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科学发展半导体照明产业 2012/3/16 9:49:29
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  摘 要 文章回顾了照明电光源技术革命和半导体照明产业的发展,论述了对半导体照明产业发展问题的认识,对我国城市半导体照明产业发展的政策措施等有关问题进行了阐述、研究和探讨。

  1 半导体照明产业的发展与现状

  1.1 照明电光源的四次技术革命

  1879年,爱迪生发明了第一只作为热辐射电光源的碳丝白炽灯,使人类从漫长的火光照明时代进入了电气照明时代,第一次革命性地改变了人们的照明方式,拉开了人类现代文明的帷幕。20世纪30年代,作为第二次电光源技术革命的成果荧光灯问世了。荧光灯的发光效率比白炽灯有了较大的提高,逐步被应用于建筑、道路等室内外的照明,并且进入了家庭照明领域。高强度气体放电光源(HID)通常指汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等,是第三次电光源技术革命的产物。由于高强度气体放电灯的发光效率较高、功率大、寿命长,因此,在大面积照明和室外照明等场合有着很好的应用。

  照明电光源经历了白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯三代产品,光效不断提高,耗电量不断下降,对人类社会的发展起了至关重要的作用。今天,人们在关注光照效率的同时,更注重照明方式对环境的影响。随着科学技术的进步,又一种新型电光源——发光二极管照明(LED)即半导体照明,真正引发了电光源照明技术的质变,以其体积小、寿命长、耐闪烁、抗震动、色彩丰富、安全可控、节能环保、无紫外线和红外线辐射等全面优势掀起了第四次电光源技术革命,将电光源照明推进到节能环保的时代。

  LED属于固体冷光源,是一种能够将电能转化为可见光的半导体,与传统照明光源最大的区别是结构和材料的不同。它除了寿命长、耗能低之外,还有几个特殊的优点:一是应用非常灵活。可以做成点、线、面各种形式的照明产品;二是环保效益明显。由于光谱中没有紫外线和红外线,没有污染,废弃物可回收,属于典型的绿色照明光源;三是控制十分方便。只要适当调整输出电流,就可以任意调整光源亮度;利用控制电路对LED不同光色的进行组合,还可以达到丰富多彩的动态变化效果。

  半导体照明应用的意义,绝不亚于前几次照明领域的技术革命。因为半导体照明将作为最有效的节能和环保的手段,将通过改善人类生存环境、发展照明的新概念和新模式来改善和提高人类的生活质量。

  1.2 半导体照明产业的发展

  半导体照明问世已有40多年,但最早研制的LED只能发出红色的光,主要用于电子、仪表等设备中的指示灯。直到20世纪90年代中期,在取得了第三代半导体材料GaN的技术突破以及蓝、绿、白光发光二极管问世后,LED已能发出各种颜色的光束,尤其是高亮度白光LED的出现具有划时代意义。从技术角度看,白光LED是LED最尖端的技术,是LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。它被认为是人类在电光源照明领域继爱迪生发明白炽灯泡之后最伟大的发明之一。

  面对半导体光源的巨大商机和新一代照明革命的浪潮,美、日、欧、韩等国和我国台湾地区纷纷制订发展计划进行研发。近年来,我国也先后启动了绿色照明工程、半导体照明工程,在十大重点节能工程、863计划新材料领域中先后支持半导体照明技术的研发和产业化项目,具备了较好的研发基础,初步形成了完整的产业链,并在下游集成应用方面具有一定优势。2003年6月,科技部联合6部委和14个地方政府,正式启动了“国家半导体照明工程”;当年年底,我国启动了“十五”国家科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项目(即国家半导体照明工程),使我国半导体照明工程进入了实质性推进阶段。2008年12月,科技部高新司提出了开展“十城万盏”LED应用试点示范城市的思路,以应用示范拉动内需,促进科技成果的转化。2009年3月,科技部高新司在北京召开会议,决定加大推进“十城万盏”试点示范工作力度和试点范围。2009年5月初国家科技部批准21个城市开展半导体照明应用工程试点工作之后,试点城市相继召开会议,积极部署、开展试点工作。

