超量子理論在LED照明中的具體應用

1、超量子理論在LED照明中的具體應用The Application Of The Super Q Theory In LED Lighting 一、前言二、超量子理論的內涵三、超量子理論實現(xiàn)的途徑四、應用超量子理論取得的部分成果五、超量子理論的意義和價值六、附件目 錄一、前言 被高盛稱為“毀滅性創(chuàng)造”的行業(yè)，萬億級市場容量。 “全球禁白”效應溫升，最近三位諾貝爾物理獎得主，更使LED照明如日中天。 國家能源局公布2013年全社會用電量5.3223萬億度，照明用電量13.79%，約為7339億度。照明產(chǎn)品能效每提高一個百分點即可節(jié)約73.39億度電，若全部照明光源改用高效節(jié)能的LED光源，按節(jié)電率

2、70%計算，每年至少節(jié)約電量5137億度，超過8個三峽電站的年發(fā)電量，并可節(jié)約標準煤1.65億噸，減少二氧化碳排放4.12億噸。節(jié)能減排的效果相當巨大。（2003年到2012年，三峽電站機組累計發(fā)電量超過6291億千瓦時，平均年發(fā)電量630億度；以目前發(fā)電能耗水平，每節(jié)省一度電，相當于節(jié)省0.32千克的標準煤和3.2升凈水，同時減少了0.218千克粉塵、0.8千克二氧化碳、0.024千克二氧化硫的排放）。 若改造后的照明系統(tǒng)耗電由7339億度降低至2200億度，按平均每天照明時間11小時，每瓦照明裝機容量年耗電4 度，則2200億度需要550億瓦的照明裝機容量，若按每瓦10元計算，則市場容量為

3、5500億元。若按每度電一元計算，每年可節(jié)約電費5137億元，差不多當年就可收回投資，可見其市場前景和經(jīng)濟效益非常可觀，節(jié)能減排的貢獻更是巨大。因而，追求LED照明系統(tǒng)光效的最大化，特別是LED照明系統(tǒng)有效光效的最大化具有十分重要的現(xiàn)實意義！ 追求LED照明系統(tǒng)有效光效的最大化，其實質是取得LED照明系統(tǒng)由電能轉換成有效光量子的效率最大化。這里有效光量子表述為到達被照物體上的符合照明標準、生理健康、有超長壽命或滿足設計壽命以及能營造舒適視覺環(huán)境等要求的光量子。 威廉超量子理論闡明了在LED照明系統(tǒng)中獲取由電能轉換成有效光量子的效率最大化的原理，并提出了具體實施的方法和途徑。我們的實踐證明應用威

4、廉超量子理論生產(chǎn)的照明產(chǎn)品其光效可以比其他同類LED照明產(chǎn)品高出10%-60%。二、超量子理論的內涵 1900年德國物理學家普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)提出，像原子作為物質構成單元一樣，“能量子”（量子）是能量的最小單元，由此奠定了現(xiàn)代物理的兩大基石之一的量子理論。1905年愛因斯坦把該理論引進光學，提出光量子概念，并解釋了光電效應問題，因此在1921年獲得諾貝爾獎。1907年英國的亨利約瑟夫讓德（Henry Joseph Round)發(fā)現(xiàn)了碳化硅材料的電致發(fā)光現(xiàn)象，1924年俄羅斯奧萊格洛塞夫（Oleg Losev)發(fā)現(xiàn)了對二極管的P型半導體和N型半導體

5、施加電壓后發(fā)光的現(xiàn)象。LED原理是建立在上述理論和發(fā)現(xiàn)的基礎之上的。 LED是發(fā)光二極管簡稱，由兩部份組成：含空穴的P型半導體，含電子的N型半導體，當中形成PN結。當電流通過時，電子和空穴復合，發(fā)出光量子。光的波長（顏色）由PN結的材料決定，蘭色發(fā)光二極管涂上黃色熒光粉可得白光。 那么如何才能取得照明系統(tǒng)由電能轉換成有效光量子的效率最大化呢？ 從LED芯片層面量子效率的表述： 內量子效率(IQE：Internal Quantum Efficiency ) 光析出率(LEE：Light Extraction Efficiency) 外量子效率(EQE：External Quantum Effic

