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減碳科技:點亮未來–LED照明

LED是一種發光二極體半導體元件,它的原理早在上世紀初就已發現,比白熾燈的發明僅晚了不到30年,惟商業化的腳步卻落後甚多。但在未來幾年內,LED照明一定會點亮全世界。
 
 
 
在油電的喊漲聲中,各行各業莫不叫苦連天,但觀察到有一類商品賣得出奇的好,部分型號甚至出現缺貨現象,那就是輕鋼架LED(light emitting diode,發光二極體)燈具。一個動輒3,000~4,000元的LED燈具,怎麼那麼多人買得下手?而連帶的,做為其主要元件之一的電源供應器也出現了供貨緊俏的情形,有些廠牌在電子材料行竟也買不到。這雖出乎一般人的想像,但隨著電價的高漲,在荷包縮水的狀況下,似乎人們已經開始算計著如何才能真正地省錢。

似曾相識的場景又發生了,政府在繼兩波總額14億的節能家電補助後,經濟部又將推出10億的LED照明補助方案,預計補助家用LED燈泡半價。這可望把目前每顆單價高達300~600元的LED燈泡降為150~300元,這不僅使得LED燈泡在價格上足以跟平均單價100元的緊密型螢光省電燈泡(compact fluorescent lamp‭, ‬CFL)抗衡,且可提高一般人對LED燈泡的接受度。

雖和過去一只售價僅20~30元的白熾燈泡相較,價格仍相當高,但可預期的是,它將可大幅提升國內LED燈泡的滲透率,更進一步減少整體家庭用電。

其實為了節能減碳,早已有多個國家實施類似的補助方案。以日本為例,自2009年起已陸續實施了兩期的Eco-point節能家電補助。目前日本的LED燈具滲透率雖尚不足30%,但預計在2015年可把LED燈具滲透率提升至50%。這對經歷311核災,朝全面廢核邁進的日本而言,是非常重要的一步。其實根據統計調查,日本的高LED燈具滲透率並非全然是基於政府的補助,而是一般民眾經歷核災後環保意識的覺醒。

在美國推行的CFL節能燈泡補助,因CFL節能燈泡的色溫(color temperature‭, ‬CT)(註1)和價格都較白熾燈泡高,且民眾的環保意識還不夠強烈,雖然電廠免費贈送CFL節能燈泡給一般用戶,但CFL節能燈泡在美國的滲透率始終難以拉高,近幾年來一直維持在20%上下。
當然,日本的政策性補助LED燈具和美國多年來一直推動的CFL節能燈泡補助,無非是希望減少用電量,以避免新建電廠所需的龐大投資。

依據能源局估算,臺灣在民國101年照明用電高達260億度,約占臺灣總體用電量的10%以上。這已較數年前未開始限制(禁用)白熾燈泡時,照明用電約占總體用電的15~20%已改善不少。事實上,在節能減碳的措施上,自民國97年起,政府已開始實施為期5年的「585白熾燈汰換計畫」,短期是以CFL省電燈泡取代白熾燈泡,長期則以LED做為主要的照明燈具。

去年(2012年)開始,它更正式進入第二階段,凡消耗功率25瓦以上的白熾燈泡,未符合發光效率基準的,不得進口或銷售。因此,市面上幾乎已買不到白熾燈泡了。雖然廠商也開發出符合上述法規的改良型白熾燈泡,但事實上,政府的政策等於宣告白熾燈泡時代的結束,即使不至於完全消失。

然而臺灣地處亞熱帶,白熾燈泡的使用比率和國外相比本來就不高,螢光、日光燈反而是消費者使用的最大宗。目前正風行以T5省電燈管取代舊有的T8‭/‬T9燈管,但不管怎麼樣,它們都含有汞,違反環保的精神。其實,歐盟的危害物質禁用指令(Restriction of Hazardous Substance‭, ‬RoHS‭ ‬)雖給含汞螢光燈管留下一線生機,但如同各國政府在政策上限制白熾燈泡的使用,等於宣告白熾燈泡的末日一樣,螢光燈管最終還是得從歷史的舞臺上黯然退場。

依據上述,對從事LED研究、製造、銷售和關心LED發展的人士而言,只不過是依劇本演出的戲碼罷了。因為依據LED的技術發展藍圖,它終將超越其他的人工光源,獨領風騷,大放光明。

發展與前景

LED是一種會發光的二極體半導體元件,它是由P型和N型兩種半導體結合而成,可使通過的電流藉由N型半導體中的電子和P型半導體中的電洞,在PN接面的主動區內復合,部分轉換為光,當然在這過程中也會產生熱。早在上世紀初,就已發現這種電致發光現象,比愛迪生白熾燈的發明僅晚了不到30年,但LED商業化的腳步卻落後甚多。

