筑技術(shù)項目 (BTP)

能效和可再生能源辦公室下設(shè)立了建筑技術(shù)項目 (Building Technology Program，BTP)，在該項目下建立了固態(tài)照明專項。BTP項目的使命是發(fā)展并促進高效、經(jīng)濟和環(huán)境友好的技術(shù)、系統(tǒng)和應(yīng)用，并在美國的住宅和商業(yè)建筑中進行推廣，從而促進經(jīng)濟繁榮、減少溫室氣體排放、保障國家能源安全，同時滿足建筑用能服務(wù)和性能的要求。為了實現(xiàn)這一使命，BTP項目設(shè)立了發(fā)展和推廣能效技術(shù)和實踐的目標，并為這一目標制定了相應(yīng)戰(zhàn)略:一是制定并實施技術(shù)路線圖促進相關(guān)技術(shù)的市場化推廣;二是在新技術(shù)開發(fā)中加強與私人部門的合作;三是加強公開宣傳和合作研究;四是關(guān)注降低成本和發(fā)掘市場機會，使相關(guān)產(chǎn)品更加適應(yīng)市場需求;五是推動關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新，包括固態(tài)照明 (SSL)、暖通空調(diào) (HVAC)、傳熱工質(zhì)以及傳感控制技術(shù)。

1.2.3 固態(tài)照明專項

能源部在建筑技術(shù)項目 (BTP)下設(shè)立了固態(tài)照明專項，資助固態(tài)照明技術(shù)的應(yīng)用研究、產(chǎn)品開發(fā)和制造技術(shù)研發(fā)，以推動固態(tài)照明技術(shù)進步從而實現(xiàn)節(jié)能。能源部SSL項目的核心技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)項目的目標是通過大力研究和應(yīng)用新型照明技術(shù)，提高建筑物的終端能效。能源部與其合作伙伴緊密合作，旨在開發(fā)具有極大減少照明能源消耗潛力的技術(shù)，為實現(xiàn)這一目標，能源部制定了SSL研發(fā)行動政策，并廣泛聽取了工業(yè)企業(yè)、研究機構(gòu)、大學(xué)、貿(mào)易組織和國家實驗室的建議。

1.3 固態(tài)照明專項

固態(tài)照明專項的目標是:到2025年，相比于現(xiàn)有照明技術(shù)，發(fā)展先進的高能效、長壽命、價格具有競爭力固態(tài)照明技術(shù)，照明系統(tǒng)的整體效率達到50%，并產(chǎn)生接近于太陽光譜可見光組分的照明。在目標指導(dǎo)下，能源部在固態(tài)照明專項下設(shè)立了三項獨立且相互聯(lián)系的子項目:核心技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)(Core Technology Research and Product Development)、制造技術(shù)研發(fā) (Manufacturing Research and Development)以及商業(yè)化支持(Commercialization Support)，并制定了相關(guān)路線圖。

1.3.1 核心技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)

核心技術(shù)研究項目主要由學(xué)者、國家實驗室和研究機構(gòu)承擔(dān)。美國能源部與SSL領(lǐng)域合作伙伴建立了一系列相互聯(lián)系的工作組，共同研究制定了研發(fā)計劃，并在計劃執(zhí)行全過程中指導(dǎo)，引導(dǎo)能源部資金支持改善SSL技術(shù)能效和加快SSL產(chǎn)品推廣的關(guān)鍵研究項目。核心技術(shù)研究項目支持SSL領(lǐng)域最為關(guān)鍵的技術(shù)進步，涵蓋范圍廣闊，旨在填補技術(shù)空白，提供關(guān)鍵知識或數(shù)據(jù)。

產(chǎn)品開發(fā)項目主要由照明產(chǎn)業(yè)企業(yè)承擔(dān)，通過系統(tǒng)集成基礎(chǔ)科學(xué)研究成果和應(yīng)用研究成果，生產(chǎn)商業(yè)化的材料、設(shè)備或系統(tǒng)，開發(fā)測試產(chǎn)品原型，并根據(jù)反饋意見修改原型設(shè)計，最終實現(xiàn)技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化。除技術(shù)研發(fā)外，產(chǎn)品開發(fā)項目還包括市場和用戶調(diào)查，保證產(chǎn)品能夠成功實現(xiàn)商業(yè)化并推向市場。

1.3.2 制造技術(shù)研發(fā)

制造技術(shù)研發(fā)項目通過改進制造SSL產(chǎn)品的設(shè)備、工藝和管理技術(shù)，解決制造技術(shù)挑戰(zhàn)，推動SSL產(chǎn)品制造費用降低，從而使SSL產(chǎn)品的初始投資下降到與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品具有競爭力的水平。通過該項目，美國能源部旨在加速美國高性能LED照明產(chǎn)品市場開發(fā)，替換傳統(tǒng)照明產(chǎn)品，從而達到節(jié)約照明能耗，降低照明費用，減少環(huán)境影響的目的。

