固態(tài)照明(SSL)技術宣稱在能效方面取得了重大進步,能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度的節(jié)能效果。2005年有一篇研究文章《高能效照明技術》(Energy Efficient Lighting Technology Options)指出,美國每年在照明方面要用掉7650億度的電力。通過提高照明系統(tǒng)的能效,可以在很大程度上改善全國的用電狀況。
最近在波士頓召開的2007年度美國能源部(DOE)SSL能效研討會上,與會者了解到DOE已經(jīng)開始支持SSL照明裝置的推廣工作。目前兩項正在進行中的DOE研究項目包括制訂SSL照明裝置的能源之星(Energy Star)計劃性能目標,以及開發(fā)用于驗證SSL照明裝置性能的測試程序。這些項目仍處于規(guī)劃起草階段,讀者可以從www.em.avnet.com/lightspeed上下載有關資料。DOE之所以對SSL技術如此感興趣,是因為其他照明技術的能效幾乎都已達到了極限,而基于LED照明技術的能效有望在今后10年內(nèi)提高一到兩倍。
能效的數(shù)值表示
自從出現(xiàn)標準的白熾燈以來,我們一直根據(jù)光源消耗的功率(瓦特),而不是根據(jù)它們所產(chǎn)生的亮度來標定它們的能效。這種方法顯然是不合適的。隨著技術的進步,如果白熾燈繼續(xù)存在,那么白熾燈的包裝標識有望采用新的標定方法。在照明領域,點光源向各個方向發(fā)出的光的亮度通常用流明來表示。
光源的性能,即能效,可以用它的功率與它所產(chǎn)生的亮度二者的比值來衡量,用流明/瓦(lm/W)來表示。一只普通的Philips 60W磨砂白熾燈能夠產(chǎn)生890流明的亮度,因此該光源的能效就是15.8lm/W。
根據(jù)燈泡封裝類型的不同,照明裝置的實際性能可能會出現(xiàn)大幅度下降。例如,如果將一個標準白熾燈放在凹進式光源中,用一個反光鏡反射光源,那么由于反光鏡的損耗我們最終只能得到50%的照明效率。整個照明裝置的能效就變成了7.5lm/W。
對于其他類型的光源也可以采用類似的計算方法。但是,對于基于熒光燈、緊湊型熒光燈(CCFL)和LED的照明裝置,我們在計算時必須考慮鎮(zhèn)流器損耗和隔離直流-交流的恒流控制損耗。表1對比了各種照明光源的能效。接下來,我們來分析基于LED的照明裝置能效計算方法。
LED燈的能效計算
我們經(jīng)常能夠看到某些LED制造商聲稱又進一步提高了LED照明光源的lm/W性能。DOE制訂的研究計劃是將商用照明領域的SSL光源效率從當前的30lm/W提高到150lm/W以上。
根據(jù)當前SSL凹進式照明裝置的能源之星計劃草案,我們可以計算出利用現(xiàn)有的元件構成的SLL照明裝置的總體能效。對于孔徑略大于4英寸、相關色溫(CCT)為3000K的照明裝置,它的最小亮度為500lm,最小光源效率為35lm/W。
我們使用一種常見的暖白色LED燈作為照明光源的基本例子。該LED的額定指標為3000K CCT、350mA、3.8V的最大正向壓降。LED燈是按照亮度進行分類標識的,我們在這里選擇最小60lm@350mA的一部分。在測試條件下,LED結溫為25℃,電流脈沖作用時間為25ms。在實際工作過程中,LED的結溫將會根據(jù)照明器材的熱設計效果上升到某個穩(wěn)定值。對于任何LED而言,隨著溫度的上升,其產(chǎn)生的亮度就會下降。相比測試值,工作在60℃下的LED的亮度將會降低10%。這就意味著在穩(wěn)定工作狀態(tài)下LED實際產(chǎn)生的亮度大小為54lm。
要想獲得所需的照明亮度,我們至少需要10個這樣大小的LED,這里我們采用5個LED兩排并列的方式來實現(xiàn)。利用Light Tech公司的LED-18W直流700mA恒流源驅(qū)動器就能夠驅(qū)動兩排350mA的LED。它的能效為80%,可以產(chǎn)生24V的輸出電壓。
通過計算,10個工作在350mA、3.8V下的LED總功耗為13.3W。因此,該光源的能效就等于54lm×10(即540lm)除以總功耗,得41.5lm/W。
如果將驅(qū)動器的能效考慮在內(nèi),那么可以計算出最差情況下的能效為33.2lm/W。這一結果能夠滿足當前能源之星計劃的要求,接近于反射式CCFL照明燈的性能,但是仍然比白熾燈性能的四倍還要高。
千差萬別的LED
這個例子使用了一種亮度為60lm、電流為350mA、CCT值為3000K的暖色溫LED。已有多個LED廠商宣布推出了性能超過100lm@350mA的照明裝置。這些LED是冷白色的LED,CCT值為6500K,其中使用了多種混合熒光劑產(chǎn)生白色的光。
冷白色LED的性能在過去兩年內(nèi)已經(jīng)提高了一倍。如果暖白色LED的能效也有類似的性能提升,那么不久的將來我們就能夠看到具有80lm/W的暖白色LED。
在上述例子中,隔離型驅(qū)動器的選擇對于提高整個照明裝置的能效也發(fā)揮了重要作用。目前這是一個價格和性能二者之間的權衡選擇問題。線性驅(qū)動器的價格是最低的,但是其能效處于50%~60%的范圍之間。
開關式驅(qū)動器的能效是最高的,一般在80%~85%之間。要想實現(xiàn)更高的能效,就需要更復雜的電路,因此驅(qū)動器的成本也就更高。
圖1 首爾半導體公司的AN2212在4W、3000K色溫下能夠產(chǎn)生120lm的亮度
另外一個LED的實例是首爾半導體公司(www.zled.com)的Acriche EcoLight。這種LED不需要隔離功率轉(zhuǎn)換電路。如圖1所示的是AN2212,它在3000K色溫下能夠產(chǎn)生120lm的亮度、4W的功率,能效為30lm/W。單個AN2214的功率為2W,在3000K CCT下能夠產(chǎn)生65lm的亮度。在忽略熱損耗的情況下,這種器件的光源效率為 32.5lm/W,其關鍵技術是在一個管芯上集成大量的發(fā)光單元,壽命可達30000小時。