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国家重点研发计划“战略性先进电子材料”专项“高效高可靠LED灯具关键技术研究”项目简介
发稿时间:2017-09-11         作者:文/周文斌          来源:传热传质研究中心     【字号:

  一、 概述 

  (一)研究背景

  大功率照明灯具主要应用于海洋灯光诱鱼、体育场馆、民航机场、港口码头、城市道路、隧道桥梁、大型广场、高铁站台、厂矿车间等领域,市场规模达每年千亿元级。目前,市场上的大功率照明灯具主要是高压钠灯、金卤灯,但是这些传统大功率灯具能耗高、光衰严重、可靠性差、寿命短、对环境有污染(灯具含汞),而大功率LED灯具在节能环保、智能控制和寿命方面具有巨大优势,因此市场需求极为迫切。目前,传统灯珠阵列式大功率LED灯具存在体积大、重量重、光学设计难、成本高等问题,不能很好地满足应用需求,限制了其在大功率照明市场的应用。因此,单光源大功率LED灯具,被认为是真正实现替代传统大功率灯具的最佳选择。 

  然而,单光源大功率LED灯具又由于光学材料、结构设计与封装等问题,高发热量的累积造成LED芯片结温升高,导致光谱变化、光效降低、寿命缩短。从光源封装、接触热界面、散热器、驱动电源到整灯系统,贯穿LED灯具各个环节的热管理难题成了这种大功率高功率密度LED灯具大规模应用的瓶颈问题;同时,大功率LED驱动电源的研发还处在起步阶段,其寿命等参数尚待提高。因此,亟需对高光效及高可靠性的大功率高功率密度LED灯具关键技术开展研发。 

  (二)研究基础

  中国科学院工程热物理研究所是该项目的牵头单位。研究所传热传热研究中心的微槽群研究团队长期从事微槽群复合相变热管理与节能技术的研究,承担、参与的科研项目共计43项,包括863、基金委重点和面上项目、院LED照明重大项目“璀璨行动”计划项目等;提出并发展了具有自主知识产权的高性能微细尺度槽群结构热沉复合相变冷却技术。针对千瓦级大功率器件已开发出最高取热热流密度超过400W/cm2的取热元件,解决了制约LED行业发展的高功率密度LED光源散热这一关键技术问题,相关科研成果已经成功实施产业化。 

  项目团队以中科院工程热物理所为核心,联合众多顶尖科研机构和LED龙头企业,十多年来致力于LED光源、电源、散热器、材料与结构设计及整灯关键技术的研发和应用。十二五期间,团队中的中科院单位联合多家LED企业,共同完成了中科院半导体照明领域重点部署项目璀璨行动,取得了大功率微槽群复合相变LED散热技术和块体荧光转换新材料的突破,进而掌握了单光源千瓦级灯具关键技术;成功研发出LED集成光源300W诱鱼灯、1500W高功率密度散热器及整灯产品等创新成果,技术指标达到国际先进水平,大功率LED灯具应用数千盏,取得了良好的社会经济效益。 

  团队参加单位共有院士20人,高级职称400人,其中国家级人才57人;国家级重点实验室及工程中心10个;承担国家及省部级重大项目89项;获国家及省部级奖109项;主持制定照明应用国家相关规范及标准17项。团队中现有高级职称19人,国家级人才4人;发表国际期刊论文483篇;授权国际专利67项,国家发明专利205项。团队中有德豪润达、雷士、华灿、鸿利、英飞特等5LED上市龙头企业为代表的13家知名企业,年销售收入超过100亿元。 

  二、研究内容及创新点

  为了解决大功率高功率密度LED灯具的热管理难题,突破电源耐高温、长寿命瓶颈,提升灯具系统光效及可靠性,实现产业化应用,本项目拟对光源、散热器、电源及灯具系统的热管理技术(包括材料、结构和加工工艺)及光源、驱动电源的效率与可靠性进行重点研究。拟解决如下科学问题:具有高效率和优良热淬灭特性的全光谱新型块体荧光转换材料(陶瓷/单晶/玻璃)的微观、介观结构设计与性能调控;微纳尺度新型热功能材料对热界面热导率的影响;微槽群复合相变强化传热临界热流机理及多物理场耦合效应对强化换热的影响规律。 

