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任元会:LED在室内照明的应用与前景(附:LED光辐射安全与标准化)

中国照明学会
欧盟已于2009年9月禁售100w的白炽灯,更低瓦数的白炽灯也将每隔12个月逐步被禁售--譬如75w和60w灯将先后于2010年9月和2011年9月被禁售。欧盟和中国目前都提倡使用紧凑型荧光灯,也就是通常所谓“节能灯”。不过,已经有一些研究提出,因节能灯使用汞蒸气,可能造成环境污染,因此提倡停止使用节能灯而转用LED灯……
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欧盟已于2009年9月禁售100w的白炽灯,更低瓦数的白炽灯也将每隔12个月逐步被禁售--譬如75w和60w灯将先后于2010年9月和2011年9月被禁售。欧盟和中国目前都提倡使用紧凑型荧光灯,也就是通常所谓“节能灯”。不过,已经有一些研究提出,因节能灯使用汞蒸气,可能造成环境污染,因此提倡停止使用节能灯而转用LED灯。

美国的 Energy Star (能源之星)”项目陈述,节能灯使用能源比白炽灯少75%,而且使用寿命长10倍,每个灯汞蒸气含量1.4-5毫克。根据耶鲁大学环境学院发表于ES&T (DOI 10.1021/es800117h)的一项研究,节能灯造成的汞污染与使用白炽灯造成的汞污染很难绝对地说何者更严重,必须联系使用地的能源清洁程度和废旧灯泡回收率决定。煤炭发电是大气中的汞污染的主要来源,在基本依赖煤炭发电的情况下,使用节能灯虽然有汞蒸气污染,只要能合理回收一部分废灯,还是比使用白炽灯环保。该项研究的作者认为,即使节能灯在目前仍有其作用,但从长久看,使用有毒物质的照明方式还是应该被淘汰,可以探索LED灯或是更环保的紧凑型荧光灯。

 

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任元会:LED在室内照明的应用与前景

半导体发光二极管(LED)已有四十多年的历史,到上世纪九十年代上半期研究出现蓝光LED后,很快就成功解决了白光LED。白光LED的问世及其快速发展,受到了世界各照明企业的关注,投入了很大的资金,进行了卓有成效的研究,十多年中,使白光LED的光效提高了近十倍,作为一种新型的固体光源(SSL)进入照明领域,成为第二代(气体放电灯)光源以后的第三代新型光源。

 

1 白光LED的优势

白光LED出现近15年,其发展速度之快,超过人们的预计,好象一个超常发展的少年"神童",受到家庭和社会的特别关注和培育。其主要优势和特点有:

(1) 光效迅速提高:到现在,产品的实用光效可达70~90lm/W,据报导,美国实验室数据达160lm/W,而用还有增加的趋势,预期在未来3~5年,实用光效达到150~200lm/W是可能的,到那时有可能成为最高效的光源。

(2) 起动性能好,快捷可靠,只有毫秒级的响应时间,能达到全光通输出。

(3) 调光方便,可控性强。

(4) 耐震动,耐气候性良好,寿命长。

(5) 不含汞,环保性能优。

(6) LED在一定光束角内定向辐射,用于射灯、筒灯等灯具时,有利于提高下射光通比。

(7) 用于景观、装饰、广告、信号等场合,有多种彩色光LED,加上良好的启动和调光性能,容易实现数字化控制,以达到多彩、动态变化,在商业性、娱乐性场所极具渲染性。

2 白光LED用于室内照明待解决的问题

白光LED在照明领域探索前进,在实际应用中不断提高,已经取得了不少成绩,推动了LED照明的发展。LED应用于夜景照明,已经显示出很大的优越性,但是作为功能性照明,无论在产品或技术上,还远没有达到成熟的阶段,存在着不少有待进一步解决的问题,当然这也是符合发展规律的,主要问题有:

