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提高LED照明效率是推動(dòng)功能性照明健康發(fā)展的必然之路!

2021年08月04日 10:00????信息來(lái)源:上海易永光電科技有限公司

LED功能照明品質(zhì)好壞取決于效能對(duì)比,即:被照面在滿足功能性照明前提下,產(chǎn)品消耗功率越小品質(zhì)越好

光效利用率高低是檢驗(yàn)半導(dǎo)體光源特性發(fā)揮好壞的重要指標(biāo)!光源光效提高固然減少散熱壓力有助于燈具品質(zhì)提升,但照明效率的提升才是LED路燈高品質(zhì),長(zhǎng)壽命,高效節(jié)能的關(guān)鍵!

單位需求界面有效光通量最大化,不僅解決了產(chǎn)品品質(zhì)壽命問(wèn)題,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了同類產(chǎn)品同比節(jié)能提高一倍的創(chuàng)新突破,精準(zhǔn)施策,有效配光必將引領(lǐng)戶外功能性照明朝著高品質(zhì),高效節(jié)能方向發(fā)展。

通過(guò)精準(zhǔn)配光來(lái)降低產(chǎn)品輸出功率,滿足需求減少散熱,完全契合所有電子類產(chǎn)品的共同特性,對(duì)更好的匹配低功率窄帶物聯(lián)網(wǎng)5G技術(shù),實(shí)現(xiàn)智能終端無(wú)縫銜接,完善智慧照明硬件架構(gòu)體系建設(shè),統(tǒng)一產(chǎn)品供應(yīng)鏈標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要,亟待重新認(rèn)識(shí)并推廣!

一、LED光源照明與傳統(tǒng)照明相比具有哪些優(yōu)勢(shì)與局限性?

常聽(tīng)到一種聲音,隨著LED技術(shù)的進(jìn)步,光源光效已達(dá)到170LM/W甚至更高,似乎高光效光源的出現(xiàn)會(huì)使燈具高效節(jié)能變得唾手可及!其實(shí)這是一種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),如果沒(méi)有高品質(zhì)的光學(xué)系統(tǒng)與之相匹配,即使更高效的光源也會(huì)顯得無(wú)濟(jì)于事。光源光效提升固然是提高燈具能效的重要指標(biāo),但作為功能性照明,提高照明利用率才是照明節(jié)能的關(guān)鍵所在。

1、LED光源光效提升真的可以帶來(lái)燈具效能的同步提升嗎?

首先大家都知道半導(dǎo)體材料發(fā)光原理是電子電流持續(xù)“填埋P穴”而引發(fā)的物理現(xiàn)象,所發(fā)出的光僅占到總動(dòng)能的30%,70%則變成熱散掉,提高光熱轉(zhuǎn)換效率意味著需改變半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu),提升的空間有限。隨著科技進(jìn)步,量產(chǎn)芯片可達(dá)160~180LM/W(跨過(guò)了光熱平衡點(diǎn)170LM/W)。然而令大家比較好奇的是,LED燈具光效為何無(wú)法做到與光源光效同步提升?(國(guó)家規(guī)定的一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)也僅為130LM/W),光源光效提升對(duì)于燈具效能提升會(huì)帶來(lái)哪些影響、具有哪些局限性?經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),單顆LED在道路照明上其光通量無(wú)法單獨(dú)成為光源;LED集成模塊后因其所使用導(dǎo)熱基板、熱導(dǎo)移系統(tǒng)不同,其出光量并不等同于該集成模塊LED總和,因此,光源光效并不等同于燈具光效。理論上,LED光源集成后發(fā)光光效可以遠(yuǎn)高于納燈(燈珠在基板上呈聚陣式排列,排列越多光效會(huì)越高)但實(shí)際運(yùn)用上卻始終無(wú)法超越250瓦高壓鈉燈光效。因?yàn)長(zhǎng)ED光熱同源的特性,當(dāng)熱量增大到一定規(guī)模會(huì)引發(fā)光衰而失效。目前二次配光技術(shù)尚無(wú)法解決因全反射光過(guò)多而導(dǎo)致的溢散光增加,從而降低照明效率難題。受LED光源技術(shù)條件限制,LED功能性照明應(yīng)用范圍存在較大局限性。目前在主干道或其它類似更寬泛照明場(chǎng)景中尚無(wú)恰當(dāng)解決方案(采用雙燈頭不經(jīng)濟(jì)做法除外)。LED 單個(gè)管芯的出射光通量要滿足不同等級(jí)道路的亮度需求和標(biāo)準(zhǔn)路燈的配光特性,需要多個(gè)LED單體的高度集成,并應(yīng)突破因熱阻大而引起的光衰等技術(shù)瓶頸。所以,探索多個(gè)LED單體集成技術(shù),保持高光效、長(zhǎng)壽命、安全可靠,是LED功能照明必須解決的應(yīng)用難點(diǎn)。

