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摘要:针对电气照明节能的意义和基本要求,结合电光源、照明灯具以及照明节能控制器,论述了电气照明的节能技术并对照明节能结束的发展进行了展望。
关键词:电气照明;电光源;灯具;照明技能控制器;节能
1 引言
据了解,2006年我国总发电量为28344亿kWh,其中照明用电占到全社会用电总量的12%左右;随着我国城乡人民生活水平的不断提高,全国照明用电年增长率已达到16%左右。人们已经逐步认识到照明节电不仅节约资源、减少污染、保护环境,而且成为人类社会可持续发展的重要途径。因此,如何在满足高需求的基础上最大限度的节约能源就显得尤为重要。
2 照明节能实现的途径与研究现状
2.1 采用高效节能的电光源
据有关资料显示,用卤钨灯取代普通照明白炽灯可节电50-60%;用自镇流单端荧光灯取代白炽灯可节电70-80%;用三基色紧凑型荧光灯取代白炽灯和荧光灯的升级换代可节电70-90%。而大力推广高低压钠灯以及金属卤化物灯的应用也能在某种程度上达到节电的目的,本文将重点探讨发光二极管(LED)的应用。
2.1.1 发光二极管的原理
发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成,一层带过量的电子,另一层因缺乏电子而形成带正电的空穴,当有电流通过时,电子和空穴相互结合并释放出能量,从而辐射出光芒。
2.1.2 发光二极管的优点
(1)光效高 其光效目前可达80 lm/W,预计2025年可到200 lm/W,
光谱窄,单色性好,几乎所有发出的光都可直接利用。
(2)节能效果显著 1只11W的LED灯可相当于1只140W白炽灯的照度;1只120W的LED路灯可相当于400W传统高压钠灯的照度。
(3)光色多 可根据需要制作出多色组合和循环变色的艳丽灯饰。
(4)安全性高 使用直流低电压驱动,发光稳定;无污染,无频
闪,抗干扰能力强;无钨丝,抗震性好。
(5)寿命长 理论寿命可高达10万小时(预计),维护费用大大
减少,运行成本降低。
(6)响应快速 LED发光管响应时间短,可频繁亮灭,能按要求
保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换。
(7)LED接近点光源,便于灯具机构设计。
2.2 采用高效节能的照明灯具
目前照明产品提高性能的侧重点主要是光源,发展速度快,从白炽灯、汞灯、到现在的荧光灯、金属卤化物灯和高压钠灯,发展趋势
是LED;但是,灯具发展严重滞后,目前大量使用的是铝板灯具,只是在造型上有创新,照明性能没有大的突破。高效节能照明灯具的研发思路是在光源光效一定的情况下,如何提高光的利用效率、解决光的定向分布、长时间使用减少光的衰减、提高灯具的寿命。目前正努力通过利用光反射可控原理,优化设计,采用光学玻璃和光学镀膜技术制作灯具,取代铝板灯具。对于高光效灯具的基本要求如下:
(1)提高灯具效率 现在市场上有些灯具效率仅有 ,光源发出的光能,大部分被吸收,能量利用率太低。要提高效率,一方面要有科学的设计构思和先进的设计手段,运用计算机辅助设计来计算灯具的反射面和其他部分;另一方面要从反射罩材料、漫射罩和保护罩的材料等加以优化。
(2)提高灯具的光通维持率,从灯具的反射面、漫射面、保护罩格栅等的材料和表面处理上下功夫,使表面不易积尘、腐蚀,容易清扫,采取有效的防尘措施,有防尘、防水、密封要求的灯具,应经过试验达到规定的防护等级(IP等级)。
(3)提供配光合理、品种齐全的灯具,应该有多种配光的灯具,以适应不同体形的空间,不同使用要求(照度、均匀度、眩光限制等)的场所的需要。
(4)提供与新型高效光源配套、系列较完整的灯具。现在有一些灯具是借用类似光源的灯具,或者几种光源、几种尺寸的灯泡共用灯具。要达到高效率、高质量,应该按照光源的特性、尺寸专门设计配套的灯具,形成较完整的系列,提供使用。
2.3 采用照明节能控制器
用电子镇流器取代传统的高耗能电感镇流器是照明节能的重要措施,与传统的高耗能电感镇流器相比,电子镇流器具有以下优点:
(1)功率因数高 普通电感镇流器在0.5左右,而电子镇流器可达0.96 以上。