  2008年北京奥运会、2010年上海世博会和广州亚运会的举办,大大促进了国内景观照明工程建设的发展。上海世博园区标志性建筑的景观灯光是半导体照明的成功应用,例如中国石油馆(油立方)的景观照明,就是一次半导体照明示范应用的成功范例,充分体现了在半导体照明应用工程取得的丰硕成果。

  目前,半导体照明产业发展迅速,应用领域日益扩展,在多个领域大显身手:在景观照明、交通指示、显示领域的技术基本成熟,已得到广泛应用;在汽车灯、背光源领域的技术日趋完善,市场占有率逐步提高;在功能性照明领域的技术开始起步,处于试点示范阶段;在医疗、农业等特殊领域和军事运用的半导体照明技术方兴未艾;此外,LED在玩具礼品、圣诞灯等产品领域,都有着巨大的市场需求。

  1.3 我国半导体照明产业发展面临的机遇与挑战

  (1)我国半导体照明产业发展面临的机遇

  我国半导体照明产业已初步形成珠三角、长三角、北方地区、江西及福建地区四大半导体照明产业聚集区域,半导体照明产业发展面临着良好的发展机遇。

  首先,半导体照明将成为新的潜力巨大的经济增长点。发展半导体照明新兴产业,有利于调整照明产业结构,提升产业水平。此外,中国消费类电子产品产量占全球产量的40%,中国也拥有13亿人口的巨大市场,发展半导体照明新兴产业,将是百年传统照明工业转型的重大历史机遇。

  第二,半导体照明作为新一代半导体技术的突破口,将会带动原材料、太阳能光伏产业、装备制造等相关产业的发展,除对提升传统照明产业的结构升级外,对电子信息、装备制造、有色金属等行业也将产生带动作用。同时也将促进国防、信息、光电子、电力电子等行业的技术进步与产业发展,具有极其重要的战略意义。

  第三,半导体照明对低碳、节能、环保将发挥举足轻重的作用。我国是仅次于美国的世界第二发电大国,如果半导体照明进入照明市场等应用领域,对于节能减排、低碳经济具有非常重要的现实意义和历史意义。

  此外,政府的相关政策支持将对半导体照明产业发展提供有力的保障。

  (2)我国半导体照明产业发展面临的挑战

  随着半导体照明产品价格的逐步下降和应用技术的不断成熟,国内外半导体照明在市政、家居、商业、工业等领域及各专业领域照明和LCD背光应用方面的推广必将加速,国内生产制造发展前景巨大。正因为如此,国内外的LED市场也面临着激烈的竞争和挑战。

  从技术发展与市场方面来看,蓝宝石衬底的GaN基芯片及白光技术的专利制约仍然存在,随着我国企业产能、技术水平的提升和国际厂商在国内生产布局的加快,国内企业将与国际厂商发生更加直接的竞争。

  从产业发展方面来看,具有研发、资金、市场、制造等优势的公司尤其是国际知名企业,将会快速扩充相关产业规模,产业的集中度将有所提升。企业的竞争将从产品技术层面更多的向资本、市场等层面转移,这也将引起产业格局的重新洗牌和调整。

  2 半导体照明应用存在的问题与认识

  2.1 半导体照明应用存在的问题

  (1)关于政府引导

  没有政府的充分重视和正确引导,半导体照明应用工程的健康发展就是一句空话。国家半导体照明工程根据我国的国情确立了总体目标:抓住照明革命的历史机遇,瞄准成熟的产业技术(低成本技术),以近期解决市场应用和产品的性价比,中远期培育新兴的大功率通用照明(白光)产业为目标,从形成一个完整产业链的角度出发,体现政府引导、企业主体、市场化运作的原则;以应用促发展、解决产业化的关键技术和原创性核心技术,形成一批专利、培育一批企业、建设一批基地,形成有自主知识产权的标准体系,最终发展成为具有国际竞争力的中国半导体照明新兴产业。

  但是在半导体照明应用工程试点工作中,一些城市为了某些需要,对于总体目标中的“成熟、低成本、性价比、关键技术和原创性核心技术、自主知识产权”等关键词并未真正理解,更谈不上准确引导行业的健康发展,以至不顾我国国情进行了盲目的建设,造成了极大的浪费和损失。

