美国固态照明发展国家战略及其对我国的启示

莫虹频

(国家节能中心推广处，北京 100045)

引言

美国非常重视固态照明技术应用带来的节能潜力，因此制定了推进固态照明研发和推广的国家战略，以能源部为主构建了完善的政策体系，出台了一系列研发计划和商业化支持计划，并根据固态照明技术发展的最新进展，不断调整其战略重点和规划目标。对我国固态照明相关政策制定具有重要借鉴意义。

1 美国固态照明发展国家战略的顶层设计

2010年，美国照明电力消费约为7000亿kWh，其中由于固态照明产品 (Solid-State Lighing，SSL，包括LED和OLED)推广带来的节电量为26亿kWh。据测算，如果能够在全美范围内的通用照明领域推广固态照明产品，到2030年的年节电潜力将达到3000亿kWh，减少46%的照明电力消费，按照目前的能源价格，这将为美国节约每年300亿美元的能源费用。美国能源部 (Department Of Energy)长期致力于高效通用白色光源的发展和市场推广，认为固态照明技术具有其他传统照明技术无法比拟的节能潜力，能够改善未来建筑环境。但是，固态照明技术与传统照明技术相比具有本质差异，从实验室走向市场需要建立多方协调机制，为此，美国能源部制定了国家综合战略来支持固态照明技术和产品的研发、商业化和推广。一方面，能源部在其能效和可再生能源办公室下建立了固态照明专项，另一方面，能源部在其他基础能源科学研究等项目中协助固态照明的发展，并通过与一系列战略合作伙伴的合作，共同推进固态照明技术转化为能够投放市场的高效照明产品。总体战略构架如图1所示:

图1 美国固态照明发展国家战略构架

1.1 总体目标

美国于2005年签署能源政策法案 (Energy Policy Act of 2005，EPACT2005)，于2007年签署能源独立与安全法案 (Energy Independence and Security Act of 2007，EISA2007)，这两项法案中包含一项指令，要求能源部长 (Secretary of Energy)制定“下一代照明行动方案 (Next Generation Lighting Initiative，NGLI)”，支持固态照明技术的研究、开发、示范和商业化应用。

为了落实EPACT2005和EISA2007法案要求，能源部提出了SSL研发战略目标:在政府－工业合作伙伴的指导下，通过推动半导体技术进步，建立一个新的、美国主导的高效通用照明产品市场，达到减少照明能耗、降低照明费用、增强照明质量的目标。

具体目标包括:一是设立奖励基金鼓励工业联盟、国家实验室、研究机构等开展固态照明技术研发;二是建立信息收集渠道，追踪固态照明技术的研究需求和最新进展，并与工业联盟合作提出固态照明技术研发路线图;三是设立奖励资金，管理和支持下一代照明行动，鼓励开展试点和商业化应用项目;四是帮助通用照明产品制造商开发满足EISA2007中最低能效要求的替换白炽灯的新型照明灯具。

1.2 执行机构

美国固态照明国家战略由能源部主导实施。能源部的职责是通过科学技术更新来应对美国面临的能源、环境和核问题挑战，从而保证美国的安全和持续繁荣。根据这一职责，能源部设立了3个目标，其中前两个目标都与SSL研发密切相关:一是加速美国能源系统实现及时、实质性和有效转变，保证美国在清洁能源技术领域的世界领先地位;二是保持美国在科技领域持续不断的投入，将其作为经济繁荣的重要基石，并在战略领域占据主导地位。

1.2.1 能效和可再生能源办公室 (EERE)

能效和可再生能源办公室 (Energy Efficiency and Renewable Energy，EERE)直属于美国能源部，专注于研究和加快实现可持续能源供应的技术应用，固态照明技术研发推广也被纳入该办公室管理。

EERE的战略目标包括:一是显著减少甚至结束美国对外的石油进口依赖;二是减少能源价格带来的负担;三是促进可再生能源技术开发和应用;四是提高电力生产、输送和使用过程的可靠性和效率;五是提高建筑和电器能效;六是提高工业能效;七是鼓励推动国内生物产业发展;八是通过政府自身行动垂范节能。EREE的任务是通过公私合作伙伴关系增强美国能源安全、改善环境质量、促进经济繁荣，具体任务包括:一是提高能效和能源生产率;二是提供清洁、可靠和经济的能源，并将相关技术推向市场;三是通过提高民众的节能意识，改变公众的日常生活习惯，并提高其生活质量。