2、功能性照明燈具效能提升必然會(huì)帶來(lái)照明效率的提升嗎?

LED照明光熱同源、指向性強(qiáng)、無(wú)漫射光發(fā)光特性決定了有效光組織之于光源光效利用與保護(hù)的重要性!對(duì)于功能性照明:光源光效、燈具效能、照明效率并非同一概念,在實(shí)際應(yīng)用中,滿足需求前提下應(yīng)更加注重的是照明效率而非燈具效能。完全依靠加大燈具效能滿足道路照度需求具有局限性(能效評(píng)級(jí)以燈具效能作為功能性照明分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也有待商榷)

3、LED相比傳統(tǒng)高壓鈉燈是如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能的?

LED路燈已遍布大街小巷,現(xiàn)在很少有人再談?wù)揕ED路燈節(jié)能,因?yàn)橥ㄟ^(guò)替代傳統(tǒng)高壓鈉燈我們已經(jīng)分享到了節(jié)能紅利。那么LED路燈真的達(dá)到盡善盡美,達(dá)到節(jié)能頂峰了嗎?首先分析一下LED為什么會(huì)節(jié)能?2800左右色溫的LED其光源光效 (100~120LM/w) 并沒(méi)有明顯的優(yōu)于高壓鈉燈(100~120Lm/w)。LED應(yīng)用于道路照明為什么會(huì)節(jié)能呢?(隨著LED芯片技術(shù)不斷進(jìn)步,LED現(xiàn)階段光效會(huì)更高一些,國(guó)家一級(jí)能效認(rèn)定值為130LM/W,有廠家宣稱已達(dá)150LM/W甚至170LM/W值得商榷)。高壓鈉燈發(fā)光特點(diǎn),360度發(fā)光,落在路面上光通量有限,而LED單向發(fā)光指向性強(qiáng),無(wú)漫射光特性,并且經(jīng)過(guò)二次配光設(shè)計(jì),更多的光是射向道路的,相同亮度LED消耗更少的功率,自然會(huì)更節(jié)能。目前,LED路燈功率密度0.45~0.65左右(各廠家色溫、顯指、配光水平不同會(huì)有所不同),而高壓鈉燈一般為0.9,LED比高壓納燈相同照度、相近色溫平均節(jié)能約30%左右。

二、LED不同二次配光對(duì)照明效率的提升存在較大差異性

1、LED節(jié)能空間有多大?是否有繼續(xù)提升的必要性?

以道路照明為例:道路照明的指向目標(biāo)在于道路,適配的二次配光技術(shù)依據(jù)道路照明形態(tài)特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì),即可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的可能性!

首先來(lái)分析道路照明形態(tài)與特性:

A,燈桿安裝位置在路邊,形成一光照角度不對(duì)稱的現(xiàn)象;

B,路幅 : 燈桿高 : 燈距 = 1 : 1 : 3 (截光型燈具),形成一長(zhǎng)方形被照射范圍;

道路因車(chē)流量與車(chē)速限制的不同而分不同等級(jí),不同等級(jí)的道路有不同的亮度與均勻度的要求。

同樣滿足以上需求,不同配光方式LED路燈照明利用率大不相同。

首先,分析LED路燈節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo):LED 光源光效(Lm/W)無(wú)法真正反映LED路燈的能效。單顆LED在道路照明上其光通量無(wú)法單獨(dú)成為光源;LED集成模塊后因其所使用導(dǎo)熱基板、熱導(dǎo)移系統(tǒng)不同,其出光量并不等同于該集成模塊LED總和,因此,LED照明應(yīng)注重的是燈具光通量而非光源光通量;應(yīng)注重?zé)艟吖庑Ф枪庠垂庑А?/p>

然而,燈具光效(Lm/W)并無(wú)法真正評(píng)價(jià)LED路燈的優(yōu)劣。燈具光效是做為評(píng)估一般照明節(jié)能的一個(gè)重要指標(biāo),LED路燈做為功能性照明比一般照明多了個(gè)“二次配光” 參數(shù),而二次配光越均勻其燈具光效越低;因此僅憑燈具光效難以評(píng)價(jià)LED路燈的優(yōu)劣。由此,照明利用率(路面光通量/燈具光通量)做為關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)被用來(lái)衡量LED路燈是否高效節(jié)能的關(guān)鍵所在!