(1) LED芯片主要依赖进口,应用国产芯片很少,大功率(1W及以上)芯片还没有,芯片缺少自己的技术和知识产权;我国已拥有很大规模的LED封装产业,具有较优良的装备,但封装技术、材料和工艺,还存在一定差距。

(2) 缺乏统一的标准,包括LED灯具系统、驱动电路等,一部分企业发挥自己的优势,研究开发了自己的产品,有些则借鉴或仿制,产品水平良莠不齐,各家产品规模各异,互换性差,维修困难。

(3) LED照明灯的测试方法没有统一,有些参数的测试还待研究,如显色性的测量和气体放电灯也不一定相同。

(4) LED灯具产品还处于初级阶段,技术上不成熟,还存在不少问题,如:

1) 散热问题:如何把结温有效降低到允许水平,仍在探索和实践中,温度控制不好,将影响光效,加光光通衰减,甚至色温、显色性的稳定。

2) 目前多数LED的色温偏高,过多的蓝色光谱,对于多数室内场所,会使人感觉不舒服,产生刺激感,与环境不够协调,光线不够柔和,不利于眼睛保护。

3) LED用作室内功能性照明,如何设计灯具的配光和控光系统,也是一个新课题,定向发光的LED不同于现有光源,灯具的反射、漫射、配光,都有自己的特点。

4) LED照明的驱动电路:也需要进一步优化和标准化,还需要时日,其性能包括使用寿命、功耗、谐波、功率因数等,都需要探索。

(5) 价格过高,是推广应用的又一障碍,单靠政府补贴,并非发展之良策,用LED代替白炽灯等低效光源,有显著节能效果,可享受补贴;而相对三基色直管荧光灯这类更高效光源,并没有节能效果(至少今日是如此),过高的初建费用,绝没有经济上的合理性。

(6) LED照明的另一个问题,是缺乏平稳有序的发展态势。短短几年,几千家企业挤入LED照明,有一哄而起的架势,使人想起"大跃进"的年代。有一些企业在模仿中制作,低水平重复,靠夸大入市,有的企业和一些媒体融合,过分炒作,夸大节能效果,甚至个别政府官员也取到推波助澜作用,误导了使用单位。必须建立一套完整的技术标准和客观的评价机制,实事求是的舆论导向,引导其健康发展。

3 LED在室内照明中的作用

3.1 应用的原则和方向

室内照明不同于夜景照明,更强调照明的功能;相对道路照明说,则是一个更为广阔的空间,不同的使用场所,不同的功能,不同的大小场所,不同的装饰美观要求,决定了室内照明灯具品种繁多,配光类型各异,当前成百上千企业拥向路灯的局面,应该开阔视野,更换思维,走进室内这个更宽广的天地。

 

走进室内,先做什么,从哪些领域突破,建议考虑以下原则和方向。

(1) 首先应符合《建筑照明设计标准》的规定,包括照度、均匀度、眩光、显色指数要求和相宜的色温,以达到良好的视觉条件和LPD限值规定。

(2) 应选择场所,试点应用,逐步扩展,循序渐进,总结经验,不断改进,切忌不顾对象,不分析条件,大面积推广。应寻找更能发挥自身优势的场所作为切入点。

(3) 突出节能:当前首先目标是去取代低效的白炽灯,更能发挥优势;第二个目标是取代卤素灯;第三是力求逐步代替紧凑型荧光灯。特别注意:并非LED都节能,应该是在达到相同照度水平、接近的照明质量条件下进行比较;从这点分析,目前不应以LED去代替高效的三基色直管荧光灯。

(4) 发挥LED彩色光的优势,在室内用于需要更高装饰要求,或作为景观、标志灯等用途。

(5) 发挥LED快速起动、方便调光的优势,优先用在要求声、光自控和需要调光或频繁开关灯等场所。

(6) 利用LED定向发光的特点,应用于需要定向照明的部位,如射灯、筒灯等。

3.2 适宜应用的场所

按上述原则,以下场所适宜应用或试用。

(1) 住宅或类似场所的楼梯间、走道装设节能自熄开关的灯,几乎都用白炽灯,最适宜用LED代替,节能效果好,虽只是一个"小灯",但数量大,全国估计过亿支,其节能效益可观,企业经济效益显著。