1.2.2 建筑技术项目 (BTP)

能效和可再生能源办公室下设立了建筑技术项目 (Building Technology Program，BTP)，在该项目下建立了固态照明专项。BTP项目的使命是发展并促进高效、经济和环境友好的技术、系统和应用，并在美国的住宅和商业建筑中进行推广，从而促进经济繁荣、减少温室气体排放、保障国家能源安全，同时满足建筑用能服务和性能的要求。为了实现这一使命，BTP项目设立了发展和推广能效技术和实践的目标，并为这一目标制定了相应战略:一是制定并实施技术路线图促进相关技术的市场化推广;二是在新技术开发中加强与私人部门的合作;三是加强公开宣传和合作研究;四是关注降低成本和发掘市场机会，使相关产品更加适应市场需求;五是推动关键技术领域的创新，包括固态照明 (SSL)、暖通空调 (HVAC)、传热工质以及传感控制技术。

1.2.3 固态照明专项

能源部在建筑技术项目 (BTP)下设立了固态照明专项，资助固态照明技术的应用研究、产品开发和制造技术研发，以推动固态照明技术进步从而实现节能。能源部SSL项目的核心技术研究和产品开发项目的目标是通过大力研究和应用新型照明技术，提高建筑物的终端能效。能源部与其合作伙伴紧密合作，旨在开发具有极大减少照明能源消耗潜力的技术，为实现这一目标，能源部制定了SSL研发行动政策，并广泛听取了工业企业、研究机构、大学、贸易组织和国家实验室的建议。

1.3 固态照明专项

固态照明专项的目标是:到2025年，相比于现有照明技术，发展先进的高能效、长寿命、价格具有竞争力固态照明技术，照明系统的整体效率达到50%，并产生接近于太阳光谱可见光组分的照明。在目标指导下，能源部在固态照明专项下设立了三项独立且相互联系的子项目:核心技术研究和产品开发(Core Technology Research and Product Development)、制造技术研发 (Manufacturing Research and Development)以及商业化支持(Commercialization Support)，并制定了相关路线图。

1.3.1 核心技术研究和产品开发

核心技术研究项目主要由学者、国家实验室和研究机构承担。美国能源部与SSL领域合作伙伴建立了一系列相互联系的工作组，共同研究制定了研发计划，并在计划执行全过程中指导，引导能源部资金支持改善SSL技术能效和加快SSL产品推广的关键研究项目。核心技术研究项目支持SSL领域最为关键的技术进步，涵盖范围广阔，旨在填补技术空白，提供关键知识或数据。

产品开发项目主要由照明产业企业承担，通过系统集成基础科学研究成果和应用研究成果，生产商业化的材料、设备或系统，开发测试产品原型，并根据反馈意见修改原型设计，最终实现技术成果的产业化。除技术研发外，产品开发项目还包括市场和用户调查，保证产品能够成功实现商业化并推向市场。

1.3.2 制造技术研发

制造技术研发项目通过改进制造SSL产品的设备、工艺和管理技术，解决制造技术挑战，推动SSL产品制造费用降低，从而使SSL产品的初始投资下降到与传统照明产品具有竞争力的水平。通过该项目，美国能源部旨在加速美国高性能LED照明产品市场开发，替换传统照明产品，从而达到节约照明能耗，降低照明费用，减少环境影响的目的。

1.3.3 商业化支持

为保证能源部核心技术研究、产品开发和制造技术研究的成果顺利实现商业化，推广高质量高能效的SSL通用照明产品，能源部在总结以往能效产品推广经验的基础上，与标准制定组织、能效项目投资方、用户、零售商、照明设计人员等相关方合作，制定了SSL商业化支持五年计划 (Five Year SSL Commercialization Support Plan)。

商业化支持计划的总体目标是为美国能源部推广高性能SSL通用照明产品提供战略指导和五年规划。推广工作目标包括:一是引导消费者购买能最大限度减少能耗并满足消费者需求的高性能SSL产品;二是加速SSL产品的市场推广;三是支持SSL产品的适当应用以实现节能效益最大化。通过与市场相关各方的合作，DOE开展了一系列活动，包括:商业化SSL产品测试，示范工程建设及其节能效益的测算，以及SSL产品和照明系统设计竞赛。

