“半导体照明”牵手“绿色能源”

最近,“流明”这个词频繁见诸于媒体,导致不少人误认为流明是亮度的单位,实际上,流明是光通量的单位,是英文Luminace的音译,表示单位时间辐射光能量的多少。这个词的频繁使用与“国家半导体照明工程”的启动和进展颇有关联。前不久,国家半导体照明工程攻关计划重大项目管理办公室主任吴玲在大连举办的一次学术会议上说,我国半导体照明产业正面临重大的发展机遇,尤其是与可再生能源相结合,一个开源,一个节流,既会催生照明革命,又对清洁能源产业的发育很有好处。

“三原色”发光二极管催生照明革命

北京大学宽禁带半导体研究中心常务副主任、北京睿源固体照明公司总经理张国义教授介绍说,红、绿、蓝三色光被称为“三原色”,用这三种光可“合成”可见光谱内的其他光,包括白光。1962年红光二极管问世,1971年绿光也成为了现实,最难突破的蓝光二极管在上世纪90年代也获得了突破。这与第三代半导体材料氮化镓的成熟有关。这时候,科学家们禁不住就开始幻想:有了这三原色发光二极管,完全可以酝酿一场新的产业革命――照明革命。这场革命的标志就是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯,同时,还将极大地冲击人们固有的“照明理想”。

很多专家坚信,半导体灯将很快取代白炽灯。因为作为新型高效固态光源,半导体照明光源具有寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富、微型化等显著优点。半导体灯采用发光二极管作为新光源,同样亮度下,耗电仅为普通白炽灯的十分之一,而使用寿命却可以延长100倍。

中科院半导体所所长李晋闽说:“这么说吧,白炽灯是通电后让钨丝发热再发出光,所以其能量很多都转化成了热量,其发光效率大概只能在每瓦6-17个流明――要想实现17个流明,至少要有几百瓦的灯泡才可能,因为灯泡的功率越低,其电致光的转化率就越低,过去农村常点15瓦的灯泡,实际上,它是最不合算的。普通荧光灯算是冷光源,发光原理是让电子打在荧光粉上,导致其发光,它能够实现每瓦60-70个流明。而发光二极管,预计可以实现每瓦200个流明,而这只在其发光效率达到50%的前提下就能够实现。”

中国工程院院士陈良惠说,节能、环保将是未来社会工业发展的主流,发展半导体照明不仅有利于解决能源危机和环保问题,带动传统产业,而且将会大大改善人们的生活质量。目前我国能源危机日益严峻,而半导体照明可达到节电目的,预计2010年我国发电量将达到2.7万亿度,照明用电量约3000亿度;如果2010年半导体照明进入三分之一的照明市场,可节电30%,即年节电1000亿度,这就至少相当于一个三峡工程的发电量。

从“特种照明”走向所有照明

广州南方大厦、北京中关村鼎好大厦,最近成了当地一道靓丽风景,其整整一面墙,都装上了几百万个每个面积约为一平方毫米的发光二极管,每天夜晚,这面“广告墙”发出幻化神奇的各种光,比大家已经很熟悉的霓虹灯要好看得多。

“发光二极管目前还无法实现每瓦200流明的发光效率,受技术和材料约束,当前只能实现30-40流明,造价也偏高,成为通用照明产品还不太容易。但这没有什么好气馁的,因为每一项新技术,在不同的阶段,都有不同的应用。当前的市场主要是特种照明和城市景观照明,它造价虽然贵了一些,但已经能够节电50%;到实现每瓦60流明,又会出现适应市场需求的应用。”张国义说,“手电筒肯定要被发光二极管取代,我前不久坐火车,发现卧铺上的阅读灯,也是用发光二极管;此外,手机的背光源、液晶电视的背光源、仪表盘的显示灯、交通信号显示、大屏幕显示、军用照明及旅游、轻工产品等领域,会有率先的应用。因为这些领域能够消解成本,这些市场已经足够大。从市场上获得的收益,又能够促进我们的进一步研发。预计到2020年,发光二极管成为通用照明产品的梦想将能够实现。”

“绿色照明”呼应“绿色能源”

一位科学家曾经设想过未来绿色照明的美妙前景。他说,今后,不但“一个人一生只用一盏灯”,而且这个灯的光是可以随心变化的,只需要在这个发光芯片前加一个电脑控制芯片,完全可以让它想发什么光就发什么光;而今后,人们的照明也不是采用“点光源”,而是可以把“灯”涂在墙上、缝在被子上、铺在地上,“可以说,你想用什么光,就可以制造出什么光来。”

2003年6月,我国正式实施了“国家半导体照明工程”。2004年3月,我国将厦门、大连、上海、南昌等4个城市设立为第一批国家半导体照明工程产业化基地。目前,4个基地都已制定了半导体照明产业化发展规划,围绕研发组织、企业培育、资金、人才、交流合作、宣传等方面全面展开基地建设工作,以期形成自己的特色产业,在争取国内市场领导地位前提下,积极参与国际竞争。目前半导体照明已引起产业界和资本市场的广泛关注,近期新增投资已超过5亿元。