  (2)关于标准规范

  确定照明产品的优劣,首先应有一个评判的标准。近年来许多企业看到了大功率LED路灯照明的市场商机,一哄而上,产品鱼龙混杂、优劣难辩,以次充好、偷工减料、低价竞销、粗制滥造的现象并不少见。由于半导体照明技术进步快,涉及行业多,处在多学科交叉的产业边缘地带,在检测设备、检测方法的研发等方面没有足够的投入,半导体照明的标准与检测体系尚未完善,难以对现有半导体照明产品进行质量评价或认证。

  (3)关于市场机制

  从半导体照明应用工程的市场看基本是政府买单的国家市场。《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》提出:建立推动和实施节能措施的新机制,通过合同能源管理等方式,聘请专业服务机构参与城市照明节能改造,并通过与客户分享节能效益赢利,实现滚动发展和双赢发展。《规定》明确:城市照明可以采取合同能源管理的方式,选择专业性能源管理公司管理城市照明设施。这是关于在设施运行管理阶段以市场化运作的方式来落实节能工作的具体措施。

  目前在采用合同能源管理(即EMC)方式落实节能要求的工作中,有些城市没有坚持客观务实的科学态度,建立严谨规范的运行机制,制定切实可行的评价标准,而是为了“面子工程”、“政绩工程”等需要进行不合理、不科学的建设,有的甚至弄虚作假、自欺欺人,实施名不副实的EMC建设,这不仅事与愿违,而且贻害无穷。

  (4)关于技术创新

  目前半导体照明产业发展中的技术创新还存在一定的问题,如半导体照明的核心技术与专利缺乏、研发经费投入不足且力量分散、缺乏支持基础理论研究的长效机制、国家公共研发平台与企业工程技术中心缺位,半导体照明的主流技术专利多为发达国家所控制,高端市场被国际公司占据,MOCVD设备高度依赖进口,难以支撑外延核心技术、工艺的持续创新和规模化生产等。我国半导体照明产业80%以上的功率型LED芯片、器件还是依赖进口,技术创新与承担风险能力都远远不够,企业发展面临的专利风险日益加大。尤其是由于地方保护主义,低水平盲目投资、重复建设现象严重,导致产业过度竞争,产品质量良莠不齐,不利于产业健康发展。

  (5)关于应用范围和阶段

  最近有这样一种观点:现在白光LED光效已达到160lm/W,预计半年之内可达180lm/W,并且在此之后两个月就可达到200lm/W,发展速度非常可怕。所以,LED照明时代已经到来,现在就可以全面取代传统照明光源。

  虽然笔者不能准确预计LED光效发展的准确数值,但我丝毫不怀疑LED惊人的发展速度。但是,既然有着近在眼前的发展前景,何必“现在”就要以LED全面取代传统照明光源?半年乃至八个月的时间并不很长,届时再来取代岂不更好?而且8个月之后LED又将如何发展?如果现在以160lm/W的LED“全面取代”传统照明光源,不久之后出世的180lm/W、200lm/W甚至更高光效的LED光源,对已经取代传统光源的LED路灯是否还要再来一次“全面取代”?果真如此,那造成的浪费和损失才是“非常可怕”的!

  2.2 发展半导体照明产业的认识

  (1)正确认识半导体照明应用与发展的关系

  在目前半导体照明产业迅速发展的情况下,应本着对国家与人民负责任的态度,坚持科学的发展观,正确处理半导体照明应用与发展的关系,采取组织示范工程的方式,积极而又慎重地推广半导体照明的应用。从发展和应用的关系来讲,半导体照明的应用是手段,而通过应用促进半导体照明科学发展才是目的。半导体照明的发展需要应用的推动,半导体照明的应用直接促进了半导体照明的发展,二者相辅相成,互为补充。

  (2)明确半导体照明产业的指导思想和重点发展目标

  发展半导体照明产业要坚持全面落实科学发展观的指导思想,大力实施绿色照明工程,以增强自主创新能力和扩大绿色消费需求为主线,以抢占未来竞争制高点为目标,以市场为导向、以企业为主体、以试点示范工程为依托,形成一批拥有自主知识产权、知名品牌和较强市场竞争力的骨干企业,实现技术上的重点突破和产业上的重点跨越,培育振兴我国半导体照明节能产业,推动节能减排,促进经济平稳较快发展。要坚持扩大内需与长远发展相结合、产业发展与结构优化相结合、技术引领与需求带动相结合、政府引导与市场机制相结合的基本原则。