  拟突破以下关键技术:复合导热通道集成封装与微槽群热沉光热一体化技术;新型无电解电容拓扑变换电路技术;灯具光学系统优化技术与光电热系统集成热管理技术。 

  围绕上述科学问题的内涵和关键技术的难点,本项目共设置五个课题,围绕项目目标进行任务分解,各具重点、相互协作地开展项目的研究工作。课题将根据大功率与超大功率整灯系统的设计需求,分别针对光源、散热器、光热一体化组件和驱动电源等灯具关键部件中影响整灯光效和可靠性的关键技术开展研究,在此基础上进行中大功率与超大功率整灯系统设计研发,并进行产业化应用,最终实现项目目标。 

  项目的主要创新点为:具有高量子效率和优良热淬灭特性的全光谱新型块体荧光转换材料(陶瓷/单晶/玻璃)以及新型光学透镜材料的结构设计与性能调控;大功率高功率密度、高可靠的高光效单光源集成封装与微槽群热沉光热一体化技术;大功率高热流密度散热器及热界面的新材料探索与结构设计,实现大功率灯具系统的轻量化、小型化;通过二次光学的优化设计,提升灯具光学系统的集成度、效率和稳定性,满足大功率LED灯具远距离高照度的应用需求;采用高效磁芯材料,研发无电解电容变换器技术,实现电源的耐高温长寿命。 

  三、预期目标

  科学问题方面:

  1.阐明块体荧光转换材料(陶瓷/单晶/玻璃)的微观/介观结构、稀 

  土能级插入和晶体场分裂、能量传递等因素与材料发光效率、热淬灭特性、光谱波长的影响规律;

  2.阐明微纳尺度新型热功能材料对热界面热导率的影响规律;  

  3.揭示微槽群复合相变强化传热临界热流机理及多物理场耦合效应 

  对强化换热的影响规律;

  技术方面:

  1.200W单光源中大功率(<500W)和1000W单光源超大功率(≥500W)的灯具光效分别≥160120lm/W,光品质满足国家照明设计标准; 

  2.1000W单光源超大功率(≥500W)的灯具光效≥120lm/W环境55℃下燃点1500 h,灯具光通和中心光强维持率≥95%1000W灯具高度60米地面中心照度≥350lx,灯具体积和重量分别小于现有2000W金卤灯的1/31/2 

  3.环境温度70℃下灯具电源寿命>30000h 

  4.500W以上单光源散热器热阻≤0.006/W 

  产业方面:

  以上相关技术实施产业化;LED灯具累计销售大于10亿元,其中中大功率LED灯具应用大于3000盏,500W以上灯具应用大于3000盏。

  科学价值方面:

  丰富和发展微细尺度相变换热理论体系,对于沸腾、汽泡动力学理论具有重要的贡献,科学问题的解决对于散热技术和材料在相关的电子和光电子领域具有重要的工程应用价值,尤其是对于发展高功率密度微电子和光电子器件的热管理技术具有重大意义。

  社会、经济和生态效益方面: 

  通过项目组织和研究内容的开展可以形成一条高功率单光源LED器件封装、电源、整机和应用的完整产业化链条,实现产业化生产线并获得经济效益;促进我国大功率高功率密度LED灯具产业链的发展,助力节能减排。项目产品可实现对传统大功率照明产品替换,广泛应用于海洋照明、广场照明、大型厂矿照明、港口码头照明、体育照明、航空照明、远距离照明等领域,综合节能在50%以上,填补市场空白,促进行业整体水平提升,满足国家重大项目建设的需求,实现拉动上下游产业产值100亿元以上,对国家的节能减排和绿色环保工作提供强有力支撑。

 
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