1.3.3 商業(yè)化支持

為保證能源部核心技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)和制造技術(shù)研究的成果順利實現(xiàn)商業(yè)化，推廣高質(zhì)量高能效的SSL通用照明產(chǎn)品，能源部在總結(jié)以往能效產(chǎn)品推廣經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，與標準制定組織、能效項目投資方、用戶、零售商、照明設(shè)計人員等相關(guān)方合作，制定了SSL商業(yè)化支持五年計劃 (Five Year SSL Commercialization Support Plan)。

商業(yè)化支持計劃的總體目標是為美國能源部推廣高性能SSL通用照明產(chǎn)品提供戰(zhàn)略指導(dǎo)和五年規(guī)劃。推廣工作目標包括:一是引導(dǎo)消費者購買能最大限度減少能耗并滿足消費者需求的高性能SSL產(chǎn)品;二是加速SSL產(chǎn)品的市場推廣;三是支持SSL產(chǎn)品的適當應(yīng)用以實現(xiàn)節(jié)能效益最大化。通過與市場相關(guān)各方的合作，DOE開展了一系列活動，包括:商業(yè)化SSL產(chǎn)品測試，示范工程建設(shè)及其節(jié)能效益的測算，以及SSL產(chǎn)品和照明系統(tǒng)設(shè)計競賽。

標準化工作也被看作是商業(yè)化支持的一部分，SSL產(chǎn)品測試程序和標準的開發(fā)和宣貫，推動所有廠家使用相同的測試程序和評估指標體系對其產(chǎn)品進行測試，從而幫助消費者科學(xué)比較不同廠家的產(chǎn)品。能源部與照明產(chǎn)業(yè)企業(yè)和標準化組織密切合作，為新標準開發(fā)提供技術(shù)支持和政策管理，幫助加速標準開發(fā)和宣貫。

SSL商業(yè)化支持五年計劃定期更新，吸收能源部專家工作組和合作伙伴的最新意見，并根據(jù)最新市場調(diào)查情況進行調(diào)整。

1.3.4 固態(tài)照明戰(zhàn)略合作伙伴

在固態(tài)照明專項中，為促進SSL產(chǎn)品的快速發(fā)展和市場化，能源部還與照明產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和相關(guān)組織建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系:能源部與下一代照明工業(yè)聯(lián)盟 (Next Generation Lighting Alliance，NGLIA)合作，利用該聯(lián)盟在SSL制造方面的專長，幫助能源部改進SSL制造和商業(yè)化的政策;能源部與照明工程學(xué)會 (Illuminating Engineering Society，IES)的合作促進了包括SSL照明在內(nèi)的照明標準開發(fā);能源部與國際照明設(shè)計協(xié)會 (International Association of Lighting Designers，IALD)的合作推動了照明設(shè)計理念和技術(shù)的創(chuàng)新，提高了照明質(zhì)量和能效。

1.4 協(xié)助機構(gòu)

除以上直接負責(zé)管理固態(tài)照明研發(fā)的執(zhí)行機構(gòu)和固態(tài)照明專項外，美國能源部還在其能源技術(shù)研發(fā)項目中支持固態(tài)照明技術(shù)的研發(fā)，具體情況如下:

1.4.1 基礎(chǔ)能源科學(xué)項目

基礎(chǔ)能源科學(xué)項目 (Basic Energy Sciences Program)由能源部科學(xué)辦公室負責(zé)，支持的基礎(chǔ)研究范圍包括理解、預(yù)測和最終控制電子、原子和分子層面的物質(zhì)和能量，從而支持新能源技術(shù)開發(fā)和能源部的職能。能源部在該項目中，也對固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展提供了支持。

1.4.2 能源先進技術(shù)研究機構(gòu) (APPA-E)

能源先進技術(shù)研究機構(gòu) (Advanced Research Projects Agency-Energy，ARPA-E)資助具有顯著節(jié)能潛力的高風(fēng)險、高回報項目。固態(tài)照明技術(shù)由于其巨大的節(jié)能潛力，也被該機構(gòu)納入資助范圍，該機構(gòu)正在資助一項開發(fā)廉價大規(guī)模氮化鎵基底LED生產(chǎn)的高風(fēng)險項目，如果該項目成功，將大大提高LED的性能。APPA-E還支持先進高效能源供應(yīng)技術(shù)的研發(fā)，同樣能夠應(yīng)用于固態(tài)照明技術(shù)。

2 美國固態(tài)照明發(fā)展現(xiàn)狀和預(yù)測

2.1 美國固態(tài)照明發(fā)展現(xiàn)狀

美國能源部在固態(tài)照明研發(fā)中長期規(guī)劃 (Solid-State Lighting Research and Development Multi Year Program Plan)中，將目前LED照明產(chǎn)品與白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈 (HID)等其他照明產(chǎn)品進行了比較，核算了成熟商業(yè)化照明產(chǎn)品的初始投資和生命周期總費用分析。