6、iency) 參數(shù)的定義與表達如下： 內量子效率=單位時間內有源層發(fā)射的光子數(shù)/單位時間內注入到有源層的電子子數(shù)=(Pint/(hv)/(I/e)=Pint/(hvI/e)=有源層內發(fā)射出的光功率/注入到有源層的光功率。 因為注入到有源層的光功率由注入到有源層的電功率提供，又因為注入到有源層的電功率=輸入功率*驅動效率，所以， 內量子效率 = 有源層內發(fā)射出的光功率/(輸入功率*驅動效率) 內量子效率表征了LED有源區(qū)將注入的電能轉化為光能的能力。 光析出率=單位時間內出射到空間的光子數(shù)/單位時間內從有源層內出射的光子數(shù)=(P/(hv)/(Pint/(hv) 光析出率表征了LED有源區(qū)將產(chǎn)生的

7、光能發(fā)射出去的能力。 外量子效率=單位時間內出射到空間的光子數(shù)/單位時間內注入到有源層的電子子數(shù)=(P/(hv)/(I/e)=內量子效率*光析出率 外量子效率表征了LED將電能轉化為外界可見光能的能力，外量子效率越高則發(fā)光效率越高。 上式中, Pint是有源區(qū)內發(fā)射出的光功率；h是普朗克常數(shù)=6.6261034Js；v是光波的頻率;I為注入電流；e是元電荷=1.602189210-19庫侖;P是發(fā)射到自由空間的光功率。 由于燈具光效 (Luminaire Efficacy)=(燈具光通/輸入功率Pin) = EQE * Pe(active layer)*d(heat）*p(packagesty

8、le,structure,material,phosphor,module,light mix etc.）*f(heat sink,light distribution） (2-1) 以上(2-1)式中各項參數(shù)符號與（2-2）式中的相關項對應。 燈具光通=外量子效率*注入到有源層的電功率*芯片熱效率*封裝效率(與封裝形式、結構、材料、熒光粉、光源組合模塊、混光方式等有關)*燈具效率(與光源散熱、配光形式有關） =內量子效率*光析出率*注入到有源層的電功率*芯片熱效率*封裝效率*燈具效率(2-2) 燈具光效=內量子效率*光析出率*(輸入功率*驅動效率)*芯 片熱效率*封裝效率*燈具效率/輸入功率

9、=內量子效率*(光析出率*驅動效率*芯片熱效率*封裝效率*燈具效率) （2-3） 上述（2-3）等式括號中的各項參數(shù)在威廉超量子理論中被命名為量子利用效率。 利用效率表征了LED照明燈具將電能轉化為有效光量子的能力，量子利用效率越高則LED照明燈具光效越高。 這就是威廉超量子理論的內涵。 使照明系統(tǒng)由電能轉換成到達被照物體上的符合照明標準、生理健康、有超長壽命或滿足設計壽命以及能營造舒適視覺環(huán)境等要求的有效光量子的效率最大化，這就是威廉超量子理論。三、超量子理論實現(xiàn)的途徑 要提高LED照明產(chǎn)品的燈具能效必須提高內量子效率和量子利用效率。內量子效率主要決定于芯片質量，目前已經(jīng)可以達到90%以上，

10、改進空間不是很大。但量子利用效率普遍較低，量子利用效率是提高LED照明產(chǎn)品燈具光效的關鍵。這為發(fā)展威廉超量子技術提供了很大發(fā)展空間。該技術概括起來包括：高出光率封裝、高光效一次配光、高顯色精細混光、高能效微電流驅動和低熱密度捷經(jīng)散熱等幾方面技術。上述技術目前都居世界第一的地位。 威廉超量子技術使其燈具的有效光量子效率比世界上現(xiàn)有任何技術高出1060%，實現(xiàn)了燈具有效光量子效率的超大化，于是，我們把運用超量子技術制造的LED燈簡稱為超量子燈。超量子理論之所以能實現(xiàn)有效光量子效率最大化原理如下： 如果我們將一顆任意大功率的LED芯片像切豆腐一樣切成多個小功率光源，例如將一顆功率為4瓦的LED芯片像