(2) 疏散照明灯、疏散标志灯,以及其他标志灯,还有部分备用照明灯(当正常照明采用HID灯时),适宜用LED。

(3) 用LED代替PAR38(采用反射型白炽灯)这5类灯,是十分合适的;进一步研究代替MR16、MR25(采用卤素灯)一类射灯;这些应要求LED有更高显色指数(Ra)和具有暖色表(<3300K)。

(4) 应用于商场作重点照明的射灯,博展馆类建筑的射灯,以及公共建筑的筒、射灯等。

(5) 宾馆使用白炽灯和卤素灯较多,是应用LED灯的适宜场所,可以应用来取代白炽灯、卤素灯的有:客房需调光的床头灯、床头顶上阅读灯、夜灯、衣柜灯、吧台灯、开门灯、进门过道灯,以及卫生间洗浴灯等。

(6) 局部照明灯,采用安全特低电压(SELV)的检修灯。

(7) 视觉条件要求不太高的一般建筑的辅助场所,如走道、卫生间,一般用途的库房,风机、水泵房等。

3.3 需要研究应用场所

(1) 装饰要求高的场所(宾馆等)的水晶玻璃吊灯,现在都使用烛形白炽灯,应该研究能达到类似效果的LED取代,从色温、光谱和显色性等效果进行研究。

(2) 需要调光的厅堂、多功能厅及其他类似场所,现在用白炽灯的,应研究用LED代替。

3.4 目前不具备条件应用LED的场所

(1) 这类场所主要有办公室、教室,商场的一般照明,控制室、各类工业场所(如仪表、电子、纺织、成衣、卷烟等)。

(2) 这类场所照明主要是功能性照明,要求显色性较高,色温相宜、眩光控制较好,均匀性好,以保证良好的视觉环境,同时要求有很高的照明能效;现在使用三基色直管荧光灯(不小于4英尺长),其光效高,视觉效果好,目前的LED还难以达到这些要求,所以不宜使用,可以研究准备条件,用怎样配光形式的灯具来适应。

4 未来前景

LED仍在不断发展之中,室内照明空间广阔,未来应用前景是光明的。但是要有更大前进和相应的研究、探索工作,为应用创造条件。

(1) 进一步提高光效和显色性,研究多种更适应的色温。

(2) 把半导体学科和照明学科更有机结合,深入研究适合LED特点的灯具形式和灯具配光系统。

(3) 进一步降低成本。

期望在5~10年左右时间,LED在室内功能照明领域能更大范围推广应用。

在关注LED发展、应用的同时,还应该注意到另一种固体光源--有机半导体发光二极管(OLED)也在悄然崛起,已开始显示更多的优势,或许在未来若干年成为现有光源以及LED的强有力竞争者,需要我们更多的关注。

[参考文献]

1、《建筑照明设计标准》,GB50034-2004

2、国家发改委、科技部等6部委,半导体照明节能产业发展意见

3、陈大华,传统光源和固体光源的综合评述

4、李广安,电光源发展趋势和我国策略

5、任元会,LED照明的发展和应用

 

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LED光辐射安全与标准化

 

 

一、引言

LED技术地不断进步,使得出现在市场上的大功率LED产品日益增多,LED市场正在以令人吃惊的步调向前发展。LED的长寿命、小体积和高亮度等特性使其倍受设备制造商和用户的欢迎。如今,LED已经渗透到了大量的应用场合,并继续保持着飞速发展的势头。例如高亮度的LED已经广泛应用于:手机彩屏和背光源、液晶屏背光源、汽车尾灯和车厢内部用灯、交通红绿灯、标志牌、电子显示设备、便携式手电筒和玩具等方面。
                   