2.1.1 與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品光效對比

盡管可替換白熾燈的白光LED燈泡在固態(tài)照明市場中僅占很小的一部分，但由于目前居民和用戶中仍然擁有大量使用白熾燈的傳統(tǒng)燈泡基座，因此白光LED燈泡被認為是近期固態(tài)照明最有可能實現(xiàn)突破性大規(guī)模推廣的LED照明產(chǎn)品。因此，選取白光LED燈泡與其他傳統(tǒng)產(chǎn)品進行對比，隨著固態(tài)照明技術(shù)的快速進步，目前白光LED燈泡的光效已經(jīng)達到了緊湊型熒光燈等替換白熾燈的照明產(chǎn)品的兩倍以上，不同種類照明產(chǎn)品光效的演化歷史和未來變化趨勢如圖2所示。

圖2 各種照明產(chǎn)品光效演化歷史和未來變化趨勢

目前使用最為廣泛的傳統(tǒng)光源包括白熾燈、熒光燈 (包括緊湊型熒光燈和直管熒光燈)和高強度氣體放電燈 (HID)。

白熾燈和鹵鎢燈的光效大約在10～20lm/W之間，目前提高白熾燈和鹵鎢燈光效的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究重點是改進發(fā)光體的性能，提高可見光區(qū)輻射在整體輻射中所占的比例，有研究者聲稱通過改進發(fā)熱設(shè)計、紅外涂層、沉積過程和提高燈絲溫度(可能會降低使用壽命)等手段，鹵鎢燈光效能夠達到45lm/W。

熒光燈自身光效隨長度、電壓、色溫變化而變化，光效范圍在25～118lm/W之間，但熒光燈自身光效不包含熒光燈所必需的鎮(zhèn)流器帶來的能量損失，將鎮(zhèn)流器考慮在內(nèi)后熒光燈照明系統(tǒng)的總體能效目前最高可達到108lm/W。提高熒光燈光效的方法包括使用高效鎮(zhèn)流器和T5熒光燈組成的照明系統(tǒng)、減少電極壓降、提高高效稀土熒光粉的配比等。

高強度氣體放電燈 (包括高壓汞燈、金鹵燈、高壓鈉燈)是目前市場上能效最高的照明產(chǎn)品，整個高強度氣體放電燈照明系統(tǒng)的光效可以達到115lm/W。該類型照明產(chǎn)品的主要問題是顯色性較低 (高壓鈉燈是一個典型)，因此目前研究的重點是提高其顯色性能，陶瓷金鹵燈是目前HID燈發(fā)展最為迅速的分支，能夠達到與白熾燈和熒光燈相當?shù)娘@色性，同時光效達到123lm/W(實驗室光效能夠達到150lm/W)，未來隨著使用電子鎮(zhèn)流器、改進驅(qū)動電路、以及微波技術(shù)的進一步發(fā)展，陶瓷金鹵燈的光效還有望進一步提升。

商用LED照明產(chǎn)品具有超越傳統(tǒng)光源光效的巨大潛力，2011年，可替換白熾燈的商用A19型LED燈泡平均光效達到了70lm/W，其中，某些產(chǎn)品(如飛利浦獲得L獎的產(chǎn)品)光效已經(jīng)達到了90～100lm/W，而實驗室原型產(chǎn)品光效已經(jīng)達到了150lm/W。

美國能源部2011年對美國市場上常見的照明產(chǎn)品的光效、顯色性等性能指標進行了整理，不同種類的典型傳統(tǒng)照明產(chǎn)品與固態(tài)照明產(chǎn)品的性能比較如表1所示。

表1 不同種類的典型傳統(tǒng)照明產(chǎn)品與固態(tài)照明產(chǎn)品性能對比

盡管固態(tài)照明具有巨大的節(jié)能潛力，光效能夠超越傳統(tǒng)照明產(chǎn)品，但是要加快固態(tài)照明產(chǎn)品推廣仍然面臨一系列的問題:目前LED和OLED相對于傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的初始投資仍然過高，此外，固態(tài)照明產(chǎn)品光效還需要持續(xù)改進，才能夠完全超越高性能熒光燈和高強度氣體放電燈，固態(tài)照明的節(jié)電潛力還沒有完全釋放，需要進一步研究。

2.1.2 與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品制造成本對比

照明產(chǎn)品成本決定了提供照明服務(wù)的初始投資，一般用千流明價格作為基準進行比較，從初始投資大小可以看出目前固態(tài)照明產(chǎn)品推廣所面臨的挑戰(zhàn)和市場中所處的位置，如表2所示。

表2 傳統(tǒng)照明產(chǎn)品與固態(tài)照明產(chǎn)品制造成本對比

通過以上分析我們可以看出，目前LED燈的價格是鹵鎢燈的12倍，普通可調(diào)熒光燈的3倍。但是預(yù)計LED燈的價格將快速下降，光效和其他性能也將進一步提高，最終LED光源的初始投資成本將變得更具競爭力。