标准化工作也被看作是商业化支持的一部分，SSL产品测试程序和标准的开发和宣贯，推动所有厂家使用相同的测试程序和评估指标体系对其产品进行测试，从而帮助消费者科学比较不同厂家的产品。能源部与照明产业企业和标准化组织密切合作，为新标准开发提供技术支持和政策管理，帮助加速标准开发和宣贯。

SSL商业化支持五年计划定期更新，吸收能源部专家工作组和合作伙伴的最新意见，并根据最新市场调查情况进行调整。

1.3.4 固态照明战略合作伙伴

在固态照明专项中，为促进SSL产品的快速发展和市场化，能源部还与照明产业联盟和相关组织建立了战略合作伙伴关系:能源部与下一代照明工业联盟 (Next Generation Lighting Alliance，NGLIA)合作，利用该联盟在SSL制造方面的专长，帮助能源部改进SSL制造和商业化的政策;能源部与照明工程学会 (Illuminating Engineering Society，IES)的合作促进了包括SSL照明在内的照明标准开发;能源部与国际照明设计协会 (International Association of Lighting Designers，IALD)的合作推动了照明设计理念和技术的创新，提高了照明质量和能效。

1.4 协助机构

除以上直接负责管理固态照明研发的执行机构和固态照明专项外，美国能源部还在其能源技术研发项目中支持固态照明技术的研发，具体情况如下:

1.4.1 基础能源科学项目

基础能源科学项目 (Basic Energy Sciences Program)由能源部科学办公室负责，支持的基础研究范围包括理解、预测和最终控制电子、原子和分子层面的物质和能量，从而支持新能源技术开发和能源部的职能。能源部在该项目中，也对固态照明技术发展提供了支持。

1.4.2 能源先进技术研究机构 (APPA-E)

能源先进技术研究机构 (Advanced Research Projects Agency-Energy，ARPA-E)资助具有显著节能潜力的高风险、高回报项目。固态照明技术由于其巨大的节能潜力，也被该机构纳入资助范围，该机构正在资助一项开发廉价大规模氮化镓基底LED生产的高风险项目，如果该项目成功，将大大提高LED的性能。APPA-E还支持先进高效能源供应技术的研发，同样能够应用于固态照明技术。

2 美国固态照明发展现状和预测

2.1 美国固态照明发展现状

美国能源部在固态照明研发中长期规划 (Solid-State Lighting Research and Development Multi Year Program Plan)中，将目前LED照明产品与白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯 (HID)等其他照明产品进行了比较，核算了成熟商业化照明产品的初始投资和生命周期总费用分析。

2.1.1 与传统照明产品光效对比

尽管可替换白炽灯的白光LED灯泡在固态照明市场中仅占很小的一部分，但由于目前居民和用户中仍然拥有大量使用白炽灯的传统灯泡基座，因此白光LED灯泡被认为是近期固态照明最有可能实现突破性大规模推广的LED照明产品。因此，选取白光LED灯泡与其他传统产品进行对比，随着固态照明技术的快速进步，目前白光LED灯泡的光效已经达到了紧凑型荧光灯等替换白炽灯的照明产品的两倍以上，不同种类照明产品光效的演化历史和未来变化趋势如图2所示。

图2 各种照明产品光效演化历史和未来变化趋势

目前使用最为广泛的传统光源包括白炽灯、荧光灯 (包括紧凑型荧光灯和直管荧光灯)和高强度气体放电灯 (HID)。

白炽灯和卤钨灯的光效大约在10～20lm/W之间，目前提高白炽灯和卤钨灯光效的基础研究和应用研究重点是改进发光体的性能，提高可见光区辐射在整体辐射中所占的比例，有研究者声称通过改进发热设计、红外涂层、沉积过程和提高灯丝温度(可能会降低使用寿命)等手段，卤钨灯光效能够达到45lm/W。

荧光灯自身光效随长度、电压、色温变化而变化，光效范围在25～118lm/W之间，但荧光灯自身光效不包含荧光灯所必需的镇流器带来的能量损失，将镇流器考虑在内后荧光灯照明系统的总体能效目前最高可达到108lm/W。提高荧光灯光效的方法包括使用高效镇流器和T5荧光灯组成的照明系统、减少电极压降、提高高效稀土荧光粉的配比等。

