摘要:LED照明近年来发展非常迅速,但其与传统光源相比,有着自身的特殊性。本文从系统光效、光学设计、散热以及光色的选择上着重分析了LED灯具在设计和使用过程中如何能发挥其最大光学效能,从而达到节能的目的。
关键词:光效;系统光效;光学设计;散热;结温
随着全球变暖的日益严重,/哥本哈根气候大会0成为了全球关注的焦点,节能减排已成为时代的主题,是各国人民和政府必须应对的一个重大课题。照明用电约占12%的能源消耗,而且这一比例仍在增加。在目前新型的节能光源中,LED成为万众瞩目的焦点,尤其是白光LED,它的理论光效可达到350lm/W[1],和一般光源相比有着明显的优势。目前市场上批量生产的LED光源光效已达到120lm/W(25e),实验室光效也达到了150lm/W。由于LED自身的特殊性,在产品设计中,如何用尽其能,充分发挥产品自身能效,需要从系统光电效率以及光学设计入手,考虑产品的实际使用场所,使产品与环境相匹配。
1 LED灯具照明系统分析
评价灯具是否节能,要看目标照明区域在满足标准要求的照度条件下,系统实际所消耗的电能,消耗的电能越少,则说明这个灯具越节能。从电网输入到灯具的电能到人眼感受到的光亮度,整个照明系统的各个中间环节对于灯具的节能效果都有着影响。对于LED灯具来说,系统光效越高,则说明越节能,灯具出射光线利用率越高,越节能。相关概念之间的关系如图1所示[2]。
1.1 系统光效
系统光效G系统是指灯具岀射的光通量5灯具与系统总功率P总之比,即:
G系统=5灯具/P总
系统光效越高,说明灯具越节能,或者说用户在得到相同照度的情况下消耗了较少的电能。
具体来说,LED灯具照明系统通常由光源、驱动电路、二次透镜或反光杯以及其他部分组成。灯具光通量5灯具主要由光源、二次透镜或反光杯以及灯具透光罩决定。它们之间的关系可表示为:
灯具光通量5灯具=裸光源的光通量@二次透镜的透光率@灯具透光罩的透光率,实际消耗电能由灯具消耗的总功率和线路传输过程中的消耗组成,线路消耗由功率因素决定,输入功率又由光源功率和电源功耗组成,它们之间的关系可表示为:
实际消耗电能P总=电源输入功率/电源功率因素,其中:电源输入功率=电源功耗+光源功率.
从上述关系式中可以看到,光源、二次透镜、灯具透光罩、驱动电源都对最终的系统光效有着直接的影响,因此在开发LED灯具过程中需要掌握相关的具体参数,提高产品的系统光效。
1.2 光学设计
从图1中可以看到,被照面A最后所接收到的实际光通量,取决于灯具的光学系统,其中最重要的两个要素是光学器件的材料透光率和配光曲线。减少光通量在辐射过程中的损失,提高光线的利用率对于节能非常重要。
对于材料的透光率,这个主要取决于材质的选择,如LED的二次透镜,目前市场上材料多为PM-MA、PC及玻璃,在具体材料规格的选择上应尽可能采用高透光的光学级材料;在透镜结构的设计中,注意尽量减少光的反射。
配光设计是灯具设计的核心。在配光设计过程中应明确灯具使用场所的定位,针对目标照明面积来设计灯具的光强角。图2是熊猫照明公司针对隧道单向双车道而设计的一款隧道灯具的配光曲线软件模拟图。矩形的照明区域宽度与路面宽度对应,提高了光线在被照面上的利用率。
1.3 散热与相对光通量
LED属于半导体发光器件,其特性会随着温度的变化发生明显的变化。通常LED的标称光效为实验室环境25e脉冲时间20ms下的光效,工作状态下,随着pn结温度的升高,光效则会迅速下降,因此散热,降低pn结温度对LED光通量的维持非常重要。图3为美国CREE公司的XR-E系列产品的结温与相对光通量的关系[3]。从图3中可以看出,LED的光通量对温度非常敏感,尤其是大功率白光LED,比蓝光和绿光下降的更快。此外温度的升高,还会加速荧光粉的老化,引起LED光色的偏移。所以散热设计极为重要。保持LED光通量的稳定输出,才能达到节能的目的。
2 光色与节能
由亮度的定义可知,当所研究的被照面A和给定方向的立体角8内辐射的光通量均匀时,并且被照面A和立体角8大小一定与方向固定时,亮度L与光通量成正比关系,在上述一定条件下,辐射光通量越大,亮度越大。被照面A的辐射光通量,可由光源的光谱辐射通量、被照面的光谱反射比、人眼的光谱光视效率函数对可见光范围积分求得。光源相对于被照面A的反射光效率就是被照面反射的光通量与光源消耗的电功率之比,即GA,S: GA,S=KmQ7803805e(K)Q(K)V(K)dK/W式中,GA,S为光源S对被照面A的反射光效率;Km为最大光谱光视效能,在明视觉时为683lm/W;5e(K)为光源S的光谱辐射通量;Q(K)为被照面A的光谱反射比;W为光源的功率;V(K)为明视觉下光谱光视效率。
光源相对于被照面的反射光效率反映了光源与被照面的匹配程度,值越大匹配程度越好,照亮被照面所需光源功率越低,越节能。
对于深色被照面如深红色,深绿色、深蓝色等其表面反射率较低,要照亮这类被照面将耗费比照亮浅颜色的被照面较多的电功率。因此为了节能,在选择LED的色温时,暖色调的被照面宜选择色温较低的暖色色温,而颜色较深的被照面,宜选择较高的色温。
3 结束语
通个以上分析,为了充分发挥LED灯具节能效果,在设计中应从以下几个方面考虑:
(1)提高LED的光学器件的材料透光率,减少光通量在辐射过程中的损失;
(2)提高光线的利用率;
(3)提高电源的功率因素和电源的效率;
(4)充分利用人们的视角特性和光的物理特性选择LED色温;
5)充分考虑LED颗粒的散热,提高LED光效。
LED光源正在普通照明领域中崛起,越来越多的照明企业开始研发LED灯具,LED照明应用已列入国家863计划,目标是使整个灯具的系统光效\80lm/W,系统热阻[9e/W,正常点亮时结温温升[25e/W,工作寿命\50000h(光通量下降到初始值的70%)。为了实现这一目标,必须在LED灯具设计过程中充分地挖掘系统光效的提升潜力,认真把握每一个环节,使其效能最大化的利用到实际的照明环境当中。