目前，部分SSL通用照明產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，并在部分照明產(chǎn)品種類和使用場合中替換傳統(tǒng)照明產(chǎn)品。根據(jù)Strategies Unlimited公司的調(diào)查，盡管2011年美國照明產(chǎn)品的總銷售額出現(xiàn)負增長，但2011年LED照明產(chǎn)品銷售額比2010年增長了69%，從2010年的55億美元增長至2011年的94億美元，該公司預(yù)測到2014年LED照明產(chǎn)品的銷售額將達到162億美元，并在2015年后持續(xù)增長。

2.2 美國對固態(tài)照明技術(shù)未來發(fā)展趨勢的分析

2.2.1 LED照明技術(shù)突破方向

LED封裝器件由半導(dǎo)體器件和光學(xué)散射器件構(gòu)成，為了產(chǎn)生通用照明產(chǎn)品所需的白光，需要對多種顏色的光進行混光?；旃夥绞桨ㄈN:一是使用熒光粉進行混光 (Phosphor-Converted LED，pc-LED)，pc-LED中氮化鎵LED顆粒發(fā)出波長為450～460納米的藍光，一部分藍光直接向外發(fā)射，剩余一部分藍光激發(fā)LED封裝器件中或燈具中的熒光粉，產(chǎn)生波長更長的光輻射 (如綠光、黃光、紅光等)，通過合理的配比產(chǎn)生白光;二是使用三基色直接混光 (Color-mixed LED)，通過合理配比發(fā)生不同波長光線的獨立LED光源，混合形成白光;三是以上兩種方式的混合 (Hybrid Method LED)。

目前大多數(shù)白光LED照明產(chǎn)品都是用熒光粉混色模式，早期熒光粉混色模式的主要問題是色溫過高，顯色性差，目前很多生產(chǎn)商通過加入第二種熒光粉 (如紅光熒光粉)，降低了白光LED的色溫，提高了顯色指數(shù)，2011年，熒光粉混色模式的冷白光LED燈光效已經(jīng)達到144lm/W，而暖白光LED燈光效達到111lm/W。熒光粉混色模式面臨的主要問題是由于LED顆粒發(fā)光波長隨時間變化和熒光粉降解，難以保持白光的穩(wěn)定性，并對LED光強度、輻射峰值波長和使用溫度十分敏感。此外，熒光粉的厚度和不同使用條件下的溫度變化，也會帶來色漂移，熒光粉的穩(wěn)定性對產(chǎn)品生命周期內(nèi)的顏色非常關(guān)鍵。

相比于三基色直接混光模式，熒光粉混光模式存在一系列能量損失:熒光粉量子效率損失 (熒光粉吸收的光子不能激發(fā)出等量的光子，存在一定的損失)、散射損失、和Stokes損失 (指的是熒光粉激發(fā)前后光子波長差異帶來的損失，吸收的藍光波長短能量高，而發(fā)出的黃光波長長能量低，存在一定的能量損失)，這些損失由熒光粉混光模式的本質(zhì)決定，無法避免。直接混光模式不存在上述能量損失，因此被看作是獲取固態(tài)照明最高理論光效的混光模式。但目前直接混色模式LED的光效提高主要受制于黃綠光LED單元光效過低，需要優(yōu)化設(shè)計來提高LED的整體光效，且不同顏色的LED單元對溫度和電流密度的反應(yīng)不同，壽命期內(nèi)的變化也各不相同，為補償這些差異的影響，直接混光模式所需要的控制電路也更加復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的整體光效。

Hybrid模式將直接混光模式和熒光粉混光模式結(jié)合，充分利用了這兩種模式的優(yōu)勢，實現(xiàn)了高光效、高顯色性照明。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些非常好的結(jié)合混色模式LED照明產(chǎn)品，擁有非常好的顏色性能，顯示出這一模式可以同時實現(xiàn)高光效和高顯色性。但Hybrid模式需要新型熒光粉，同時仍然會產(chǎn)生一些Stokes損失。

2.2.2 LED照明光效的理論極限

為科學(xué)設(shè)定LED照明研發(fā)目標，美國能源部對LED照明光效的理論極限進行了分析。LED封裝器件將電能轉(zhuǎn)化為可見光的效率稱為輻射發(fā)光效能(Luminous Efficacy of Radiation，LER)，輻射發(fā)光效能理論極限值LERmax受到色溫和顯色指數(shù)的影響。表3和表4中顯示了典型色溫和顯色指數(shù)下，三基色直接混光模式和熒光粉混光模式的輻射發(fā)光效能理論極限值和LED封裝器件光效的理論極限值 (假設(shè)轉(zhuǎn)化效率為67%時)。

表3 三基色直接混光模式光效理論極限值

表4 熒光粉混光模式光效理論極限值

目前領(lǐng)先的熒光粉混光模式由于光譜效率低，大量輻射以不可見光的形式流失，Stokes損失較高，從根本上限制了光效提高潛力。而三基色直接混光模式不存在這一問題，因而光效潛力更高。在此基礎(chǔ)上預(yù)測了LED封裝器件光效的發(fā)展目標，如圖3所示。

