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乐虎国际提高LED照明效率是推动功能性照明健康
发布时间:2021-08-19  ▏作者:admin  ▏阅读:

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  LED功能照明品质好坏取决于效能对比,即:被照面在满足功能性照明前提下,产品消耗功率越小品质越好

  光效利用率高低是检验半导体光源特性发挥好坏的重要指标!光源光效提高固然减少散热压力有助于灯具品质提升,但照明效率的提升才是LED路灯高品质,长寿命,高效节能的关键!

  单位需求界面有效光通量最大化,不仅解决了产品品质寿命问题,同时也实现了同类产品同比节能提高一倍的创新突破,精准施策,有效配光必将引领户外功能性照明朝着高品质,高效节能方向发展。

  通过精准配光来降低产品输出功率,满足需求减少散热,完全契合所有电子类产品的共同特性,对更好的匹配低功率窄带物联网5G技术,实现智能终端无缝衔接,完善智慧照明硬件架构体系建设,统一产品供应链标准至关重要,亟待重新认识并推广!

  常听到一种声音,随着LED技术的进步,光源光效已达到170LM/W甚至更高,似乎高光效光源的出现会使灯具高效节能变得唾手可及!其实这是一种错误认识,如果没有高品质的光学系统与之相匹配,即使更高效的光源也会显得无济于事。光源光效提升固然是提高灯具能效的重要指标,但作为功能性照明,提高照明利用率才是照明节能的关键所在。

  首先大家都知道半导体材料发光原理是电子电流持续“填埋P穴”而引发的物理现象,所发出的光仅占到总动能的30%,70%则变成热散掉,提高光热转换效率意味着需改变半导体晶体结构,提升的空间有限。随着科技进步,量产芯片可达160~180LM/W(跨过了光热平衡点170LM/W)。然而令大家比较好奇的是,LED灯具光效为何无法做到与光源光效同步提升?(国家规定的一级能效标准也仅为130LM/W),光源光效提升对于灯具效能提升会带来哪些影响、具有哪些局限性?经研究发现,单颗LED在道路照明上其光通量无法单独成为光源;LED集成模块后因其所使用导热基板、热导移系统不同,其出光量并不等同于该集成模块LED总和,因此,光源光效并不等同于灯具光效。理论上,LED光源集成后发光光效可以远高于纳灯(灯珠在基板上呈聚阵式排列,排列越多光效会越高)但实际运用上却始终无法超越250瓦高压钠灯光效。因为LED光热同源的特性,当热量增大到一定规模会引发光衰而失效。目前二次配光技术尚无法解决因全反射光过多而导致的溢散光增加,从而降低照明效率难题。受LED光源技术条件限制,LED功能性照明应用范围存在较大局限性。目前在主干道或其它类似更宽泛照明场景中尚无恰当解决方案(采用双灯头不经济做法除外)。LED 单个管芯的出射光通量要满足不同等级道路的亮度需求和标准路灯的配光特性,需要多个LED单体的高度集成,并应突破因热阻大而引起的光衰等技术瓶颈。所以,探索多个LED单体集成技术,保持高光效、长寿命、安全可靠,是LED功能照明必须解决的应用难点。

  LED照明光热同源、指向性强、无漫射光发光特性决定了有效光组织之于光源光效利用与保护的重要性!对于功能性照明:光源光效、灯具效能、照明效率并非同一概念,在实际应用中,满足需求前提下应更加注重的是照明效率而非灯具效能。完全依靠加大灯具效能满足道路照度需求具有局限性(能效评级以灯具效能作为功能性照明分级标准也有待商榷)

  LED路灯已遍布大街小巷,现在很少有人再谈论LED路灯节能,因为通过替代传统高压钠灯我们已经分享到了节能红利。那么LED路灯真的达到尽善尽美,达到节能顶峰了吗?首先分析一下LED为什么会节能?2800左右色温的LED其光源光效 (100~120LM/w) 并没有明显的优于高压钠灯(100~120Lm/w)。LED应用于道路照明为什么会节能呢?(随着LED芯片技术不断进步,LED现阶段光效会更高一些,国家一级能效认定值为130LM/W,有厂家宣称已达150LM/W甚至170LM/W值得商榷)。高压钠灯发光特点,360度发光,落在路面上光通量有限,而LED单向发光指向性强,无漫射光特性,并且经过二次配光设计,更多的光是射向道路的,相同亮度LED消耗更少的功率,自然会更节能。目前,LED路灯功率密度0.45~0.65左右(各厂家色温、显指、配光水平不同会有所不同),而高压钠灯一般为0.9,LED比高压纳灯相同照度、相近色温平均节能约30%左右。

  以道路照明为例:道路照明的指向目标在于道路,适配的二次配光技术依据道路照明形态特点来设计,即可实现高效节能的可能性!

