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發光二極體躍升光源節能效

2019-02-25

林俊良 助理教授

崑山科技大學 光電工程系


「節能」是解決能源缺乏問題的諸多方法中,速度最快、有效、沒後遺症的策略。照明佔工業國家的能源消耗約近20%,僅需提升照明燈具的發光效率,就可以大幅減少能源的支出。發光二極體(LED)是一種固態半導體發光元件,因為具有高發光效率、堅固耐用、短小輕薄、點滅快速、容易調光等優點,已逐步取代傳統光源。根據美國能源部統計,若2030年前以LED取代所有傳統光源,將可減少261 TWh的電力,減少1億8500萬噸的二氧化碳排放,節能減碳的效果相當可觀。

圖1 崑山科技大學圖書館節能LED燈具展示(崑山科技大學圖書館提供)。

 

室內照明常見的光源有燈泡、燈管與燈板,結合光源效率、驅動電路效率、燈具光效率才是燈具整體的效率。若直接以LED取代傳統光源,將可以馬上達到節能的效果,但LED光源需要與燈具匹配,譬如原本使用省電型螢光燈泡的燈具,在直接替換LED燈泡後,會因為外型尺寸的差異,導致更換後燈具無法發揮原本的照明效果,因此最理想的方式是整燈更換,但若因預算考量,則可以先從點燈時間較長的燈具開始逐步替換。開燈時間長的場所,譬如圖書館、地下停車場、辦公室、商場,最適合優先更換節能LED燈具。崑山科技大學圖書館經濟部能源局計畫補助下,以符合CNS規範的LED節能燈,取代傳統日光燈管,搭配智慧排程、日光節約、場景配合、在位控制、個人專屬控制及智慧用電管理(過載卸載),每年可節省電費約200多萬元。傳統店面櫥窗或櫃檯,採用高顯色、低效率鹵素燈,透過重點照明以凸顯商品的絢爛,但也因為鹵素燈所發出的光富含紅外線、紫外光,不僅燈體本身高發熱,紅外線、紫外光也提升了室溫與劣化被照物表面(褪色或龜裂);經更換為高效率LED燈具後,除了能減少照明耗電外,由於不再需要降低空調溫度,即可維持室內體感的舒適度,讓店面的電費可以大砍至原先的50%以下。除了考量燈具整體的效率外,細化控制迴路、智慧控制與調光可再進一步節能,而定期除塵維護燈具,則能確保持續擁有高效能的光照。此外光品質也是室內照明需要考量的要件,包括照度、色溫、演色性、光譜、輝度、眩光、閃爍與電磁干擾等指標項目。

戶外照明應用主要為路燈,我國各縣市的路燈,在政府的水銀燈落日計畫支持下,大部分都已更換為符合CNS規範的LED燈或鈉燈,採購合約中多附有維護與保固內容,因此大幅減少電力的損耗與人力成本。儘管LED路燈也衍生許多議題,包括對生態(蝙蝠、海龜、螢火蟲)、農作物、居民睡眠品質的衝擊,需要細化微調光型、照度、色溫因應。智慧化城市被國內外許多市長列為重要發展目標,智慧化的路燈不僅可以具有節能功效,更被認為是城市智慧化中可以依托的載具。車用照明分為車內與車外用途,其中最具挑戰性的是車頭燈,需符合法規要求的光形與強度,LED頭燈組已逐步滲透市場,從高級車種到中階車種,功能也從靜態發展到動態,透過光雷達偵測回饋獨立驅動LED陣列中的LED,避免行人、對向來車與前方同向車輛駕駛產生眩光,主動轉彎對應,進一步可以搭配定位系統,隨著地區、路況、環境背景主動調整車頭燈光輸出強度,甚至進行光通訊或投影警示,這是過去傳統耗能車頭燈無法達到的功能。

許多公司轉攻利基市場,發展不可見光或高階產品。不可見光LED產品主要分為紫外(UV)波段與紅外(IR)波段,UV波段又分為UVA、UVB、UVC,分別在UV膠固化、生醫檢測、殺菌等應用領域,可逐步取代傳統耗能且容易造成環境污染的汞燈,目前UV LED的單價高-隨著波長減少價格大幅增加。IR波段則應用於保安監控、車牌機等光源系統。高階產品的發展主要有微LED (MicroLED)與類太陽光譜LED。MicroLED需要結合半導體與光電技術,效率將可以勝過液晶顯示器、有機發光二極體螢幕,有機會應用在大尺寸電視或VR/AR微形螢幕,但仍有技術瓶頸需要克服,特別在巨量轉移、均勻性,若可以有所突破並降低成本,將可帶動新一波LED成長榮景。類太陽光譜LED多是在螢光粉上著墨,讓LED具有較均勻的可見光光譜成份,搭配節律控制,促進人類視覺與非視覺的幸福感,也可以應用在海水缸水族燈,維持珊瑚與水草的生長。
LED植物燈是新近蓬勃發展的應用,透過LED燈取代原本耗電的螢光燈或白熾燈,還可以因應需求調整LED的輸出波段以提升效率,包括在花卉栽培、筊白筍、火龍果等等,也有利用廢棄隧道(南韓)、金融大樓地下室(日本)、貨櫃屋、廠房、店面等場域建立環控植物工廠,種植蔬菜、稻米、香草、水果等作物,強調可以避免被生菌汙染,透過滴灌技術智慧種植,在氣候較極端惡劣的地區可能具有經濟效益。傳統單顆集魚燈動輒2 kW以上的耗電,出光成份中紫外光佔一大部分,又具有高熱,衍生漁船的高油耗、漁民皮膚受損與環境安全問題,透過LED取代傳統集魚燈,可以維持漁獲量,但耗電量可以減少至原本的1/3以下。

因為大陸政府的補助政策與陸廠的持續擴廠,LED一般照明市場深陷紅海,但激烈競爭也促成LED燈具價格短期內大幅下降,產品規格也因為降低成本而參差不齊,直到政府制定強制檢驗規範與揭露必要產品資訊後,才得以恢復市場信心。市場上中功率的LED效率多已可以達到150 lm/W以上,也就是1 W的電輸入可以產生150 lm的光輸出,lm是光通量單位,數值越大,人眼感受越亮;製作成燈具後,整燈效率可以達到105 lm/W以上,相較下白熾燈泡很難突破20 lm/W,省電螢光燈泡也只有70 lm/W水平;結合效率、光品質與價格整體評估後,預估2030年之前很難再找到可以競爭的光源對手。