圖3 LED照明產(chǎn)品光效提高預(yù)測

2012年4月更新的固態(tài)照明研發(fā)中長期規(guī)劃中暖白光LED封裝器件和燈具光效目標如表5所示。

表5 固態(tài)照明研發(fā)中長期規(guī)劃暖白光LED目標

2.3 LED照明產(chǎn)品成本預(yù)測

2.3.1 LED燈具價格

LED燈具和光源價格隨著應(yīng)用模式、裝飾材料、控制器件變化很大，為了有效評估LED照明的價格變化，比較替換白熾燈的燈具價格是一個比較實用和合適的辦法。圖4比較了2012年4月更新的美國固態(tài)照明長期規(guī)劃對LED白光通用照明產(chǎn)品的價格預(yù)測和13W緊湊型熒光燈的平均零售價格的比較。A19型替換白熾燈的LED燈價格下降最為迅速，2011年，隨著制造成本的下降和市場競爭的加劇，400lm暖白光A19型LED燈 (相當于40W白熾燈)的零售價格降至約16美元，800lm暖白光A19型LED燈 (相當于60W白熾燈)零售價格降至24美元，此外在美國的部分地區(qū)，政府還對以上產(chǎn)品給予補貼，進一步降低了售價。2011年美國市場上LED照明產(chǎn)品的零售價格約為30美元/klm(2010年為50美元/klm)，領(lǐng)先于圖4所示的規(guī)劃目標。預(yù)計2012年該產(chǎn)品的價格將進一步下降，照明科學(xué)集團 (Lighting Science Group)于2011年12月發(fā)布了報告，認為2012年該產(chǎn)品的價格將降低至15美元/klm。

圖4 典型白光LED通用照明產(chǎn)品與緊湊型熒光燈價格的比較

LED PAR燈和MR16型LED射燈的價格也持續(xù)下降。2011年，MR16型LED射燈價格下降最為顯著，415lm的MR16型LED射燈 (相當于35W傳統(tǒng)射燈)的價格下降至25美元，17～18W的LED PAR38燈 (750～850lm)價格下降至25～30美元(2010年為40～60美元)，筒燈價格也明顯下降，目前價格約為50美元/klm(2010年為87美元/klm)。

總體而言，如果考慮節(jié)能效益、使用壽命長和運行維護成本低，2011年美國LED照明產(chǎn)品相對于傳統(tǒng)照明產(chǎn)品已經(jīng)具備了相當?shù)膬r格競爭力，進行LED照明改造的投資回收期也隨著高性能新產(chǎn)品的引入而持續(xù)下降。

2.3.2 LED封裝器件價格

LED封裝器件 (LED Package)價格也是表征LED價格的重要指標，市場調(diào)查和分析顯示:目前，不同的LED封裝器件制造商都生產(chǎn)多種色溫和光通量不同的LED封裝器件，在分析中選擇能效最高的LED封裝器件為代表，并將所有LED封裝器件價格都換算為千流明價格，測試條件包括電流密度為35A/cm2，溫度為25攝氏度。

LED封裝器件價格和光效如圖5所示。圖中各點代表采樣的LED封裝器件價格和光效，橢圓代表2009年中、2009年末、2010年末和2011年末冷白光和暖白光LED封裝器件的價格和光效的平均值和偏差分布，由于部分樣本與均值差異較大，存在一些處于橢圓外的離散點。2011年能效改進和價格下降的速度明顯放緩，代表2011年末水平的橢圓被2010年末橢圓包圍，僅在價格方向上有所下降。暖白光LED封裝器件性能較上年略有提升，平均價格為12美元/klm，光效達到了99lm/W(Cree XML)。冷白光LED封裝器件價格基本低于2011版規(guī)劃預(yù)測目標，平均價格為8美元/klm，光效達到124lm/W(飛利浦Lumileds Rebel)，2011版規(guī)劃預(yù)測為135lm/W。根據(jù)技術(shù)進步情況，美國對固態(tài)照明研發(fā)中長期規(guī)劃目標進行了修訂，修訂后的2011年版本的目標值如圖5中“×”形符號所示。

圖5 LED封裝器件價格和光效變化趨勢和規(guī)劃目標

2.3.3 LED封裝器件價格和光效發(fā)展趨勢預(yù)測

對比2011年版和2012年版的固態(tài)照明中長期研發(fā)規(guī)劃可以發(fā)現(xiàn)，2010年以來，LED封裝器件的價格持續(xù)下降，但是其光效提高進程有所放緩。但是，最新報道顯示2012年以來，LED封裝器件光效提高速度又明顯加快，暖白光LED封裝器件光效達到111流明/W，而冷白光LED封裝器件光效達到144流明/W(Cree XT-E)，重新追上了2011年版規(guī)劃的預(yù)測目標。此外值得注意的是，Cree XT-E產(chǎn)品測試溫度是85攝氏度而不是25攝氏度，而測試溫度的提高通常會降低光效約10%。根據(jù)最新的技術(shù)發(fā)展情況，2012年4月美國能源部更新了固態(tài)照明研發(fā)中長期規(guī)劃，對LED封裝器件價格和光效進行了重新預(yù)測，如表6所示。