第一顆實用的LED是單色紅光LED,是在60年代初期開發成功的。再經數年的功夫,直到60年代末期,第一顆商用單色紅光LED才正式問市,但其總出光量僅有0.0001流明(lumen‭, ‬lm)(註2)。

早期的LED單價高達一、兩百美元且效率不佳,因此鮮有商業上的應用。但隨著大量生產技術的開發完成,LED單價開始大幅下降,雖出光量仍僅有幾個毫流明(mlm),但在商品上的應用已漸漸展開,用於指示燈、早期的口袋型計算機和電子手表中的數字顯示,LED慢慢地滲入人們的日常生活中。

在整個70年代,橫跨80年代直至90年代中期,LED技術的發展是出光量和發光效能(註3)不斷地提升。例如,出光量3流明的單顆紅光LED的發光效能可達每瓦25流明,已可應用在汽車煞車燈和室外的(廣告)看板上。比起傳統的白熾燈每瓦10~15流明,其實在出光效率上已勝出了。

不同色彩的LED也陸續加入了照明的行列—淡黃色、綠色、藍色等。而事實上,讓LED往照明跨出一大步的是高亮度藍光LED的發明,亮度可達1燭光(candela‭, ‬cd)(註4),這讓LED照明不再是夢想,它變得觸手可及,並將進入每個人的生活中。

從90年代中期白光LED的發明直至今日,所發生的是白光LED技術的持續發展和它在照明上的應用。依生成的方式,白光LED主要可分成兩大類:由紅光、綠光與藍光三種單色LED直接混色,和由藍光或紫外線LED直接激發黃色螢光物質。這兩種方式互有優缺點,但單以出光效率來說,以螢光物質為基礎的白光LED事實上較三原色混色LED為佳,更適合於白光照明的應用。

而最近一、兩年來的發展是,美國LED大廠於2010年已成功開發並銷售出光亮度高達1,000流明的白光LED,它在3安培工作電流下的出光效率是每瓦100流明,當工作電流是350毫安培時,發光效能是每瓦160流明。2011年,這家廠商又使白光LED的出光效率往上提升,當工作電流是350毫安培時,發光效能是每瓦231流明。最近又繼續突破技術瓶頸,把白光LED的發光效能提高到每瓦254流明,這已慢慢逼近它的理論極限值—每瓦300流明。

隨著材料和製程的不斷改良,LED的出光量和發光效能也不斷突破。依據海茲定律(Haitz's law),過去40年來,LED出光量(流明)約每18~24個月可提升1倍,在往後的10年內,預計出光量可以再提升20倍,而單位成本(美元/流明)將降至現有的‭ ‬1∕10。

其實近幾年來,單顆封裝LED的出光量提升的速度已較海茲定律所預測的快,目前市面上已有超過10,000流明的產品。因此隨著時間的推移,LED的效能會變得更好,價格也會更便宜。當LED的平均單價逼近現在白熾燈泡的價格時,一般民眾會更樂意購買。

LED照明

在未來LED照明燈具市場中,LED燈泡和輕鋼架LED燈具會成為大宗。LED燈泡終將取代過去白熾燈泡和現在CFL省電燈泡在照明上所有的應用,輕鋼架LED燈具則會繼T5燈具後成為辦公室和工廠照明的主流,有機會在臺灣取代目前各場所(含居家)的螢光日光燈具。其他諸如LED嵌燈、LED枱燈、LED飾燈等在市場上也不會缺席。

LED燈泡 白熾燈泡較其他人造光源有更好的演色性,演色指數(color rendering index‭, ‬CRI)可高達99。演色指數是指物體在人造光源照射下,所顯現的色澤和在陽光照射下所顯現色澤的差異。演色指數值越高,被照物體就越能顯現其本來的色澤。

然而白熾燈泡通電後產生的能量,有90%轉換成熱而浪費掉了。傳統的100瓦白熾燈泡,放出熱量就高達90瓦,相較於發出相同亮度的26瓦CFL省電燈泡所產生的15瓦熱量多出6倍。而對比之下,現今一低於12瓦的LED燈泡就可產生同等的亮度。因此相較於白熾燈泡和CFL省電燈泡等人工光源,LED燈泡具有非常高的出光效能、使用壽命長(可達50,000~100,00小時)、不含汞等優勢,使它成為未來照明的不二選擇。

輕鋼架LED燈具 辦公室或工廠用的大尺寸燈具的光源,目前仍有許多是使用傳統的T8‭/‬T9日光燈管,但有越來越多人改用較省電的T5燈管。T5燈管的確有很多優點,比如使用壽命長(達20,000小時)、發光效能高(約90‭ ‬lm/W)、出光量大(14W‭, ‬1,250‭ ‬lm)、演色性佳(CRI達85以上)、單價低等,似乎唯一也是最大的缺點是使用汞,不符合愛地球的環保理念。