  我国半导体照明产业发展的目标是:到2015年,半导体照明产业产值年均增长率约为30%;产品市场占有率逐年提高,功能性照明约达到20%,液晶背光源达到50%以上,景观装饰等产品市场占有率达到70%以上;大型MOCVD装备、关键原材料以及70%以上的芯片实现国产化;产业集中度显著提高,拥有若干自主品牌、较大市场影响力的骨干龙头企业;初步建立半导体照明标准体系;实现年节电400亿千瓦时,相当于年减排二氧化碳4000万吨。

  (3)合理确定半导体照明应用的范围和阶段

  半导体照明应用包括但不限于路灯照明,因此从应用范围来讲,在景观照明、交通指示、显示领域等技术基本成熟的范围,可以广泛应用;在功能性照明领域的技术开始起步,处于试点示范阶段;不宜进行大规模的、盲目的安装建设。从应用阶段来讲,应严格按程序办事,采用建立样板路、示范项目的方法,在一定的时间内进行试验对比,取得经验,逐步推广,既取得较好的照明质量,也达到带动当地LED产业发展和节能减排的目的。

  3 LED发展的措施与前景展望

  3.1 半导体照明节能产业发展的政策

  (1)贯彻执行国家相关的法规、规章和政策

  近年来,国家和相关部门出台了一系列政策规定,推进城市照明包括半导体照明的节能减排工作。如《国务院关于加强节能工作的决定》(国发〔2006〕28号)、建设部《关于加强城市照明管理促进节约用电工作的意见》(建设部、国家发改委[2004]204号)以及《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》(建办城[2006]48号)等规范性文件。并实施了国家半导体照明工程和“实施十城万盏”LED照明应用示范工程。

  2010年7月,《城市照明管理规定》(中华人民共和国住房和城乡建设部令第4号)颁布实施了。《规定》的发布实施,标志着我国城市照明的发展将步入科学化、法制化的轨道,城市照明包括半导体照明的规划、建设、维护和监督管理等活动将有法可依,健康发展。

  《规定》第三条规定:城市照明工作应当遵循以人为本、经济适用、节能环保、美化环境的原则。以人为本是城市照明工作科学发展观的核心,管理工作就是要满足人民群众的照明需求;经济适用是科学发展观协调发展的基本要求;城市照明工作要与各地经济社会发展相协调;防止与地方经济发展水平不一致的、盲目投入的城市照明建设活动;节能环保是可持续发展的要求,也是应对当今全球能源与环境危机所必须要坚持的原则;美化环境体现了城市照明工作的新目标、新高度,城市照明不再局限于满足功能的使用,而且要满足人们更高层次的生理和心理需求,要建设适宜、和谐、友好的照明环境。

  要积极实施促进半导体照明节能产业发展的鼓励政策。各级财税、发展改革、科技等部门要推动落实国家对生产新型节能照明产品的企业,从事国家鼓励发展的项目进口自用设备以及按照合同随设备进口的技术及配套件、备件,在规定范围内免征进口关税的优惠政策。鼓励采购国产MOCVD装备,支持关键装备国产化。推动将半导体照明产品纳入节能产品政府采购清单。在道路、工矿企业、商厦和家庭等领域选择推广相对成熟的半导体照明产品,条件成熟时纳入财政补贴政策支持范围。

  (2)充分发挥政府职能部门指导和宣传教育作用

  各级政府和相关职能部门应按照职责分工,各司其职,加强协调,形成合力,积极推进半导体照明产业健康有序发展。加强对半导体照明节能产业发展的指导,科学规划,合理布局,避免盲目扩张和低水平重复建设,推动区域产业朝着专业化、特色化、集群化的方向发展。加强城市道路照明、景观照明新建和改建工程的论证工作,统一规划设计,避免盲目拆换和过度亮化。

  各地区、有关部门要积极开展科学的舆论宣传,正确认识半导体照明产品的优势和不足,为半导体照明产业发展营造良好的舆论环境。抓好人才培养,支持高等院校、职业学校、研究机构开设相关学科教育。