表6 2012年美國固態(tài)照明研發(fā)中長期規(guī)劃性能預(yù)測情況

3 美國固態(tài)照明研發(fā)戰(zhàn)略

美國能源部支持美國固態(tài)照明的研究、開發(fā)、試點和商業(yè)化活動，其政策重點是通過支持固態(tài)照明技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)，推廣商業(yè)化的固態(tài)照明產(chǎn)品，實現(xiàn)照明節(jié)能。美國固態(tài)照明研發(fā)中長期規(guī)劃是指導(dǎo)美國未來數(shù)年和2020年固態(tài)照明領(lǐng)域研發(fā)項目的指導(dǎo)文件，總體目標是推廣低成本、高質(zhì)量、高光效照明產(chǎn)品，同時幫助美國企業(yè)在下一代照明技術(shù)領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。固態(tài)照明研發(fā)政策包括六個研究領(lǐng)域:LED核心技術(shù)研發(fā)、LED產(chǎn)品開發(fā)、LED制造技術(shù)研發(fā)、OLED核心技術(shù)研發(fā)、OLED產(chǎn)品開發(fā)和OLED制造技術(shù)研發(fā)。

3.1 美國固態(tài)照明研發(fā)的主要任務(wù)

美國固態(tài)照明研發(fā)規(guī)劃對當前所面臨的障礙進行了分析，認為為了保證美國固態(tài)照明研發(fā)項目取得成功，五項主要任務(wù)是:

一是降低費用。LED通用照明產(chǎn)品的初始價格在過去幾年內(nèi)已經(jīng)有了明顯下降，但與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品相比仍然過高。盡管LED通用照明產(chǎn)品的全生命周期費用較低，但是照明市場對初始投資較為敏感，因此進一步降低LED封裝器件和燈具材料的生產(chǎn)成本，研發(fā)低成本、大批量和可靠的制造方法非常重要。2009年能源部啟動了SSL制造研發(fā)項目，并出臺了制造研發(fā)技術(shù)路線圖作為項目指導(dǎo)文件。

二是進一步提高光效。能源部非常重視能效提高，LED照明顯示出巨大的節(jié)能潛力，目前傳統(tǒng)的熒光粉混光模式的LED照明產(chǎn)品光效增長已經(jīng)開始放緩，需要重點提升熒光粉，尤其是紅光熒光粉的發(fā)光效率，同時繼續(xù)重視三基色直接混光模式LED照明產(chǎn)品和以上兩種方式結(jié)合混光模式的研發(fā)，尋求新的突破。盡管目前LED照明產(chǎn)品的光效已經(jīng)超過了白熾燈和緊湊型熒光燈，但是為了與傳統(tǒng)照明解決方案競爭，并實現(xiàn)最大的節(jié)能效益，光效仍需要進一步提高。目前商用LED照明產(chǎn)品光效還遠未達到其理論極限值，仍然有極大的提高空間，光效的進一步提高將帶來更多的節(jié)能效益，并加快SSL產(chǎn)品推廣進程。尤其是降低高驅(qū)動電流條件下的光效衰減，可以減少單個燈具中LED封裝器件的使用量，從而極大地降低成本。光效提升還能減少熱量的產(chǎn)生，降低散熱需求，從而節(jié)約散熱材料成本，進一步降低燈具成本，這對以路燈為代表的高光通量照明產(chǎn)品尤其重要。

三是延長使用壽命。目前燈具使用壽命主要關(guān)注光通維持率指標，但這只是使用壽命的一個方面，對于LED照明產(chǎn)品而言，色漂移、器件失效等原因都可能影響其使用壽命。燈具設(shè)計也對LED使用壽命具有重要影響，散熱不良、供電系統(tǒng)設(shè)計不合理都可能降低LED照明產(chǎn)品使用壽命。目前能源部正致力于建立LED照明燈具組件可靠性數(shù)據(jù)庫和支持系統(tǒng)來幫助照明設(shè)計人員更好地設(shè)計燈具。

四是加強測試。市場上的LED照明產(chǎn)品的實際光通量和光效指標往往與實驗室測試結(jié)果存在出入。雖然光通量、顯色性和光效的標準化測試方法已經(jīng)出臺，但是仍然有很多產(chǎn)品無法滿足標準化測試的測試條件。為此，能源部支持了“Lighting Facts”標識項目，向消費者和市場提供標準化的權(quán)威測試報告，但是在實際使用過程中，燈具的使用環(huán)境和工作條件往往不同于測試條件，尤其是實際使用時燈具溫度往往較高，降低了光效，目前能源部已經(jīng)開始重視解決這方面的問題，通過開發(fā)快速可靠的測試方法，向消費者和市場提供更新更快的測試結(jié)果，以縮短LED照明產(chǎn)品的推廣時間。但是，目前仍然沒有準確預(yù)測LED照明產(chǎn)品使用壽命的測試方法，制造商和消費者仍然對LED照明器件和燈具的使用壽命存在疑慮，延遲了LED照明產(chǎn)品推廣。