經(jīng)過(guò)測(cè)試,反射式非對(duì)稱二次配光比目前行業(yè)普遍采用的折射式二次配光在同照度指標(biāo)環(huán)境條件下,同比節(jié)能近40%,同比替換高壓鈉燈節(jié)能80%以上(詳見(jiàn)上海市能效中心能效對(duì)比報(bào)告)

現(xiàn)將反射式與折射式兩種不同二次配光方式特點(diǎn)做一簡(jiǎn)要對(duì)比,以支撐上述結(jié)論。

(1)反射式光學(xué)(附圖二)

運(yùn)用反射式光學(xué)原理設(shè)計(jì)導(dǎo)光板的高度與角度,將LED所發(fā)出的光導(dǎo)到所預(yù)計(jì)的地方。反射式光學(xué)的優(yōu)點(diǎn)在于,車(chē)行垂直方向配光曲線分布角度可精準(zhǔn)設(shè)計(jì),藉由兩側(cè)導(dǎo)光板可使光束分布角度涵蓋路幅大一些,燈具效率高,照明利用率高,所以光學(xué)總利用率也高,適合燈桿高距比為3.5(含)以內(nèi)。劣勢(shì)則在于車(chē)行方向二次配光曲線與原LED一次配光曲線約相同,在燈桿高距比超過(guò) 3.5,要改變其車(chē)行方向的二次配光曲線,需將防水燈殼做成槽鏡以增大其車(chē)行方向配光曲線的角度或采用自帶縱向配光透鏡光源來(lái)加大縱向出光角。

(2)折射式光學(xué)(附圖三)

折射式光學(xué)則是利用光波在不同介質(zhì)(透鏡)其行進(jìn)方向不同的特性,控制LED光至不同地方。折射式光學(xué)的優(yōu)點(diǎn)在,車(chē)行方向配光曲線分布很容易設(shè)計(jì)成最佳行車(chē)方向,配光曲線最大值在60~65度。劣勢(shì)則是路寬方向配光曲線分布角度較不易設(shè)計(jì)。若是為了設(shè)計(jì)出窄(涵蓋路幅大一些)的配光曲線分布,則導(dǎo)致全反射光多,燈具效率較差,雖然照明利用率較高(因?yàn)槌鰺艟哒呐涔馇€分布光束大部分落在路面內(nèi)),但是光學(xué)總利用率(燈具效率×照明利用率)還是偏低。為了提高燈具效率,因此設(shè)計(jì)須降低全反射光,所以設(shè)計(jì)出的路寬方向配光曲線分布角度寬,但是因?yàn)槌鰺艟邔挼呐涔馇€分布光束許多落在道路外,導(dǎo)致照明利用率較低,但是最后的光學(xué)總利用率(燈具效率*照明利用率)還是偏低。

(3)通過(guò)兩種二次配光方式對(duì)比,反射式(導(dǎo)光模組)較折射式(透鏡)配光減少光通量損耗11%。除此之外,兩種二次配光方式經(jīng)不同形式光整形后(如圖一所示,未經(jīng)整形的光斑近似一組同心圓,經(jīng)過(guò)光整形的光斑為偏隅一側(cè)的矩形),其光通量有效利用率大不相同,反射式比折射式提高26%!光學(xué)總利用率更是有效提升近40%?。〝?shù)據(jù)來(lái)源詳見(jiàn)上海市建委科技成果課題驗(yàn)收書(shū),《LED路燈研究報(bào)告》)。實(shí)際案例效果證明:通過(guò)屏蔽“溢散光”及“背光”可最大限度的根據(jù)路況需求,把燈具光通量均勻有效的聚焦在道路上,在降低輸出功率的同時(shí)更減少了光污染,取得了一舉兩得事倍功半的效果。

2、提高照明效率成為突破現(xiàn)階段應(yīng)用技術(shù)瓶頸的唯一選擇!

