关于LED普通照明系统效率问题的思考.docx
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关于LED普通照明系统效率问题的思考
随着世界经济的高速增长,全球能源短缺越来越严重。
而在总的能源消耗量中,照明用电占了约20%的份额,并且还在不断增长。
因此,对普通照明的光源来说,光效是最重要的指标之一。
随着世界经济的高速增长,全球能源短缺越来越严重。
而在总的能源消耗量中,照明用电占了约20%的份额,并且还在不断增长。
因此,对普通照明的光源来说,光效是最重要的指标之一。
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而照明系统光效取决于光源,光学透镜或反光杯,以及镇流器或驱动电路。
在各种新光源中,最受瞩目的就是半导体发光二极管(LED)。
尤其是白光LED,它在光效(理论光效350lm/W)和寿命方面具备一般光源所无法比拟的潜在优点,并且面临突破的可能。
LED广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、装饰性灯等领域。
其中,最有潜力的应用当属大规模的通用照明应用。
然而,目前LED依然价格偏高,成本因素制约了大功率LED的广泛推广应用。
同时,大功率白光LED的现有光效约为90-100lm/W,与传统光源相比节能并不明显。
除了提高LED光效以外,我们还可通过光学和电学设计来提高LED照明系统的效率。
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关于系统光效
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光效高,对于国家来说意味着节能节电,对于用户来说意味着省钱,即同样照度可以用较低瓦数的光源实现。
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事实上,用户关心的是照射在实际需要照射到的面积(空间)的照度。
因此,与照明系统效率相关的概念有:
光源光效、灯具效率和光利用率(如图1)。
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光源光效=总光通量/总功率;
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灯具效率=灯具出射光通量/光源光通量;
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光利用率=要求被照明的有效面积内的光通量/光源光通量。
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因此,照明系统的效率为:
系统光效=光源效率X光利用率=驱动器效率X光效X光利用率。
由于驱动器效率一般为90%左右,各类光源差别不大,故本文主要针对光效和光利用率展开分析和讨论。
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光源光效
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首先,分析一下光源光效。
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光源光效可表示为:
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由表1可见:
当前LED的绝对光效约为90-100lm/W,比高压钠灯、金卤灯、荧光灯等略低。
但是高压钠灯、金卤灯、荧光灯等光源的光效提高难度较大,而LED的潜力巨大,其理论光效为355lm/W.由于现有技术和工艺水平的限制,LED难以达到理论光效值。
但近年来LED的光效已在快速提高,如已有报道160lm/W以上的实验室数据及130lm/W以上的市场产品。
可以预见,从光效的角度,LED将对现有的其它光源形成很大的挑战。
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光利用率
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该部分将通过一个照明系统的例子,来分析系统的光利用率。
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由表1可见:
当前LED的绝对光效约为90-100lm/W,比高压钠灯、金卤灯、荧光灯等略低。
但是高压钠灯、金卤灯、荧光灯等光源的光效提高难度较大,而LED的潜力巨大,其理论光效为355lm/W.由于现有技术和工艺水平的限制,LED难以达到理论光效值。
但近年来LED的光效已在快速提高,如已有报道160lm/W以上的实验室数据及130lm/W以上的市场产品。
可以预见,从光效的角度,LED将对现有的其它光源形成很大的挑战。
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光利用率
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该部分将通过一个照明系统的例子,来分析系统的光利用率。
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LED照明系统光学设计
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传统光源的灯具利用效率较低,这是由于以下这两个原因造成的:
1四面发光,部分光被光源本身挡住;2发光点大,不易做光学设计,灯具效率不高,且出射光斑不会与要求的有效照射面重合而会浪费部分光;在不同的应用下传统光源的光利用率也不同。
相反的,LED的光利用率较高,我们从理论模拟可达到90%.所以,合理的光学设计对LED的应用非常重要。
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商品化的白光LED具有内置的反射器和封装树脂透镜等,这已经形成了一次光学系统,使得其光输出具有固定的方式。
二次光学设计是提高灯具的有效光利用率的必要途径。
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具体实现方法分为(如图3):
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A)按光学元件分类:
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(1)、LED+反光杯
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(2)、LED+透镜
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(3)、LED+反光杯+透镜
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B)按投射方式分类:
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(1)、单个LED模块投照
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(2)、多个LED模块分区域投照
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图4是一个LED路灯用光学软件tracepro模拟后得到的光斑。
这是一个道路照明较好的灯具方式。
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LED散热问题