11、切豆腐一樣切成16顆，變成每顆功率0.25瓦的小芯片。因為LED是一個發(fā)光的六面體，厚度基本是一樣的，但切開后的16顆0.25瓦的小體積芯片，與一顆4瓦的大體積芯片在封裝后的效果大不一樣。后者比前者有以下幾個特點： 1）改變了芯片幾何尺寸的比例，減少了光量子全反射的發(fā)生，從而提高了光量子析出率和外量子效率； 2）由于采取了一次配光，大大減少了由多次配光材料的折射、反射、透射引起的損失，提高了有效光量子利用效率； 3）由一個大體積的發(fā)熱體變成多個小體積的發(fā)熱體，不但使發(fā)熱體分散，而且大幅度增加了散熱表面積，由于LED內量子效率和外量子效率以及壽命隨著溫度上升而下降，所以發(fā)熱體的分散化、小型化有效

12、促進了光量子效率的超大化； 4）由于小體積芯片實現(xiàn)了高能效的微電流驅動，在取得高驅動效率的同時把熱損耗降到最低，和前面所述的3項措施一起，進一步降低了LED結溫，為提高燈具壽命和光量子效率作出了貢獻。 5）精細混光保證了在實現(xiàn)不同色溫、不同顯色指數(shù)、應用一次配光技術時從LED芯片層面能夠獲得超高的量子效率，解決了同時滿足LED照明優(yōu)秀光色性能和高光效的要求。 由此可見，上述運用超量子理論實現(xiàn)的超量子技術是一個環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)，是一個內涵極其豐富的思想體系，不但提高了LED芯片部分的墻插效率(Wall-plug efficiency),更提高了燈具有效光量子利用效率，從而獲得LED照明系統(tǒng)有效光效

13、的最大化。我們正是在這個思想指引下，不斷追求創(chuàng)新極限，適時推出更高性價比、更受不同層次用戶歡迎的產(chǎn)品和服務。正如筆者林起章曾經(jīng)參加攻關的亞臨界電站、超臨界電站，直至現(xiàn)在達到超超臨界電站一樣，如果幾年后，由于我們技術不斷創(chuàng)新，使光效仍然雄踞世界第一的位置，那么，我們要將超量子燈改名為超超量子燈，我們將為此不懈努力。四、應用超量子理論取得的部分成果 超量子理論的產(chǎn)品應用起始于1994年，其技術實踐至今已有20年，取得的部分成果如下： 1）1994年出口北美至今的LED燈泡和記號燈，用1.2W、壽命10萬小時的紅光LED燈泡取代20W、壽命2千小時的T6-1/2白熾燈泡。至今已為北美地區(qū)節(jié)約電費逾1

14、0億美金。LED燈泡誘導燈 2）戶外LOGO應用。1996年底，日本Nichia和TG生產(chǎn)的白光LED剛問世不久。由于廣播大樓不允許使用高壓霓虹燈，上海東方電視臺總部新大樓正大門LOGO，用800個白光和2000個紅光LED構成光源，耗電120瓦；若采用霓虹燈至少需要1200瓦。該LOGO直徑2.4米，由紅太陽和類似海鷗的抽象英文字母“TV”圖案組成。時隔18年，至今還仍然散發(fā)光彩。本案例是世界最早的戶外白光LED應用之一。上海東方電視臺LOGO 3）上海嘉定工業(yè)區(qū)管理委員會辦公樓照明改造。改造面積30000平方米，2009年完工。原燈具總功率104500W，更換后總功率為26125W，節(jié)能率

15、為75%。其中用于車庫的12W/1200流明直管燈經(jīng)每天24小時，使用5年后的光衰實際測試僅為5%。車庫會議室上海嘉定工業(yè)區(qū)管理委員會大樓 4）冰球場照明改造。2010年，由德國代理在捷克瑪麗巴托冰球場以44個400W愛得瓦超量子模塊燈替換原有44個1100W的金鹵燈。原燈具安裝高度11米，地面照度600lx，總功率48400W；改造后地面照度800lx，功率17600W。按功率節(jié)電率64%，按照度節(jié)電率73%。 捷克瑪麗巴托冰球場 5）國家照明應用示范工程。2010年11月，愛得瓦超量子競標產(chǎn)品以最高光效和性能中標三部委聯(lián)合主辦的我國首次LED照明應用示范 產(chǎn)品招標。 中國國家電光源質量監(jiān)督

