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從發光效率、節能效益與成本表現檢視高亮度LED照明應用
2011/03/10-DIGITIMES企劃  

LED光源,在近代有著突破性的進展,除了環境保護的意識抬頭,相對環保、省電同時具備高發光效率的LED光源,就成為全球尋求替代光源的關注焦點,但LED因為發光方式的物理特性限制,為採取點狀光源的發光設計,必須透過光學方法轉換成合宜照明應用的面光源,同時在散熱過於集中的單點,利用更好的主/被動散熱技術,解決元件的高溫光衰問題...

照明應用佔全球的能源消耗極大的比例,因此,要追求更趨向環保理念的能源使用方式,勢必要大幅改善現有的照明應用模式,透過技術或是方法減少不必要的能源浪費,而在全球化的節能、減碳、綠化潮流下,觀察目前使用最廣泛的光源,以白熾燈(incandescentlamp)、螢光燈(CFL)為主,白熾燈的好處是製造成本低廉,但卻因為耗能、高溫、壽命短等諸多限制,各國朝向逐步減用、甚至停用的目標進行調整。

LED光源應用不只生活照明受青睞,車用照明大量使用LED技術,圖為Audi A4車款的晝行燈,採用大量LED光源。

   
LED具備高亮度、高能源使用效益優勢,圖為9瓦LED光源嵌燈模組。


LED應用現況

以現況評估,(Light Emitting Diode;LED)是目前多數業者積極發展的替代光源技術,從2008年開始,LED持續發展替代白熾燈的多種解決方案,自2011年起則以逐步取代螢光燈、白熾燈為目標。

以發展照明光源必備的關鍵元件白光LED為例,高功率白光LED專利,為日本日亞化(Nichia)、美國Cree、歐洲的Philips Lumileds Lighting Company、Osram等5大廠掌握,處於生產製造中游的模組設計,目前礙於LED光源的相關設計無可遵循的技術標準,模組技術則由National、Laminar、Osram、Lumiled、Vishay積極參與規格主導與制定,透過積極參與能源標準組織,共同制定照明應用安規及相關規範。

歐盟自2007年起已逐步淘汰白熾燈泡,而澳洲也宣示,將自2010年起,全面禁用白熾燈泡,除了日常的照明光源應用外,未來5年的市場應用,還將LED光源發展至3C、IT、車用電子等領域,像是採取LED技術的電子看板、顯示器的背光光源、車用晝行燈,發展速度與一般日常光源的進展速度相較,實不遑多讓。


LED的節能效益

採行LED,有不同的導入需求,有基於環保立場與節約能源的應用訴求,也有為了提升終端產品的發光效率。多數應用方式,大多著眼於LED節能特性帶來的經濟效益,附加的環保訴求更是採行此類光源的額外效益,廠商亦看好此次照明革命商機而爭相投入。

觀察顯著的社會活動不難理解,政策面的大力限制耗能光源,也是推動這波LED光源快速發展的關鍵助力!例如,歐盟、美國國會已透過立法與政策實施,進行禁用白熾燈泡使用的多階段政策,美國加州等多個州政府,計畫在2012年禁止白熾燈泡,澳洲則開始限制或禁止銷售白熾燈泡,德、日、大陸也有多樣性的LED獎勵政策驅動整個光源應用生態,朝更節能、省電的方向轉型。

而在LED之前,風行一時的另一種節能燈具─螢光燈管(Compact Fluorescent Lamp;CFL),由於採取高頻氣體放電式的發光原理,其用電效能要比傳統加熱鎢絲的白熾燈泡更具效率,但在應用環境下,螢光燈會有燈管製程含汞問題,會對環境造成一定程度的毒害,而在使用螢光燈的現場,亦會發現螢光燈的啟動會較傳統白熾燈慢、無法調整光源輸出大小,影響整體的使用滿意度。

相較之下,LED具備更多的節能效益!藉由技術方面的提升,LED的發光亮度已達到令人滿意的程度,但元件的成本與控制電路單價高昂,是普及化應用的一大阻力,但未來在國家節能政策推動與市場需求帶動下,LED廠商的量產速度將加快,屆時價格降低後,定可加速LED生活照明燈具的快速普及。


高亮度LED光源發展趨勢

目前高亮度白光LED光源,是現階段美、歐、日LED大廠競相研發的光源類產品重點,預估2011年LED將可在一般照明市場中逐漸普及,雖然LED現階段相對較大的應用量在於手機按鈕、控制鍵的背光提示光源,甚至是各種電子展品的指示燈號,但現在也因其單元件的光通量、耗能、體積等優勢,逐漸進入大型戶外電子看板、液晶螢幕背光源等應用中。

預估在全球持續利用政策行動促成高能耗白熾燈全面停用的趨勢之下,未來可以看到更多LED產品推出市面,加上各國政府積極應用LED,設置諸如公共光源、路燈、指示號誌等應用,其動機不只著眼於高能源應用效率所帶來的效益,在公共事業大量使用LED光源,還可享有低維護率的導入優勢,LED未來可產生的經濟效益、節能效益將十分可觀。


LED光源與省電燈泡的應用差異

LED與省電燈泡(CFL),雖同樣具省電、節能特性,但兩者的技術原理完全不同,且有著截然不同的節能差異!現階段LED在路燈、街燈等公共設施照明應用方面,能見度有逐步提高趨勢,尤其是大陸各個地方政府,積極發展LED路燈設置,就是著眼於減少能源耗用。多數室內照明,主要仍以白熾燈與省電燈泡為主,大量導入LED光源的應用相當少見。在此,觀察市場上可買到的LED燈泡,作為規格、效率、使用成本的比較基礎。

在亮度表現方面,比較白熾燈、省電燈泡與LED燈具,以LED燈具的發光效率最好!每瓦的發光效率均可達到80至90流明,其次則是省電燈泡(CFL),多數採取螢光燈技術的省電燈具,每瓦能源可達到57流明的照明效果,反而是白熾燈的發光效率表現最差,其發光效率實際檢測僅有每瓦12流明表現。

在使用壽命方面的比較,白熾燈的使用壽命約為1,200~1,500小時,CFL技術的省電燈具可達到5,000~6,000小時的表現,至於LED光源燈具,LED發光元件至少都有15,000~20,000小時的使用壽命,燈具模組也至少會有10,000小時的使用壽命,相較之下,LED的光源燈具壽命至少為CFL省電燈炮的2倍以上,而白熾燈的差距更為懸殊,單就省電議題觀察,LED燈具是目前諸多生活光源中最節省能源者。

再觀察電費開銷表現,若以1萬小時為計算基準,會發現不同光源之間的差異更為懸殊!一般25W的CFL省電燈泡若運行1萬小時,將花費新台幣500~600元電費,反觀相近亮度表現的10W LED燈具,1萬小時的電費約為200~250元,LED燈具的省電效益約為CFL省電燈具的40~41%,簡單的更換燈具動作,可讓碳排放量減少一半、電力耗費更少,也避免無謂的電費開銷。

就使用成本觀察,目前LED燈具購置成本雖仍居高不下,但實際上進行比較換算會發現,相同光效率的CFL與LED燈具,兩者的採購成本,LED燈具必須用3倍成本購置,但兩種燈具的使用壽命,卻有近3倍的差異,加上LED比CFL燈具省電近1倍,若以燈具加上耗用電費來計算整體擁有成本,而不計燈具的更換人工成本(LED燈具更長壽,不需經常更換),如此換算下來,LED燈具雖然初購的單價較高,但長期仍具備較佳的成本效益。

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關鍵字 
散熱設計LED照明LED散熱白熾燈
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