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LED属于半导体发光器件。
我们都知道,对于半导体器件,随着温度的变化,其特性会有明显的变化。
对于LED,尤其是大功率LED,结温的升高会导致器件各方面性能的变化与衰减。
当大功率LED用于照明,特别是普通照明领域时,我们必须控制结温的升高。
随着半导体工艺和技术的进步,在实验室中LED的光效已经达到150lm/W,光电装换效率为20%~30%,这意味着输入的电能有70-80%都装换成了热,从而导致LED温度上升。
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结温的上升取决于器件的热阻、封装,以及灯具的热沉。
因为普通照明用LED的功率往往超过1Watts,所以散热问题变得极为重要。
对于LED来说,结温过高将对器件带来一系列不利影响,这些影响主要体现在三个方面:
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首先,结温过高将减少LED的外量子效率,从而加速光源的光衰。
一般来说,随着温度升高,LED的光输出减少,不同类型的LED衰减也各有不同。
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图6是在我们实验室里测得的光输出随环境温度变化曲线。
我们选用不同厂家的8个LED作为样品:
1-4号的功率2为0.06W,5-8号为1W.样品分别在3个温度(-40°,25°,70°)下点亮。
经过3小时的点灯稳定时间,测量输出光通量和相对光谱能量分布。
由实验结果可以得到:
光通量对环境温度(事实上是结温)的变化相当敏感,尤其是大功率LED。
中国照明网技术论文·LED照明其次,结温过高将导致LED发出光的主波长的偏移,这将导致两个后果:
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1、导致荧光粉与输出光失配,从而导致光输出下降。
图7给出了YAG荧光粉的光谱响应。
YAG荧光粉是白光LED中最普遍使用的荧光粉。
可以看出:
波长大于370nm时,激发光谱的响应效率将随波长增大而下降。
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2、导致输出光的颜色和色温的漂移,这两项都是普通照明的重要指标。
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最后,结温过高将加快器件的老化,减短器件的寿命。
图8和图9分别给出了市场上常见的某型号LED的期望寿命(B50,L70,即50%的灯光输出下降到70%)随结温和灯壳温度的变化情况。
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综上所述,可以看出:
对普通照明用LED来说,散热设计极为重要。
当我们评估LED普通照明系统,计算系统光效和光通量时,必须考虑结温的影响。
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普通照明用LED器件的思考
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产业的发展是市场需求决定的,然后技术可行性对市场需求所决定的方向进行修正。
也就是说,市场的需求对产业的发展提供了方向,但是具体由何种途径,何种方式达到这个方向,则是由技术决定的。
打个比喻:
如果对产业发展方向进行一次投票的话,市场需求对某一方向有投赞成票的权利,而技术对某一方向有投反对票的权利。
因此,在思考LED用于普通照明产业的方向时必须要考虑:
普通照明需要什么?
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我们知道,普通照明需要的是高光效的照明系统,所以光效是LED照明系统重要的指标。
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文章最后,我们对LED产业及产品的发展方向做个分析:
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(1)假如若干年后商业化的LED的光效达到150lm/W~200lm/W,LED及其灯具(应用)会是怎样?
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答案1:
多个紧密排列的LED封装不是合适的方向。
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1、LED灯具的主要尺寸是散热器,紧密排列的LED并不能减少灯具的尺寸;
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2、紧密排列的LED将增加散热难度;
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3、与单颗LED相比,紧密排列的LED比单颗LED发光点大,增加光学设计的难度;
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4、紧密排列的多颗LED会增加眩光。
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答案2:
实用型的单颗LED不是功率越大越好。
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1、只要LED没从机理上解决温度升高出光减少的问题,而大功率的芯片比小功率的芯片散热更难;
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2、大功率的芯片如果需要加大芯片的尺寸进而发光点加大的话,它将增加光学设计的难度;
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3、当然,也不是功率越小越好,以光效高兼顾总光通量为准。
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答案3:
分散排列的多颗LED组合是更合理的普通照明应用。
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这样一来,灯具总尺寸将更小,灯具光利用率将更高。
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以上三点,是建立在LED光效在现有基础上进一步提高,但离理论光效仍然有较大距离的基础上分析的。
如果光效达到或接近理论光效如80%以上,以上分析将被部分颠覆。
因为,这时候散热将不是问题,即只有20%的能量需要散热。
但小尺寸有利于光效的分析基础还在的。
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(2)LED产业在中国具有广阔前景
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首先、中国有完整的照明产业链;
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其次、LED的应用如果以多颗组合时,组合的多样性产生了产品的多样性,多样性的产品对中国制造更加有利,这点CFL主要由中国生产就是一个佐证。
因此,可以预计,中国将继续成为LED灯具的大国。
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再者、上游(芯片,外延片)国际领先企业将进驻中国。
中国进行上游的研发将加速这种过程。
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