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)LED功能性照明節(jié)能研究主要集中在光源光效提升以及低色溫黃光LED研究上,鮮有關(guān)注通過(guò)立體控光,精準(zhǔn)配光來(lái)解決能效提升及超高功率產(chǎn)品應(yīng)用問(wèn)題。紐約州特洛伊市照明研究中心(LLRC)研究主任NadarajahNarendran曾經(jīng)說(shuō)過(guò),一支緊湊型熒光燈,如果搭配一套不合適的光學(xué)系統(tǒng),就會(huì)損失高達(dá)70%的光輸出。同樣的,離開(kāi)了正確的光學(xué)系統(tǒng),LED那被熱捧的效能也將不復(fù)存在。這一忠告再一次告誡照明從業(yè)者,光源光效提升,散熱系統(tǒng)的改進(jìn)盡管在某種程度上彌補(bǔ)了LED照明固有缺陷以及應(yīng)用上存在的難題,但并未從根本上解決高功率照明產(chǎn)品高品質(zhì)、長(zhǎng)壽命、穩(wěn)定可靠問(wèn)題,只有進(jìn)一步深入研究LED做為功能性照明所表現(xiàn)出的“散熱即時(shí)性及透過(guò)配光實(shí)現(xiàn)光源光效利用率最大化”的深層次難題,才可以說(shuō)從根本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)照明的全面替代!

光源光效提升凸顯照明產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步,其更大意義在于,在應(yīng)用層面上應(yīng)更好的提升光源光效利用率以促進(jìn)LED照明產(chǎn)品品質(zhì)提升以及滿足更大范圍內(nèi)的應(yīng)用需求!與傳統(tǒng)照明不同的是,半導(dǎo)體照明更加強(qiáng)調(diào)燈具組件系統(tǒng)架構(gòu)的協(xié)同一致性,而非完全依賴光源本身!燈具系統(tǒng)作用發(fā)揮的好壞,決定產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。

3、結(jié)合研究成果提出以下幾點(diǎn)參考建議

(1)、現(xiàn)在市場(chǎng)上絕大部份路燈都用單一透鏡做配光。透鏡多用于成像光學(xué),如照像機(jī),汽車(chē)尾燈等,透鏡有一定厚度,光折射出來(lái)大慨損失11%的光通量,透鏡如未根據(jù)實(shí)際路況做出精準(zhǔn)的維度設(shè)計(jì),則無(wú)法把折射出來(lái)的光均勻有效的壓到路面上且光不受控(外溢光及背光),會(huì)有26%左右的光集聚在空中和路面以外!道路照明是“非成像”功能性照明,釆用新型“導(dǎo)光模組+透鏡”組合來(lái)進(jìn)行二次光學(xué)配光,會(huì)取得非常好的應(yīng)用效果,光強(qiáng)分布均勻高效,利用率比單一釆用透鏡提高40%,整燈光效利用率達(dá)85%以上?。ㄔ斠?jiàn)附表一)

(2)、現(xiàn)行路燈大多采用鋁基板自帶鰭片散熱方式,按照熱力學(xué)定律,結(jié)溫與散熱之間需要有導(dǎo)出過(guò)程以提高散熱的即時(shí)性,否則極易引發(fā)光衰!我們釆用熱管技術(shù)較好的解決了這一問(wèn)題!做為大功率照明產(chǎn)品,在滿足國(guó)家照明標(biāo)準(zhǔn)前提下,誰(shuí)家功率低就一定是好產(chǎn)品,這是無(wú)庸置疑的!是由新型光源燈具各組件“協(xié)同一致”性質(zhì)決定的(非刻意強(qiáng)調(diào)光源本身!),也契合半導(dǎo)體發(fā)光體材料“冷光源”這一物理特性,是LED照明區(qū)別傳統(tǒng)光源照明的重要標(biāo)志!

(3)、滿足使用需求、保持超長(zhǎng)使用壽命不能做到“單位功率有效光通量最大化”似乎只是一廂情愿。只有用“確保實(shí)際照明指標(biāo)前提下,最大限度降低輸出功率”的理念來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品才是LED光源帶給我們降本增效的最大啟示與收獲。LED大功率照明產(chǎn)品必須同時(shí)具備散熱的即時(shí)性及透過(guò)配光實(shí)現(xiàn)光源光效利用率最大化這兩大特點(diǎn),強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)各組件的協(xié)同一致性才會(huì)成為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的根本出路!