輕鋼架LED燈具目前分為兩大類:一是直下式,架構和輕鋼架日光燈管燈具相同,只不過光源是採用LED燈管,大部分由數十至數百顆LED沿直線排列而成;另一是LED平板燈具,基本上它是由液晶顯示器中所使用的光源—側光式LED背光模組—直接演化而來。在LED平板燈具的架構中,需有一塑膠材質製作的平板導光板來導引光,並使它均勻出光。其優點是厚度薄,但出光效率僅約50~60%。

相對於側光式光源具導光板的LED平板燈具,為能提升LED燈具的整體出光效率,近來也有幾款空腔式無導光板LED燈具的設計。它們都是利用反射底板進行初步配光,再經擴散板出光,都標榜高出光效率。比如美國LED大廠的CR系列LED燈具和筆者的研究團隊所設計的多邊形空腔式側光式LED燈具,兩種方式的出光效率都可達90%。

其中CR系列LED燈具著眼於一般直下式LED燈具一直有出光均勻性不佳,容易產生眩光的缺點,把LED置於燈具下方,朝上方反射底板出光。經底板反射後的光線再經擴散板均勻出光,就可得到一個非常均勻的高品質LED光源。整個想法相當簡單但高明。

筆者的研究團隊在輕鋼架LED燈具上的思維,則是針對LED平板燈具出光效率難有效提升(約50~60%),和有一塊看似不可缺少但又有那麼一點笨重的導光板,如能取代甚至移除它,並妥善控制出光的均勻性,應可大大提高出光效率,得到非常均勻的高品質LED光源。當然除了以上所提到的兩種設計思維外,未來在市面上應會出現其他類型的高品質、高效能LED燈具的設計。

LED智慧照明

「開燈!亮一點!再亮一點!暗一點!稍微亮一點!好!」檢視場景,房間中僅有一人,看似自言自語,但房間中燈光的亮度已在這短短的時間內變化多次了。這僅會出現於未來科幻片的情景,很有機會在未來幾年內出現在你我的日常生活環境中,不再是科幻,也不再是夢想。無論是擊掌、彈指或是語音都可當成聲控照明的訊號,當然,動作也可成為控制照明的訊號。

而以上只不過是涵蓋目前正如火如荼發展的智慧照明中的一部分,它是現在進行式,不是未來式。想像一下!照明可隨心情轉,這當然是在更遙遠的未來才會出現的。

其實只要結合網路和智慧型手機,舉凡燈具亮度、色度調控、遠端用電監控等,都可以很容易地建構在以LED技術為基礎的智慧照明應用上,這是白熾燈泡無法辦到的,甚至連CFL省電燈泡也無法比擬。臺灣的LED產業規模是世界第一,在智慧照明的發展上自是不落人後,目前已訂出智慧照明系統產業標準,這不僅可帶動國內智慧照明產業的發展,也能加速推廣智慧照明技術的應用。

今天的LED照明還稱不上普及,若以成本效益的角度來看,長時間使用照明的場合,例如路燈、交通號誌、24小時作業的工廠、賣場、百貨公司、飯店等場所,因投資回收時程較短,較易推廣。但家用照明,因LED售價還太高,消費者仍難接受。可是如延續LED技術發展藍圖和高科技產品價格持續下滑的市場法則,加上外在環境,如電價上漲、政府的補助政策、一般民眾環保意識的覺醒等,和智慧照明浪潮的興起,在未來幾年內,LED照明一定會點亮全世界。
  • 註1:光源的色溫是對比於理想黑體輻射,當顏色相同時理想黑體的溫度,它是以凱式溫度(K)表示,例如白熾燈泡的色溫是2,800‭ ‬K。
  • 註2:流明是光通量(功率)的單位,是單位時間內光源的出光總能量。它是人眼所能感覺到的單位時間可見光的出光能量,但並不涵蓋光源的全部出光光譜能量。雖然有些人用流明代表LED的亮度,流明數越大,亮度越高。但在實務上,流明並不是直接計算或度量亮度的單位。
  • 註3:發光效能即電光轉換效率,每瓦消耗的電能所可產生的可見光出光量(流明)。
  • 註4:燭光是發光強度單位,相當於一根蠟燭的亮度,是在特定的方向上,單位立體角內光源出光的流明數。傳統上,有人把燭光當作白熾燈泡的亮度單位。同樣地,在實務上,燭光也不是直接計算或度量亮度的單位。
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