  B,路幅 : 灯杆高 : 灯距 = 1 : 1 : 3 (截光型灯具),形成一长方形被照射范围;

  道路因车流量与车速限制的不同而分不同等级,不同等级的道路有不同的亮度与均匀度的要求。

  首先,分析LED路灯节能评价指标:LED 光源光效(Lm/W)无法真正反映LED路灯的能效。单颗LED在道路照明上其光通量无法单独成为光源;LED集成模块后因其所使用导热基板、热导移系统不同,其出光量并不等同于该集成模块LED总和,因此,LED照明应注重的是灯具光通量而非光源光通量;应注重灯具光效而非光源光效。

  然而,灯具光效(Lm/W)并无法真正评价LED路灯的优劣。灯具光效是做为评估一般照明节能的一个重要指标,LED路灯做为功能性照明比一般照明多了个“二次配光” 参数,而二次配光越均匀其灯具光效越低;因此仅凭灯具光效难以评价LED路灯的优劣。由此,照明利用率(路面光通量/灯具光通量)做为关键评价指标被用来衡量LED路灯是否高效节能的关键所在!

  经过测试,反射式非对称二次配光比目前行业普遍采用的折射式二次配光在同照度指标环境条件下,同比节能近40%,同比替换高压钠灯节能80%以上(详见上海市能效中心能效对比报告)

  现将反射式与折射式两种不同二次配光方式特点做一简要对比,以支撑上述结论。

  运用反射式光学原理设计导光板的高度与角度,将LED所发出的光导到所预计的地方。反射式光学的优点在于,车行垂直方向配光曲线分布角度可精准设计,藉由两侧导光板可使光束分布角度涵盖路幅大一些,灯具效率高,照明利用率高,所以光学总利用率也高,适合灯杆高距比为3.5(含)以内。劣势则在于车行方向二次配光曲线与原LED一次配光曲线约相同,在灯杆高距比超过 3.5,要改变其车行方向的二次配光曲线,需将防水灯壳做成槽镜以增大其车行方向配光曲线的角度或采用自带纵向配光透镜光源来加大纵向出光角。

  折射式光学则是利用光波在不同介质(透镜)其行进方向不同的特性,控制LED光至不同地方。折射式光学的优点在,车行方向配光曲线分布很容易设计成最佳行车方向,配光曲线度。劣势则是路宽方向配光曲线分布角度较不易设计。若是为了设计出窄(涵盖路幅大一些)的配光曲线分布,则导致全反射光多,灯具效率较差,虽然照明利用率较高(因为出灯具窄的配光曲线分布光束大部分落在路面内),但是光学总利用率(灯具效率×照明利用率)还是偏低。为了提高灯具效率,因此设计须降低全反射光,所以设计出的路宽方向配光曲线分布角度宽,但是因为出灯具宽的配光曲线分布光束许多落在道路外,导致照明利用率较低,但是最后的光学总利用率(灯具效率*照明利用率)还是偏低。

  (3)通过两种二次配光方式对比,反射式(导光模组)较折射式(透镜)配光减少光通量损耗11%。除此之外,两种二次配光方式经不同形式光整形后(如图一所示,未经整形的光斑近似一组同心圆,经过光整形的光斑为偏隅一侧的矩形),其光通量有效利用率大不相同,反射式比折射式提高26%!光学总利用率更是有效提升近40%!(数据来源详见上海市建委科技成果课题验收书,《LED路灯研究报告》)。实际案例效果证明:通过屏蔽“溢散光”及“背光”可最大限度的根据路况需求,把灯具光通量均匀有效的聚焦在道路上,在降低输出功率的同时更减少了光污染,取得了一举两得事倍功半的效果。

  目前,国内外对LED功能性照明节能研究主要集中在光源光效提升以及低色温黄光LED研究上,鲜有关注通过立体控光,精准配光来解决能效提升及超高功率产品应用问题。纽约州特洛伊市照明研究中心(LLRC)研究主任NadarajahNarendran曾经说过,一支紧凑型荧光灯,如果搭配一套不合适的光学系统,就会损失高达70%的光输出。同样的,离开了正确的光学系统,LED那被热捧的效能也将不复存在。这一忠告再一次告诫照明从业者,光源光效提升,散热系统的改进尽管在某种程度上弥补了LED照明固有缺陷以及应用上存在的难题,但并未从根本上解决高功率照明产品高品质、乐虎国际长寿命、稳定可靠问题,只有进一步深入研究LED做为功能性照明所表现出的“散热即时性及透过配光实现光源光效利用率最大化”的深层次难题,才可以说从根本上实现了对传统照明的全面替代!