高强度气体放电灯 (包括高压汞灯、金卤灯、高压钠灯)是目前市场上能效最高的照明产品，整个高强度气体放电灯照明系统的光效可以达到115lm/W。该类型照明产品的主要问题是显色性较低 (高压钠灯是一个典型)，因此目前研究的重点是提高其显色性能，陶瓷金卤灯是目前HID灯发展最为迅速的分支，能够达到与白炽灯和荧光灯相当的显色性，同时光效达到123lm/W(实验室光效能够达到150lm/W)，未来随着使用电子镇流器、改进驱动电路、以及微波技术的进一步发展，陶瓷金卤灯的光效还有望进一步提升。

商用LED照明产品具有超越传统光源光效的巨大潜力，2011年，可替换白炽灯的商用A19型LED灯泡平均光效达到了70lm/W，其中，某些产品(如飞利浦获得L奖的产品)光效已经达到了90～100lm/W，而实验室原型产品光效已经达到了150lm/W。

美国能源部2011年对美国市场上常见的照明产品的光效、显色性等性能指标进行了整理，不同种类的典型传统照明产品与固态照明产品的性能比较如表1所示。

表1 不同种类的典型传统照明产品与固态照明产品性能对比

尽管固态照明具有巨大的节能潜力，光效能够超越传统照明产品，但是要加快固态照明产品推广仍然面临一系列的问题:目前LED和OLED相对于传统照明产品的初始投资仍然过高，此外，固态照明产品光效还需要持续改进，才能够完全超越高性能荧光灯和高强度气体放电灯，固态照明的节电潜力还没有完全释放，需要进一步研究。

2.1.2 与传统照明产品制造成本对比

照明产品成本决定了提供照明服务的初始投资，一般用千流明价格作为基准进行比较，从初始投资大小可以看出目前固态照明产品推广所面临的挑战和市场中所处的位置，如表2所示。

表2 传统照明产品与固态照明产品制造成本对比

通过以上分析我们可以看出，目前LED灯的价格是卤钨灯的12倍，普通可调荧光灯的3倍。但是预计LED灯的价格将快速下降，光效和其他性能也将进一步提高，最终LED光源的初始投资成本将变得更具竞争力。

目前，部分SSL通用照明产品已经实现商业化，并在部分照明产品种类和使用场合中替换传统照明产品。根据Strategies Unlimited公司的调查，尽管2011年美国照明产品的总销售额出现负增长，但2011年LED照明产品销售额比2010年增长了69%，从2010年的55亿美元增长至2011年的94亿美元，该公司预测到2014年LED照明产品的销售额将达到162亿美元，并在2015年后持续增长。

2.2 美国对固态照明技术未来发展趋势的分析

2.2.1 LED照明技术突破方向

LED封装器件由半导体器件和光学散射器件构成，为了产生通用照明产品所需的白光，需要对多种颜色的光进行混光。混光方式包括三种:一是使用荧光粉进行混光 (Phosphor-Converted LED，pc-LED)，pc-LED中氮化镓LED颗粒发出波长为450～460纳米的蓝光，一部分蓝光直接向外发射，剩余一部分蓝光激发LED封装器件中或灯具中的荧光粉，产生波长更长的光辐射 (如绿光、黄光、红光等)，通过合理的配比产生白光;二是使用三基色直接混光 (Color-mixed LED)，通过合理配比发生不同波长光线的独立LED光源，混合形成白光;三是以上两种方式的混合 (Hybrid Method LED)。

目前大多数白光LED照明产品都是用荧光粉混色模式，早期荧光粉混色模式的主要问题是色温过高，显色性差，目前很多生产商通过加入第二种荧光粉 (如红光荧光粉)，降低了白光LED的色温，提高了显色指数，2011年，荧光粉混色模式的冷白光LED灯光效已经达到144lm/W，而暖白光LED灯光效达到111lm/W。荧光粉混色模式面临的主要问题是由于LED颗粒发光波长随时间变化和荧光粉降解，难以保持白光的稳定性，并对LED光强度、辐射峰值波长和使用温度十分敏感。此外，荧光粉的厚度和不同使用条件下的温度变化，也会带来色漂移，荧光粉的稳定性对产品生命周期内的颜色非常关键。