中国可再生能源学会秘书长孟宪淦指出,由于发光二极管所需要的电压只有3.5伏左右,与太阳能发电的电压很容易匹配,所以,它与太阳能、风能发出的绿色电力完全可以“相辅相成”。“想象一下这样的前景吧:在任何一间有阳光到达的屋子,里面铺上太阳能电池板,在白天时尽情地吸光发光,夜晚它发的电输送给发光二极管,让它生出各种奇光异彩。这些光同时又照射在太阳能电池板上发电,不能说全部,至少有一部分又被循环利用了;光生成电,电生成光,光又生成电,绿色照明与绿色能源,就这样生生不息。至于我们现在常见的高压线、变电站,将越来越稀罕难觅。”

图为美国内华达太阳能热电站(64MW)。资料图片

相关链接：国内外半导体照明产业现况

近年来,美国、日本、欧盟、韩国等相继推出国家半导体照明计划,以加大研究开发力度。比如日本投资50亿日元推行“21世纪光计划”,提出2006年就要用半导体灯大规模替代传统白炽灯;美国能源部设立了由13个国家重点实验室、公司和大学参加的“半导体照明国家研究项目”,计划用10年时间,耗资5亿美元开发半导体照明;欧盟则委托6个大公司和两所大学,于2000年7月启动了“彩虹计划”。

与此同时,通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团都已经启动大规模商用开发计划,纷纷与半导体公司合作或进行并购,成立半导体照明企业,并提出要在2010年前,使半导体灯发光效率再提高8倍,价格降低100倍。

2003年9月,大连路明科技集团利用发光材料的技术优势,引进美国硅谷AXT公司的芯片技术、全套生产设备及技术团队成立大连路美芯片科技有限公司。此外,上海宽频科技股份有限公司投资2500万美元用于生产氮化镓基高亮度半导体材料及器件;中国科学院半导体所与北京大学、深圳海洋王投资发展有限公司等投资3000万元,成立北京睿源固态照明有限公司，加紧建设国内第一条规模化生产功率型高亮度LED（发光二极管）生产线,设计生产能力为年产100万只功率型高亮度LED芯片;2005年完成生产线的扩建,2006年实现年产1000万只功率型高亮度芯片。

延伸阅读：“太阳能热发电”何时热

郭京慧

前不久,我国首座“70千瓦塔式太阳能热发电系统”在江苏省江宁县建成并成功发电,这一项目揭开了我国太阳能热发电技术研究崭新的一页,将这一未来最可能掀起新一场能源革命的技术引入更多人的视野。

热发电一度被忽视

太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程获得电能的技术,是太阳能热利用的重要方面。其关键技术是负责搜集阳光的定日镜,它是否高效取决于能否在瞬间“汲取”最多阳光以及时时接收到最多阳光。定日镜将接收到的太阳热辐射反馈到接收器,加热工作介质,产生过热蒸汽或高温高压空气,驱动蒸汽轮机或燃汽轮机发电机组发电。世界现有的太阳能热发电系统大致有三类:槽式、碟式和塔式聚焦系统。

中科院院士、中国科学院电工研究所研究员严陆光指出,太阳辐射能的年资源量比风能、生物质能、水能、地热、潮汐与波浪能高数千倍至万倍,从而,太阳能发电应是提供未来大规模电力的主力。但是目前,太阳能光伏产业刚刚兴起,而太阳能热发电在我国更是一度被忽视。

“热发电”不“热”因为成本高

太阳能热发电技术在中国的推广难在哪儿?中国科学院电工研究所的博士王志峰说,主要原因是它表面计算起来,其单位成本比火电要高,因为火电没有将不可再生的资源成本和环境污染成本计算入内。他认为,一切发电方式的市场前景取决于它的经济性。

太阳能热发电技术会在中国真正掀起一场能源革命吗?王志峰说,现在不会,还需要三个条件,即技术进步带来的成本降低――它对降低成本的贡献率能达50%,大规模使用带来的成本降低――它对降低成本的贡献率能达20%,以及相应的政策支持。

严陆光认为,太阳热发电国际上虽有1万千瓦级的示范规模,但尚未进入实际应用阶段。由于太阳能的不连续性,必须解决大规模的电能储存或有效溶入电力系统中有机组成互补的综合供电系统。

企业对此颇有信心

“目前太阳能热发电的实验室技术已经基本成熟,但需要进行至少5年左右的中试后方能进入推广阶段。当前制约推广的因素主要是系统集成技术有待完善、一次性投入成本高、并网发电的细则规定需要出台政策法规等。”皇明太阳能集团技术部长徐志斌说。

无锡尚德太阳能公司销售总监占远清认为,太阳能热发电还没有产业化,原因是运行成本和土地成本都比较高,但如果政府的支持性政策出台之后,许多从事可再生能源产业的公司会将其作为未来发展的选择。

王志峰认为，为了推广太阳能热发电技术，近期可在太阳直射资源丰富的地区与常规燃油、燃气电站组合，建立能源互补的电站，降低电站对化石燃料的依赖。从长期来看，可在太阳直射资源和水源丰富、土地便宜的沙地、戈壁、海滩地区建立太阳能电站。

太阳能热发电产业会以何种模式成长的？徐志斌认为，太阳能热发电可以由政府牵头、电力部门投资、太阳能企业提供技术支持和核心部件、相关产业链企业提供新材料支持，与国家电网并网运行的模式发展比较合理。其发展进程就是从关键技术、核心部件研发到实验室技术试验，再到中试及成套设备生产，然后大规模推广，最终形成产业。