  (3)建立和完善半导体照明标准体系

  各级政府和相关职能部门应加强半导体照明产品相关基础标准、产品标准和测试方法标准的研究,加大检测设备投入,提高国家级检测机构对半导体照明产品的检验和测试能力。尽快制定出台重点支持和推广半导体照明产品的技术规范。研究建立半导体照明标准体系,逐步出台产品的检测标准、安全标准、性能标准和能效标准,积极参与国际标准制定。针对不同的半导体照明产品分重点、有步骤地研究开展节能认证工作。

  近年来,一些专家针对LED路灯照明的快速发展,适时提出了LED路灯灯具模块化生产的见解,很多LED路灯生产企业也各自进行了路灯灯具生产模块化的实践。笔者对此十分赞同。但是由于目前国内没有相关LED路灯产品生产的标准,各企业的LED灯具模块规格不一,造型各异,难以在全行业实现半导体照明产品的标准化。因此笔者认为,在“灯具生产模块化”的基础上,还应加上一条,就是“模块制造标准化”,以实现LED路灯灯具的标准和互换。只有如此,才能更好地推动半导体照明产品标准化的工作。

  (4)加大半导体照明技术创新与应用的支持力度

  各级政府和相关职能部门应继续加大对半导体照明领域的科学研究和技术应用的支持力度;有效整合和利用现有科技资源,加强国家重点实验室、国家工程实验室、国家工程中心建设,形成基础科学研究的长效机制以及利益共享的合作开发机制。通过引进消化吸收再创新,联合各方集中攻克MOCVD装备等核心技术。结合市场需求,组织实施“十城万盏”工程,不断强化产品的集成创新。进一步实施专利战略,建立专利池,增强产业核心竞争力。

  3.2 半导体照明产业发展的保障措施

  (1)半导体照明应用工程的实施模式

  根据国家半导体照明应用工程的指导思想和总体目标,结合已取得的半导体照明应用工作经验,应采取政府主导、重在示范、市场化运作的模式开展工作。实施的模式主要有:政府采购模式、建设投资模式、实施主体投资模式以及合同能源管理(EMC)方式等。其中合同能源管理(EMC)方式即选择专业性能源服务机构参与半导体照明节能改造,提供能源效率审计、节能项目设计、采购、施工、培训、运行、维护、监测等综合性服务,并通过分享节能效益赢利。

  (2)半导体照明产业发展的保障措施

  首先各级政府、各有关单位将半导体照明工程纳入节能减排工作的总体安排,政府应加强领导,成立半导体照明示范工程工作领导小组,成员单位由科技、市政、建委、财政、发改委、经委、规划、园林等政府的相关职能部门组成,负责研究制定半导体照明推广应用的重大决策,决定推广应用工作中的重大事项,协调和监督检查推广应用工作的开展。要明确职责,落实措施,建立目标管理责任制。

  第二是制定标准,完善管理机制。要健全和完善法规、标准,制定半导体照明灯具施工规范,加强监督管理,对半导体照明产品进行检测,保证产品和工程质量,确保推广应用效果。规范作业市场管理,结合照明行业实际,统筹道路照明和景观照明,整合资源,节约资源。发挥政府资金的功效,建立统一管理体制,充分运用国家质检网络和机制,加强器材市场管理。使各环节科学运作,各参与主体协调配合,整个照明相关产业积极联动。

  三是完善体系,强化节能评价和目标考核。建立完善半导体照明节能评价体系,科学评价节能效果,严格执行设计、施工、管理等专业标准和单位能耗限额指标,实行城市照明消耗成本管理。建立城市绿色照明、节能目标责任制,推广高效节能半导体照明产品完成情况纳入城市建设管理、生态园林城市等考核内容。

  随着半导体照明产品的广泛应用,我国将进入一个绿色、环保的LED照明新时代。从长远发展看,世界照明工业正在转型,许多国家提出限期淘汰白炽灯、推广节能灯计划,将半导体照明节能产业作为未来新的经济增长点。随着我国产业结构调整进程的加快,半导体照明已逐渐走进了人们的生活,作为节能减排的重要措施迎来了新的发展机遇。半导体照明进入了日常照明这一照明领域的主阵地。随着LED产业技术的进一步发展、成本的进一步降低,以及人们对环保、安全、节能等要求的不断提高,LED在电光源照明领域的应用规模将迅速地、不断地扩大,在21世纪的电光源照明史上留下璀璨夺目的光彩。

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