相比于三基色直接混光模式，荧光粉混光模式存在一系列能量损失:荧光粉量子效率损失 (荧光粉吸收的光子不能激发出等量的光子，存在一定的损失)、散射损失、和Stokes损失 (指的是荧光粉激发前后光子波长差异带来的损失，吸收的蓝光波长短能量高，而发出的黄光波长长能量低，存在一定的能量损失)，这些损失由荧光粉混光模式的本质决定，无法避免。直接混光模式不存在上述能量损失，因此被看作是获取固态照明最高理论光效的混光模式。但目前直接混色模式LED的光效提高主要受制于黄绿光LED单元光效过低，需要优化设计来提高LED的整体光效，且不同颜色的LED单元对温度和电流密度的反应不同，寿命期内的变化也各不相同，为补偿这些差异的影响，直接混光模式所需要的控制电路也更加复杂，降低了系统的整体光效。

Hybrid模式将直接混光模式和荧光粉混光模式结合，充分利用了这两种模式的优势，实现了高光效、高显色性照明。目前市场上已经出现了一些非常好的结合混色模式LED照明产品，拥有非常好的颜色性能，显示出这一模式可以同时实现高光效和高显色性。但Hybrid模式需要新型荧光粉，同时仍然会产生一些Stokes损失。

2.2.2 LED照明光效的理论极限

为科学设定LED照明研发目标，美国能源部对LED照明光效的理论极限进行了分析。LED封装器件将电能转化为可见光的效率称为辐射发光效能(Luminous Efficacy of Radiation，LER)，辐射发光效能理论极限值LERmax受到色温和显色指数的影响。表3和表4中显示了典型色温和显色指数下，三基色直接混光模式和荧光粉混光模式的辐射发光效能理论极限值和LED封装器件光效的理论极限值 (假设转化效率为67%时)。

表3 三基色直接混光模式光效理论极限值

表4 荧光粉混光模式光效理论极限值

目前领先的荧光粉混光模式由于光谱效率低，大量辐射以不可见光的形式流失，Stokes损失较高，从根本上限制了光效提高潜力。而三基色直接混光模式不存在这一问题，因而光效潜力更高。在此基础上预测了LED封装器件光效的发展目标，如图3所示。

图3 LED照明产品光效提高预测

2012年4月更新的固态照明研发中长期规划中暖白光LED封装器件和灯具光效目标如表5所示。

表5 固态照明研发中长期规划暖白光LED目标

2.3 LED照明产品成本预测

2.3.1 LED灯具价格

LED灯具和光源价格随着应用模式、装饰材料、控制器件变化很大，为了有效评估LED照明的价格变化，比较替换白炽灯的灯具价格是一个比较实用和合适的办法。图4比较了2012年4月更新的美国固态照明长期规划对LED白光通用照明产品的价格预测和13W紧凑型荧光灯的平均零售价格的比较。A19型替换白炽灯的LED灯价格下降最为迅速，2011年，随着制造成本的下降和市场竞争的加剧，400lm暖白光A19型LED灯 (相当于40W白炽灯)的零售价格降至约16美元，800lm暖白光A19型LED灯 (相当于60W白炽灯)零售价格降至24美元，此外在美国的部分地区，政府还对以上产品给予补贴，进一步降低了售价。2011年美国市场上LED照明产品的零售价格约为30美元/klm(2010年为50美元/klm)，领先于图4所示的规划目标。预计2012年该产品的价格将进一步下降，照明科学集团 (Lighting Science Group)于2011年12月发布了报告，认为2012年该产品的价格将降低至15美元/klm。

图4 典型白光LED通用照明产品与紧凑型荧光灯价格的比较

LED PAR灯和MR16型LED射灯的价格也持续下降。2011年，MR16型LED射灯价格下降最为显著，415lm的MR16型LED射灯 (相当于35W传统射灯)的价格下降至25美元，17～18W的LED PAR38灯 (750～850lm)价格下降至25～30美元(2010年为40～60美元)，筒灯价格也明显下降，目前价格约为50美元/klm(2010年为87美元/klm)。

总体而言，如果考虑节能效益、使用寿命长和运行维护成本低，2011年美国LED照明产品相对于传统照明产品已经具备了相当的价格竞争力，进行LED照明改造的投资回收期也随着高性能新产品的引入而持续下降。

2.3.2 LED封装器件价格

LED封装器件 (LED Package)价格也是表征LED价格的重要指标，市场调查和分析显示:目前，不同的LED封装器件制造商都生产多种色温和光通量不同的LED封装器件，在分析中选择能效最高的LED封装器件为代表，并将所有LED封装器件价格都换算为千流明价格，测试条件包括电流密度为35A/cm2，温度为25摄氏度。