                                       图1 LED市场预测


      同时,通过不间断的研究,制造商在过去几年中已经使得LED的发光度得到大大提高而其单位成本却不断降低,因此LED越来越呈现出作为未来主要的人造光源的潜力,有可能会代替几乎所有现今存在的其它人造光源。


      但是,在LED的功效不断增大,亮度不断提高的同时,过去的LED出射光不会对人体造成危害的时代也一去不复返了。人们不得不开始关注LED产品在使用过程中的光辐射安全性问题,而解决这个问题的最有效方法就是标准化。科学适用的标准可以使不合格LED产品无处遁形,同时也能为人们安全使用LED产品提供指导,还可对整个LED产业起到极大的促进作用。

 

二、LED的光辐射危害


      和其它光源一样,LED的光辐射理论上也能对人体造成危害。伤害主要发生在人的眼睛和皮肤,如皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害等,而两者之中更容易受到伤害的是眼睛。此外,LED也能引起眩光危害。眩光就是在视野中由于亮度的分布或范围不适宜,或在空间或时间上存在着极端的亮度对比,以至引起不舒适和降低物体可见度的视觉条件,眩光是评价照明质量的最重要因素之一。


      但是LED与高强度,高方向性的激光光束不同,在现今的实际应用场合中能够对人眼产生直接危害的LED光源几乎没有(尽管很多标准已经对LED的安全性要求做了规定),所以我们要关心的主要是一些光亮度能够导致人眼眩惑的LED光源。我们称这种危害为眩惑危害,具体是指耀眼的光亮使得人眼花缭乱或产生不利的视觉残留现象的危害,这是我们用于定义介于眩光危害和直接光化学危害的中间阶段而引入的新概念。曾经在夜间行驶的司机可能已经注意到LED的交通红绿灯的亮度看上去很不舒服,而且已经有报告指出一些LED手电筒也能够导致讨厌的眩惑和视觉残留。
          
                              图2 高亮度白光LED交通灯和手电筒


      可是不幸的是,由于LED产业的飞速发展,LED应用场合的不断增加,明确LED的安全性问题并不是一件容易的事。至今没有起草过专门的LED安全性方面的指导性文件。而且在LED到底应该被归类到激光器类还是非相干光源类这一问题上也存在争议。此外,对于如何测试LED的输出光的问题也存在不同的观点。那么处理LED的光安全问题的相关标准发展到何种程度了呢?

 

三、LED的光安全标准



     1、标准化相关组织


      目前,与LED的安全性方面的相关标准的制定密切相关的组织主要有:


      1)国际防非电离辐射委员会(ICNIRP):


      ICNIRP根据对生物物理数据的评估提供推荐曝光限值,并且出版了非相干光源和激光束的光安全方面的指导方针。对于目前所关心的LED各个方面的问题,ICNIRP声明建议对于LED的安全评估和对应测试应该遵循非相干光源的指导方针。尽管该声明并不具有法律效应,但是它为开始建立专门的科学适用的LED光安全性问题方面的标准提供了一个很好的起点。


      2)国际照明委员会(CIE)


      由于LED已经在许多特定场合被广泛应用,而且不断朝着普通照明领域扩展,CIE在最新版的CIE S 009/E:2002标准中对LED的安全性做出了规定。对LED造成皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害等危害的曝辐限值做出了规定,这些曝光限值是根据ICNIRP的相应指导方针得到的。同时这个标准还提供了参考测试条件,并为评估和控制来自非相干的宽波段光源的光辐射所产生的光生物危害提供了一个安全等级分类依据。相应的国家标准也已于2004年由国家电光源检测中心和浙江大学三色仪器有限公司负责起草完成。


      3)国际电工委员会(IEC)


      IEC提供制造业标准,包括专门处理激光产品安全性的IEC 60825系列标准。IEC 60825的第一部分包括制造业的必备条件的要求,而这个已经作为EN 60825-1被欧洲采用。IEC 60825 从1993年的版本开始将LED产品考虑进来。