五是改進制造技術(shù)。統(tǒng)一制造方法和元件規(guī)格對LED照明產(chǎn)品的發(fā)展至關(guān)重要，這將大大降低制造成本，目前能源部負責(zé)的固態(tài)照明制造技術(shù)研發(fā)項目正試圖解決這一問題。

3.2 美國固態(tài)照明研發(fā)的資金投入

美國歷年固態(tài)照明研發(fā)的財政資金投入量如圖6所示。美國自2003財年起逐步加大了對固態(tài)照明研發(fā)的財政支持力度，并在2007財年達到高峰。2009年，在美國振興計劃 (American Recovery and Reinvestment Act，ARRA)中一次性投入了5000萬美元用于加速固態(tài)照明研發(fā)和制造技術(shù)研發(fā)項目的啟動。近5年來，美國支持固態(tài)照明研發(fā)的財政資金投入量穩(wěn)定在年均2500萬美元左右。2011財年，財政資金實際投入2650萬美元 (預(yù)算投入為2700萬美元，實際投入削減了50萬美元)，2012財年預(yù)算投入為2580萬美元。

圖6 美國歷年固態(tài)照明研發(fā)的財政資金投入量

從支持領(lǐng)域看，2012年3月，財政資金支持項目共計37個 (2011年為47個)，涵蓋 LED和OLED技術(shù)兩方面，并重視平衡長期項目和短期項目，同時考慮大型企業(yè)、中小企業(yè)和研究機構(gòu)的參與，涉及到的政府財政投入和企業(yè)投入總計約1.103億美元 (2011年為1.2億美元)，其中政府投入6450萬美元 (2011年為7240萬美元)，參與單位配套經(jīng)費4580萬美元 (2011年為4760萬美元)。37個項目中，LED技術(shù)研發(fā)項目占23項，OLED技術(shù)研發(fā)項目占14項。預(yù)算經(jīng)費中，能源部EERE辦公室下屬建筑技術(shù)項目管理32個項目，涉及預(yù)算1.054億美元 (包括配套經(jīng)費)，由美國國家能源技術(shù)實驗室 (National Energy Technology Laboratory)負責(zé)具體運行管理。科技辦公室的小企業(yè)創(chuàng)新研究項目 (Small Business Innovation Research，SBIR)資助了剩余的5個項目，涉及預(yù)算490萬美元。

能源部在固態(tài)照明研發(fā)方面的合作伙伴包括工業(yè)企業(yè)、中小企業(yè)、大學(xué)和國家實驗室。從預(yù)算資金分配上看，工業(yè)企業(yè)分配到的預(yù)算資金最多，共計7430萬美元 (占總預(yù)算的67%)，中小企業(yè)獲得2180萬美元預(yù)算 (20%)，大學(xué)獲得980萬美元(9%)，國家實驗室獲得440萬美元 (4%)。

從研究領(lǐng)域看，2012年正在實施的研發(fā)項目中，LED制造技術(shù)研發(fā)占4460萬美元 (41%)，OLED制造技術(shù)研發(fā)占2050萬美元 (19%)，LED核心技術(shù)研發(fā)占1600萬美元 (15%)，OLED核心技術(shù)研究占880萬美元 (8%)，LED產(chǎn)品開發(fā)占1450萬美元 (13%)，OLED產(chǎn)品開發(fā)占590萬美元 (6%)。與2011年相比，制造技術(shù)研發(fā)的資金投入量和比重有所上升，而產(chǎn)品開發(fā)的資金投入量和比重下降，核心技術(shù)研發(fā)的資金投入和比重基本持平;OLED研究領(lǐng)域的資金投入量和比重有所提高。

3.3 美國固態(tài)照明研發(fā)的優(yōu)先任務(wù)

固態(tài)照明研發(fā)中長期規(guī)劃是一個動態(tài)規(guī)劃(living plan)，具有更新機制，定期修訂以反映最新技術(shù)進步情況和市場變化。2005年2月能源部相關(guān)工作組在San Diego召開的首次研發(fā)任務(wù)結(jié)構(gòu)和優(yōu)先行動研討會上，提出了最初的美國固態(tài)照明中長期規(guī)劃優(yōu)先任務(wù)。在隨后的規(guī)劃修訂過程中，優(yōu)先任務(wù)也隨著技術(shù)進步和對固態(tài)照明技術(shù)認識的深入而不斷修訂。以2012財年為例說明規(guī)劃更新機制:2011年11月在華盛頓特區(qū)召開了一系列圓桌會議(Roundtable sessions)，邀請工業(yè)領(lǐng)域?qū)＜覍ED和OLED技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行討論，找出當前最迫切的研發(fā)任務(wù);圓桌會議的討論結(jié)果經(jīng)整理成為優(yōu)先任務(wù)草案，能源部固態(tài)照明研發(fā)工作組于2012年2月在佐治亞召開工作組會議，對優(yōu)先任務(wù)草案進行討論;工作組在此基礎(chǔ)上提出2012年優(yōu)先研發(fā)任務(wù)征求意見稿，提交能源部與照明產(chǎn)業(yè)代表討論，收集反饋意見，并征求各部門意見后，由能源部正式發(fā)布2012年固態(tài)照明研發(fā)中長期規(guī)劃優(yōu)先任務(wù)。從規(guī)劃文本上看，2012年LED技術(shù)研發(fā)優(yōu)先任務(wù)與2011年版本完全一致。