LED封装器件价格和光效如图5所示。图中各点代表采样的LED封装器件价格和光效，椭圆代表2009年中、2009年末、2010年末和2011年末冷白光和暖白光LED封装器件的价格和光效的平均值和偏差分布，由于部分样本与均值差异较大，存在一些处于椭圆外的离散点。2011年能效改进和价格下降的速度明显放缓，代表2011年末水平的椭圆被2010年末椭圆包围，仅在价格方向上有所下降。暖白光LED封装器件性能较上年略有提升，平均价格为12美元/klm，光效达到了99lm/W(Cree XML)。冷白光LED封装器件价格基本低于2011版规划预测目标，平均价格为8美元/klm，光效达到124lm/W(飞利浦Lumileds Rebel)，2011版规划预测为135lm/W。根据技术进步情况，美国对固态照明研发中长期规划目标进行了修订，修订后的2011年版本的目标值如图5中“×”形符号所示。

图5 LED封装器件价格和光效变化趋势和规划目标

2.3.3 LED封装器件价格和光效发展趋势预测

对比2011年版和2012年版的固态照明中长期研发规划可以发现，2010年以来，LED封装器件的价格持续下降，但是其光效提高进程有所放缓。但是，最新报道显示2012年以来，LED封装器件光效提高速度又明显加快，暖白光LED封装器件光效达到111流明/W，而冷白光LED封装器件光效达到144流明/W(Cree XT-E)，重新追上了2011年版规划的预测目标。此外值得注意的是，Cree XT-E产品测试温度是85摄氏度而不是25摄氏度，而测试温度的提高通常会降低光效约10%。根据最新的技术发展情况，2012年4月美国能源部更新了固态照明研发中长期规划，对LED封装器件价格和光效进行了重新预测，如表6所示。

表6 2012年美国固态照明研发中长期规划性能预测情况

3 美国固态照明研发战略

美国能源部支持美国固态照明的研究、开发、试点和商业化活动，其政策重点是通过支持固态照明技术研发和产品开发，推广商业化的固态照明产品，实现照明节能。美国固态照明研发中长期规划是指导美国未来数年和2020年固态照明领域研发项目的指导文件，总体目标是推广低成本、高质量、高光效照明产品，同时帮助美国企业在下一代照明技术领域保持领先地位。固态照明研发政策包括六个研究领域:LED核心技术研发、LED产品开发、LED制造技术研发、OLED核心技术研发、OLED产品开发和OLED制造技术研发。

3.1 美国固态照明研发的主要任务

美国固态照明研发规划对当前所面临的障碍进行了分析，认为为了保证美国固态照明研发项目取得成功，五项主要任务是:

一是降低费用。LED通用照明产品的初始价格在过去几年内已经有了明显下降，但与传统照明产品相比仍然过高。尽管LED通用照明产品的全生命周期费用较低，但是照明市场对初始投资较为敏感，因此进一步降低LED封装器件和灯具材料的生产成本，研发低成本、大批量和可靠的制造方法非常重要。2009年能源部启动了SSL制造研发项目，并出台了制造研发技术路线图作为项目指导文件。

二是进一步提高光效。能源部非常重视能效提高，LED照明显示出巨大的节能潜力，目前传统的荧光粉混光模式的LED照明产品光效增长已经开始放缓，需要重点提升荧光粉，尤其是红光荧光粉的发光效率，同时继续重视三基色直接混光模式LED照明产品和以上两种方式结合混光模式的研发，寻求新的突破。尽管目前LED照明产品的光效已经超过了白炽灯和紧凑型荧光灯，但是为了与传统照明解决方案竞争，并实现最大的节能效益，光效仍需要进一步提高。目前商用LED照明产品光效还远未达到其理论极限值，仍然有极大的提高空间，光效的进一步提高将带来更多的节能效益，并加快SSL产品推广进程。尤其是降低高驱动电流条件下的光效衰减，可以减少单个灯具中LED封装器件的使用量，从而极大地降低成本。光效提升还能减少热量的产生，降低散热需求，从而节约散热材料成本，进一步降低灯具成本，这对以路灯为代表的高光通量照明产品尤其重要。