16、檢測中心（上海）： 2010年6月10日出具的檢測報告（編W09091000294）：威廉固態(tài)照明LED系列高光效LED燈6000小時光衰僅為0.76%。 6000h6000h光效差值：101.53-100.76=0.77lm/w光衰為0.76% 最具權威的國家三部委招標 2010年11月年國家三部委LED照明產(chǎn)品應用示范工程招標以特優(yōu)性能、高性價比中標。 6）養(yǎng)雞場養(yǎng)殖照明。2010年以可調光,防水型2.4W超量子燈取代40W白熾燈，節(jié)能95%，占領日本養(yǎng)雞場市場。日本養(yǎng)雞場 7）工礦高棚燈照明。改造位于江蘇吳江國家經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的日企Metal One工廠結構件車間。原有150盞450W高

17、天棚金鹵燈燈具，燈具安裝高度18米?？偣β蕿?7500W，改造后用150盞100W愛得瓦超量子高天棚燈，總功率15000W, 節(jié)能率為78%，2010年完工。日企Metal one 工廠結構件車間 8）美國能源之星性能第一。2011年愛得瓦超量子射燈名列美國Lighting Facts Label 能效第一，壽命第一，獲美國能源之星5萬小時認證。美國能源之星5萬小時認證證書 9）與國際著名品牌合作。2011年同Honeywell結為品牌戰(zhàn)略伙伴，產(chǎn)品銷往北美市場。與Honeywell 合作產(chǎn)品銷往北美 10）城隍廟華寶樓商業(yè)照明，2011年以合同能源管理模式改造。面積10800平方，原燈具總功

18、率101787W, 改造后功率28000W,節(jié)電率72%。上海城隍廟華寶樓 11）上海莘建路綠地科技島公共部位照明，2011年以合同能源管理模式改造。原有燈具總功率為67772W，改造后燈具總功率為17263W，節(jié)能率為73%。綠地科技島大廈 12）宴會廳、會議廳改造。上海國際會議中心位于浦東濱江大道，其上海廳是習近平主席在亞信峰會設國宴宴請各國政要的宴會廳。面積約4300平方米，工程原有照明用1102盞不可調光的金鹵燈和節(jié)能燈筒燈，改造后用1102盞40W，3000K、高顯色、可調光愛得瓦超量子筒燈。改造前后用電相比節(jié)能57%，照度相比節(jié)能76，2014年4月完工。2012年對其會議廳黃河廳

19、改造，用可調光10W超量子直管燈取代原28WT5熒光燈，節(jié)能64%。 亞信峰會國宴宴會廳上海廳上海國際會議中心黃河廳 13）上海外高橋船廠照明改造。以240瓦超量子燈取代1100瓦金鹵燈。燈具安裝高度離工作面13米，晚上測得燈具中心照度為310至327勒克斯 兩燈交叉區(qū)照度為266至271勒克斯。計算表明，愛得瓦超量子燈比金鹵燈節(jié)電78.18%，照明改造工程的投資回收期為0.90年。上海外高橋船廠14）路燈改造。本工程位于福建省閩西革命老區(qū)連城，對原有城區(qū)主要道路1000多盞450WHPS路燈用燈具光效為120流明/瓦，3000K的愛得瓦超量子智慧控制路燈進行改造，改造后節(jié)電66%，2014年

20、8月完工。連城路燈 15）國賓館照明改造。上海虹橋迎賓館主樓（7號樓），面積15000平方米。改造原照明功率102301瓦，改造后13682瓦,節(jié)能86%。上海虹橋迎賓館五、超量子理論的意義和價值 20年來的實踐證明在超量子理論思想的指導下，應用超量子技術生產(chǎn)的各類LED照明產(chǎn)品，不但完全滿足照明標準、生理健康的要求，能夠營造舒適的視覺環(huán)境，具有超長壽命，同時獲得了照明系統(tǒng)有效光效的最大化，而且大大降低了照明的維護成本，取得了LED照明系統(tǒng)全壽命擁有成本的最優(yōu)化。超量子產(chǎn)品杰出的光效和壽命替廣大照明用戶節(jié)省了可觀的電費和維護費用、創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟價值，同時為社會的節(jié)能減排和世界環(huán)境保護的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。 按本文開頭所述對國內的照明進行節(jié)能改造，由于超量子技術的光