3.3.1 LED核心技術(shù)研發(fā)優(yōu)先任務(wù)

2012年LED核心技術(shù)研發(fā)優(yōu)先任務(wù)包括:一是進一步研究影響LED照明產(chǎn)品光效的關(guān)鍵材料，了解LED發(fā)光的物理機制和高性能藍光LED照明產(chǎn)品在電流密度上升時光效下降的原因;二是提高LED照明產(chǎn)品的內(nèi)在量子效率(Internal quantum efficiency，IQE)，尤其是在紅光和黃光區(qū)的量子效率;三是提高熒光粉的發(fā)光效率和熱穩(wěn)定性，提高暖白光LED產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化效率、光譜效率和顏色質(zhì)量。

3.3.2 LED產(chǎn)品開發(fā)優(yōu)先任務(wù)

2012年LED產(chǎn)品開發(fā)優(yōu)先任務(wù)包括:一是尋找光效能夠達到目前先進水平的替代基底解決方案，制造低成本、高性能的LED封裝器件;二是開發(fā)新型LED封裝模式和結(jié)構(gòu)，使LED封裝器件更容易與燈具集成，并有利于解決光效、散熱、成本、顏色、配光、電路集成、敏感性和穩(wěn)定性問題;三是鼓勵收集固態(tài)照明燈具和原件的系統(tǒng)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，尋找失效原因，并利用這些數(shù)據(jù)開發(fā)模擬SSL穩(wěn)定性和壽命的軟件，加快測試速度;四是鼓勵燈具結(jié)構(gòu)的完全創(chuàng)新，充分發(fā)揮LED照明特性 (包括形狀因素、配光和顏色控制能力等)，實現(xiàn)節(jié)能目標，同時加快市場推廣。

3.4 固態(tài)照明研發(fā)規(guī)劃中長期目標

LED照明目前包括熒光粉混光模式和三基色直接混光模式，不同混光模式的技術(shù)路線不同，研發(fā)目標也不相同。

3.4.1 熒光粉混光模式LED照明產(chǎn)品研發(fā)目標

熒光粉混光模式LED照明產(chǎn)品 (pc-LED)的技術(shù)參數(shù)水平、2020年目標和遠期目標如表7所示。

3.4.2 三基色直接混光模式LED照明產(chǎn)品研發(fā)目標

未來美國更加看好三基色直接混光模式LED照明產(chǎn)品 (Color-Mixed LED)提高光效的前景，技術(shù)參數(shù)水平、2020年目標和遠期目標如表8所示。

表7 熒光粉混光模式LED照明產(chǎn)品現(xiàn)狀及目標

表8 三基色直接混光模式LED照明產(chǎn)品現(xiàn)狀及2020年目標

3.4.3 固態(tài)照明研發(fā)目標

根據(jù)以上預(yù)測，設(shè)定了美國固態(tài)照明中長期規(guī)劃LED封裝器件和燈具的發(fā)展目標，如表9所示。

表9 美國固態(tài)照明中長期規(guī)劃LED封裝器件和燈具發(fā)展目標

［1］U．S．Depart of Energy．Solid-State LightingResearch and Development:Multi-YearProgram Plan April 2012．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_mypp2012_web．pdf．April 2012．

［2］U．S．Depart of Energy．Solid-State Lighting Research and Development:Multi-Year Program Plan March 2011．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_manuf-roadmap_july2011．pdf．March 2011．

［3］U．S．Depart of Energy．Solid-State Lighting Research and Development:Manufacturing Roadmap July 2011．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_manuf-roadmap_july2011．pdf．July 2011．

［4］U．S．Depart of Energy．5-Year SSL Commercialization Support Plan FY09 through FY13．http://www1．eere．energy．gov/buildings/ssl/pdfs/ssl_5year-plan_09-13．pdf．May 2009．

(未完待續(xù))

［5］U．S．Depart of Energy．GATEWAY Demonstrations Showcase SSL Product Performance．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/gateway _jan2012_factsheet．pdf．Jan 2012．

［6］U．S．Depart of Energy．CALiPER Program Supports Unbiased Testing， Promotes Consumer Confidence．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/caliper_jan2012_factsheet．pdf．Jan 2012．

［7］U．S．Depart of Energy．DOE Announces Philips as First Winner of the L Prize Competition http://www．lightingprize．org/philips-winner．stm．August 3，2011．

［8］U．S．Depart of Energy．Demonstration Assessmentof Light-Emitting Diode(LED)Retrofit LampsHost Site:InterContinental Hotel， San Francisco， California．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/gateway_intercontinental-hotel．pdf．Jan 2012．