三是延长使用寿命。目前灯具使用寿命主要关注光通维持率指标，但这只是使用寿命的一个方面，对于LED照明产品而言，色漂移、器件失效等原因都可能影响其使用寿命。灯具设计也对LED使用寿命具有重要影响，散热不良、供电系统设计不合理都可能降低LED照明产品使用寿命。目前能源部正致力于建立LED照明灯具组件可靠性数据库和支持系统来帮助照明设计人员更好地设计灯具。

四是加强测试。市场上的LED照明产品的实际光通量和光效指标往往与实验室测试结果存在出入。虽然光通量、显色性和光效的标准化测试方法已经出台，但是仍然有很多产品无法满足标准化测试的测试条件。为此，能源部支持了“Lighting Facts”标识项目，向消费者和市场提供标准化的权威测试报告，但是在实际使用过程中，灯具的使用环境和工作条件往往不同于测试条件，尤其是实际使用时灯具温度往往较高，降低了光效，目前能源部已经开始重视解决这方面的问题，通过开发快速可靠的测试方法，向消费者和市场提供更新更快的测试结果，以缩短LED照明产品的推广时间。但是，目前仍然没有准确预测LED照明产品使用寿命的测试方法，制造商和消费者仍然对LED照明器件和灯具的使用寿命存在疑虑，延迟了LED照明产品推广。

五是改进制造技术。统一制造方法和元件规格对LED照明产品的发展至关重要，这将大大降低制造成本，目前能源部负责的固态照明制造技术研发项目正试图解决这一问题。

3.2 美国固态照明研发的资金投入

美国历年固态照明研发的财政资金投入量如图6所示。美国自2003财年起逐步加大了对固态照明研发的财政支持力度，并在2007财年达到高峰。2009年，在美国振兴计划 (American Recovery and Reinvestment Act，ARRA)中一次性投入了5000万美元用于加速固态照明研发和制造技术研发项目的启动。近5年来，美国支持固态照明研发的财政资金投入量稳定在年均2500万美元左右。2011财年，财政资金实际投入2650万美元 (预算投入为2700万美元，实际投入削减了50万美元)，2012财年预算投入为2580万美元。

图6 美国历年固态照明研发的财政资金投入量

从支持领域看，2012年3月，财政资金支持项目共计37个 (2011年为47个)，涵盖 LED和OLED技术两方面，并重视平衡长期项目和短期项目，同时考虑大型企业、中小企业和研究机构的参与，涉及到的政府财政投入和企业投入总计约1.103亿美元 (2011年为1.2亿美元)，其中政府投入6450万美元 (2011年为7240万美元)，参与单位配套经费4580万美元 (2011年为4760万美元)。37个项目中，LED技术研发项目占23项，OLED技术研发项目占14项。预算经费中，能源部EERE办公室下属建筑技术项目管理32个项目，涉及预算1.054亿美元 (包括配套经费)，由美国国家能源技术实验室 (National Energy Technology Laboratory)负责具体运行管理。科技办公室的小企业创新研究项目 (Small Business Innovation Research，SBIR)资助了剩余的5个项目，涉及预算490万美元。

能源部在固态照明研发方面的合作伙伴包括工业企业、中小企业、大学和国家实验室。从预算资金分配上看，工业企业分配到的预算资金最多，共计7430万美元 (占总预算的67%)，中小企业获得2180万美元预算 (20%)，大学获得980万美元(9%)，国家实验室获得440万美元 (4%)。

从研究领域看，2012年正在实施的研发项目中，LED制造技术研发占4460万美元 (41%)，OLED制造技术研发占2050万美元 (19%)，LED核心技术研发占1600万美元 (15%)，OLED核心技术研究占880万美元 (8%)，LED产品开发占1450万美元 (13%)，OLED产品开发占590万美元 (6%)。与2011年相比，制造技术研发的资金投入量和比重有所上升，而产品开发的资金投入量和比重下降，核心技术研发的资金投入和比重基本持平;OLED研究领域的资金投入量和比重有所提高。