      但是根据LED的一般应用场合,可知用于评估激光束的测试条件并不适合于LED的评估。过去曾经尝试通过修改测试步骤来解决这一问题,但是不幸的是,国际标准和欧洲标准,以及一些国家标准中对此所作出的修改并不一致。如今,测试方法已经较符合实际需要,但是关于更完善的改进意见的讨论仍在继续进行中。


      2、现行的LED光安全标准


      1)来源


      前文已经提及,至今没有起草过专门针对LED的有关光安全性方面的标准,所以现阶段对LED光安全性问题的处理主要参考其它适用的权威的国际标准,主要有CIE S 009/E:2002和IEC 60825-1,而对于这两个标准也没有涉及的问题,各个地区各个国家会参考各自的适用标准。


      2)指导思想


      现行LED光安全标准在处理LED光安全性问题时的指导思想是:模拟人在LED危害可能性最大的情况下使用LED的情节。因为只有在上述情况下LED是安全的,那么我们才能确定该LED是安全的。例如在IEC 60825-1中对于光散射输出的光源,标准通过评估该光束经透镜会聚之后的危害来确定LED类别。


      3)内容


      现行LED光安全标准一般主要包括四个方面内容:生产制造要求、曝辐限值、产品分类、测试方法。生产制造要求主要针对制造商,如产品标签、检验、使用指导、安全防护等方面要求。曝辐限值一般来源于国际防非电离辐射委员会(ICNIRP)提供的指导方针,这个随着人类对光生物机理的认识的深入会更加科学,更加精确。产品分类是指通过测试得到产品的光生物化学作用有效光输出,从而比较标准中规定的分类依据确定产品类别,为用户提供指导。最后,测试方法是指标准中提出的符合标准要求的测试方法。这四个方面既互相区别又互相联系,例如标准会规定制造商必须提供产品的类别,那么我们首先就要对产品进行测试,之后又要根据曝辐限值和分类依据明确该产品类别。


      4)启发


      现行LED光安全标准对我们有二点启发:一、学科交叉。没有光学和医学的综合考虑,就得不到科学适用的曝辐限值。因此要缩短我国与国际上在光安全性研究方面的差距,促进学科交叉是必由之路。二、没有永远的权威。纵观各个时期CIE和IEC出版的标准,没有不断的修改就没有如今最新的CIE和IEC的标准。因此,我们要发挥自己的优势,积极参与到国际标准化进程中。

四、难点问题


      由于实际的应用情节错综复杂,在处理LED光安全性问题中不可避免的存在几个棘手的问题,例如:


      1、极限异常情况的判定


      关于LED照射下引起眼睛危害的现实可能的最坏情节的分析可能会非常复杂,例如在某些情况下,最有害的观察点可能是在离开光源的某个距离处而不是最近处。例如红绿灯LED阵列。在极其靠近的距离观察,仅有一个LED的辐射光成像在人眼中,而在较远距离观察则是所有LED成像。另外一个复杂性来自于在制造商规定的极限条件之外使用LED。


      2、表观光源的确定


      现行标准在测试分析LED光安全性时一般都会涉及表观光源的概念。根据IEC 60825-1的定义,表观光源是指在视网膜上形成最小影像的实或虚发光体,如图3所示。但是实际情况中的很多光源并不如图3所示的这么简单,因此对这些复杂光源确定表观光源大小就变得十分棘手。
            
                                             图3 表观光源例


      解铃还须系铃人,要在未来的关于LED的光安全性问题的标准化过程中很好地解决这些难题的唯一途径就是对实际情况的深入理解。这既包括对人眼、皮肤组织结构的不断认识,同时也包括对光生物化学机理的深入认识和对实际应用场合的充分考虑。

 

五、LED光安全性标准化建议


      1、尽快建立科学适用的专门的LED光安全性标准


      现在对于LED光安全性方面问题的处理主要是参考IEC 60825标准,但是LED的宽光谱和扩散光束输出特性与激光存在显著的不同,这明显不能够完全满足LE




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