(4)、嚴(yán)格意義上講,評(píng)價(jià)電子類產(chǎn)品是否節(jié)能已無(wú)必要,半導(dǎo)體設(shè)計(jì)確保技術(shù)參數(shù)冗余前提下,其功能性、適用性必須精準(zhǔn),且具有低時(shí)延、高轉(zhuǎn)換率、低功耗三大特點(diǎn),切不可以濫用能效,這是半導(dǎo)體材料性質(zhì)決定的。隨著智慧照明的不斷發(fā)展,LED功能照明也必將融入智能管控體系。精準(zhǔn)、高效、按需、低碳必將成為未來(lái)半導(dǎo)體照明科技主流方向!

三、高效節(jié)能LED路燈研制成果進(jìn)展情況分析

上海易永光電科技有限公司研制生產(chǎn)的“易耀”品牌LED高效節(jié)能路燈主要解決影響替代傳統(tǒng)照明推廣應(yīng)用的兩大技術(shù)難題,經(jīng)實(shí)地對(duì)比測(cè)試可以得出結(jié)論:

1、研究成果:現(xiàn)有絕大部分廠家生產(chǎn)的LED路燈產(chǎn)品(折射式)較傳統(tǒng)光源高壓鈉燈平均節(jié)能約30%,節(jié)能效果差強(qiáng)人意。通過(guò)新技術(shù)運(yùn)用(反射式)節(jié)能可提高到60%以上?。ㄔ斠?jiàn)附表二,數(shù)據(jù)來(lái)源:來(lái)自網(wǎng)絡(luò)上海某路段測(cè)試結(jié)果)

2、設(shè)計(jì)思想:不僅關(guān)注光源光效,更關(guān)注整燈光效利用率!LED燈具特點(diǎn):強(qiáng)調(diào)各光學(xué)系統(tǒng)組件的協(xié)同一致性而非過(guò)度關(guān)注光源本身!

3、實(shí)現(xiàn)效果:?jiǎn)挝还β视行Ч馔ㄗ畲蠡?!合?guī)照明標(biāo)準(zhǔn)前提下替換高壓鈉燈:相同照度節(jié)能61.7%,調(diào)光至國(guó)標(biāo)上限值節(jié)能80.9%!平均照度,總均勻度,縱向均勻度,炫光,環(huán)境比等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)(見(jiàn)上海市能效中心檢測(cè)報(bào)告)

4、配光技術(shù):道路橫斷面方向(與行車(chē)垂直方向)通過(guò)導(dǎo)光模組進(jìn)行非對(duì)稱二次光學(xué)配光設(shè)計(jì)(除一次配光光源外,二次配光透鏡+導(dǎo)光模組)導(dǎo)光模組可有效控制"溢散光"及"背光",光分布更加均勻有效!(僅通過(guò)透鏡造成全反射光過(guò)多且不可控)

5、散熱技術(shù):LED結(jié)溫不能有效釋放進(jìn)而易產(chǎn)生光衰,嚴(yán)重影響使用壽命,經(jīng)過(guò)熱管引導(dǎo)散熱,增加散熱瞬時(shí)性,確保管芯在適溫條件下工作。

通過(guò)兩大關(guān)鍵技術(shù)成功實(shí)踐可以最終得出結(jié)論:LED路燈品質(zhì)好壞,節(jié)能大小取決于在相同路況條件下的效能對(duì)比。即:滿足功能性照明標(biāo)準(zhǔn)前提下,誰(shuí)家整燈功率消耗最小、瞬間散熱最快,誰(shuí)的品質(zhì)最好,相應(yīng)的節(jié)能水平最高,而并非完全取決于光源光效最高!這也契合了做為半導(dǎo)體光源材料“冷光源”的物理特性。設(shè)計(jì)理念應(yīng)跳出為了節(jié)能而節(jié)能,而是根據(jù)LED光源耐熱特點(diǎn),設(shè)計(jì)一套精準(zhǔn)配光與散熱高度匹配的架構(gòu)系統(tǒng),確保適配功率路燈在既有路型上的全覆蓋,這是未來(lái)道路照明節(jié)能改造發(fā)展的必然!