3.3 美国固态照明研发的优先任务

固态照明研发中长期规划是一个动态规划(living plan)，具有更新机制，定期修订以反映最新技术进步情况和市场变化。2005年2月能源部相关工作组在San Diego召开的首次研发任务结构和优先行动研讨会上，提出了最初的美国固态照明中长期规划优先任务。在随后的规划修订过程中，优先任务也随着技术进步和对固态照明技术认识的深入而不断修订。以2012财年为例说明规划更新机制:2011年11月在华盛顿特区召开了一系列圆桌会议(Roundtable sessions)，邀请工业领域专家对LED和OLED技术发展现状进行讨论，找出当前最迫切的研发任务;圆桌会议的讨论结果经整理成为优先任务草案，能源部固态照明研发工作组于2012年2月在佐治亚召开工作组会议，对优先任务草案进行讨论;工作组在此基础上提出2012年优先研发任务征求意见稿，提交能源部与照明产业代表讨论，收集反馈意见，并征求各部门意见后，由能源部正式发布2012年固态照明研发中长期规划优先任务。从规划文本上看，2012年LED技术研发优先任务与2011年版本完全一致。

3.3.1 LED核心技术研发优先任务

2012年LED核心技术研发优先任务包括:一是进一步研究影响LED照明产品光效的关键材料，了解LED发光的物理机制和高性能蓝光LED照明产品在电流密度上升时光效下降的原因;二是提高LED照明产品的内在量子效率(Internal quantum efficiency，IQE)，尤其是在红光和黄光区的量子效率;三是提高荧光粉的发光效率和热稳定性，提高暖白光LED产品的转化效率、光谱效率和颜色质量。

3.3.2 LED产品开发优先任务

2012年LED产品开发优先任务包括:一是寻找光效能够达到目前先进水平的替代基底解决方案，制造低成本、高性能的LED封装器件;二是开发新型LED封装模式和结构，使LED封装器件更容易与灯具集成，并有利于解决光效、散热、成本、颜色、配光、电路集成、敏感性和稳定性问题;三是鼓励收集固态照明灯具和原件的系统稳定性数据，寻找失效原因，并利用这些数据开发模拟SSL稳定性和寿命的软件，加快测试速度;四是鼓励灯具结构的完全创新，充分发挥LED照明特性 (包括形状因素、配光和颜色控制能力等)，实现节能目标，同时加快市场推广。

3.4 固态照明研发规划中长期目标

LED照明目前包括荧光粉混光模式和三基色直接混光模式，不同混光模式的技术路线不同，研发目标也不相同。

3.4.1 荧光粉混光模式LED照明产品研发目标

荧光粉混光模式LED照明产品 (pc-LED)的技术参数水平、2020年目标和远期目标如表7所示。

3.4.2 三基色直接混光模式LED照明产品研发目标

未来美国更加看好三基色直接混光模式LED照明产品 (Color-Mixed LED)提高光效的前景，技术参数水平、2020年目标和远期目标如表8所示。

表7 荧光粉混光模式LED照明产品现状及目标

表8 三基色直接混光模式LED照明产品现状及2020年目标

3.4.3 固态照明研发目标

根据以上预测，设定了美国固态照明中长期规划LED封装器件和灯具的发展目标，如表9所示。

表9 美国固态照明中长期规划LED封装器件和灯具发展目标

［1］U．S．Depart of Energy．Solid-State LightingResearch and Development:Multi-YearProgram Plan April 2012．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_mypp2012_web．pdf．April 2012．

［2］U．S．Depart of Energy．Solid-State Lighting Research and Development:Multi-Year Program Plan March 2011．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_manuf-roadmap_july2011．pdf．March 2011．

［3］U．S．Depart of Energy．Solid-State Lighting Research and Development:Manufacturing Roadmap July 2011．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_manuf-roadmap_july2011．pdf．July 2011．

［4］U．S．Depart of Energy．5-Year SSL Commercialization Support Plan FY09 through FY13．http://www1．eere．energy．gov/buildings/ssl/pdfs/ssl_5year-plan_09-13．pdf．May 2009．

(未完待续)

［5］U．S．Depart of Energy．GATEWAY Demonstrations Showcase SSL Product Performance．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/gateway _jan2012_factsheet．pdf．Jan 2012．

［6］U．S．Depart of Energy．CALiPER Program Supports Unbiased Testing， Promotes Consumer Confidence．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/caliper_jan2012_factsheet．pdf．Jan 2012．

［7］U．S．Depart of Energy．DOE Announces Philips as First Winner of the L Prize Competition http://www．lightingprize．org/philips-winner．stm．August 3，2011．

［8］U．S．Depart of Energy．Demonstration Assessmentof Light-Emitting Diode(LED)Retrofit LampsHost Site:InterContinental Hotel， San Francisco， California．http://apps1．eere．energy．gov/buildings/publications/pdfs/ssl/gateway_intercontinental-hotel．pdf．Jan 2012．