  光源光效提升凸显照明产业的进步,其更大意义在于,在应用层面上应更好的提升光源光效利用率以促进LED照明产品品质提升以及满足更大范围内的应用需求!与传统照明不同的是,半导体照明更加强调灯具组件系统架构的协同一致性,而非完全依赖光源本身!灯具系统作用发挥的好坏,决定产品质量的优劣。

  (1)、现在市场上绝大部份路灯都用单一透镜做配光。透镜多用于成像光学,如照像机,汽车尾灯等,透镜有一定厚度,光折射出来大慨损失11%的光通量,透镜如未根据实际路况做出精准的维度设计,则无法把折射出来的光均匀有效的压到路面上且光不受控(外溢光及背光),会有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“导光模组+透镜”组合来进行二次光学配光,会取得非常好的应用效果,光强分布均匀高效,利用率比单一釆用透镜提高40%,整灯光效利用率达85%以上!(详见附表一)

  (2)、现行路灯大多采用铝基板自带鳍片散热方式,按照热力学定律,结温与散热之间需要有导出过程以提高散热的即时性,否则极易引发光衰!我们釆用热管技术较好的解决了这一问题!做为大功率照明产品,在满足国家照明标准前提下,谁家功率低就一定是好产品,这是无庸置疑的!是由新型光源灯具各组件“协同一致”性质决定的(非刻意强调光源本身!),也契合半导体发光体材料“冷光源”这一物理特性,是LED照明区别传统光源照明的重要标志!

  (3)、满足使用需求、保持超长使用寿命不能做到“单位功率有效光通量最大化”似乎只是一厢情愿。只有用“确保实际照明指标前提下,最大限度降低输出功率”的理念来设计产品才是LED光源带给我们降本增效的最大启示与收获。LED大功率照明产品必须同时具备散热的即时性及透过配光实现光源光效利用率最大化这两大特点,强调系统架构各组件的协同一致性才会成为引领产业未来发展的根本出路!

  (4)、严格意义上讲,评价电子类产品是否节能已无必要,半导体设计确保技术参数冗余前提下,其功能性、适用性必须精准,且具有低时延、高转换率、低功耗三大特点,切不可以滥用能效,这是半导体材料性质决定的。随着智慧照明的不断发展,LED功能照明也必将融入智能管控体系。精准、高效、按需、低碳必将成为未来半导体照明科技主流方向!

  上海易永光电科技有限公司研制生产的“易耀”品牌LED高效节能路灯主要解决影响替代传统照明推广应用的两大技术难题,经实地对比测试可以得出结论:

  1、研究成果:现有绝大部分厂家生产的LED路灯产品(折射式)较传统光源高压钠灯平均节能约30%,节能效果差强人意。通过新技术运用(反射式)节能可提高到60%以上!(详见附表二,数据来源:来自网络上海某路段测试结果)

  2、设计思想:不仅关注光源光效,更关注整灯光效利用率!LED灯具特点:强调各光学系统组件的协同一致性而非过度关注光源本身!

  3、实现效果:单位功率有效光通最大化!合规照明标准前提下替换高压钠灯:相同照度节能61.7%,调光至国标上限值节能80.9%!平均照度,总均匀度,纵向均匀度,炫光,环境比等各项指标均达标(见上海市能效中心检测报告)

  4、配光技术:道路横断面方向(与行车垂直方向)通过导光模组进行非对称二次光学配光设计(除一次配光光源外,二次配光透镜+导光模组)导光模组可有效控制溢散光及背光,光分布更加均匀有效!(仅通过透镜造成全反射光过多且不可控)

  5、散热技术:LED结温不能有效释放进而易产生光衰,严重影响使用寿命,经过热管引导散热,增加散热瞬时性,确保管芯在适温条件下工作。

  通过两大关键技术成功实践可以最终得出结论:LED路灯品质好坏,节能大小取决于在相同路况条件下的效能对比。即:满足功能性照明标准前提下,谁家整灯功率消耗最小、瞬间散热最快,谁的品质最好,相应的节能水平最高,而并非完全取决于光源光效最高!这也契合了做为半导体光源材料“冷光源”的物理特性。设计理念应跳出为了节能而节能,而是根据LED光源耐热特点,设计一套精准配光与散热高度匹配的架构系统,确保适配功率路灯在既有路型上的全覆盖,这是未来道路照明节能改造发展的必然!

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