(2)发光效率高 电子镇流器是高频激励,光效高,一般电子镇流器为69 lm/W,而电感镇流器只有50 lm/W。
(3)无频闪 电感镇流器供电的灯管有50 周闪烁,而电子镇流器在超音频下工作,没有噪声,提高了环境的舒适感。
(4)启动快速可靠 使用电子镇流器,在低温/低压下,也可使灯管一次性快速可靠启动,延长灯管使用寿命。
(5)体积小、重量轻 电子镇流器由于没有铁心和线圈,重量只有电感镇流器的1/10 ,易实现整套灯具的轻量化。
(6)节点效果显著 一只36W 荧光灯的电感镇流器,由于自身铁心和线圈的铁损/铜损占总功率的20% ,功耗可达8W左右,而电子镇流器自身仅耗能1-2W。
(7)智能化程度高,可实现分布式调压/调光。
3 照明节能技术展望
3.1 照明电力电子技术之电子镇流器
目前国内在电子镇流器的研发工作上取得了一定进展,但仍存在许多问题,如功率因数、谐波含量、抗干扰能力、安全指标等还达不到要求;有些镇流器还影响灯的使用寿命。分析其原因主要有以下几个方面:
(1)对灯本身的物理特性了解不深,对灯的启动过程和正常工作状态缺乏系统的、科学的认识。忽视灯与电子镇流器匹配特性的研究与优化,线路整体设计不够科学。
(2)电路参数设计不尽合理,特别是对元器件特性掌握不深,元器件选择不合理,对其损坏/老化机理研究缺乏理论指导。
高频电子镇流器具有功耗小,光源光效高,发光稳定,无频闪,無噪声,有利节能和改善视觉效果等特点,是未来电子镇流器的发展重要趋势之一。高频电子镇流器将在进一步降低谐波量和电磁辐射、提高可靠性方面改进,逐步成为荧光灯的主要配套产品。
3.2 半导体照明技术之LED
随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世,继半导体技术引发微电子革命之后,又在孕育一场新的产业革命—照明革命,其标志是LED灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。
近年来,我国LED行业发展迅速,在国家政策的支持和下游应用需求的带动下,形成了较为完整的LED产业链体系。LED产业链包括上游的衬底、外延片和芯片,中游的封装以及下游的照明、显示和背光源等应用。从产业链各环节看,如今,LED照明已经超越背光源成为LED市场增长速度最快的应用市场。可以预见在不久的将来,公共道路,家庭照明将全部由LED代替。
4 结束语
照明节能可产生巨大的经济效益和社会效益。在我国发展和推广高效照明器具,节约照明用电,建立优质高效、经济、舒适、安全可靠、有益环境的同时改善人们生活质量、提高工作效率、保护人民身心健康的照明环境,以满足国民经济各部门和人民群众日益增长的需要。
关键词:电气照明;电光源;灯具;照明技能控制器;节能
1 引言
据了解,2006年我国总发电量为28344亿kWh,其中照明用电占到全社会用电总量的12%左右;随着我国城乡人民生活水平的不断提高,全国照明用电年增长率已达到16%左右。人们已经逐步认识到照明节电不仅节约资源、减少污染、保护环境,而且成为人类社会可持续发展的重要途径。因此,如何在满足高需求的基础上最大限度的节约能源就显得尤为重要。
2 照明节能实现的途径与研究现状
2.1 采用高效节能的电光源
据有关资料显示,用卤钨灯取代普通照明白炽灯可节电50-60%;用自镇流单端荧光灯取代白炽灯可节电70-80%;用三基色紧凑型荧光灯取代白炽灯和荧光灯的升级换代可节电70-90%。而大力推广高低压钠灯以及金属卤化物灯的应用也能在某种程度上达到节电的目的,本文将重点探讨发光二极管(LED)的应用。
2.1.1 发光二极管的原理
发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成,一层带过量的电子,另一层因缺乏电子而形成带正电的空穴,当有电流通过时,电子和空穴相互结合并释放出能量,从而辐射出光芒。
2.1.2 发光二极管的优点
(1)光效高 其光效目前可达80 lm/W,预计2025年可到200 lm/W,
光谱窄,单色性好,几乎所有发出的光都可直接利用。
(2)节能效果显著 1只11W的LED灯可相当于1只140W白炽灯的照度;1只120W的LED路灯可相当于400W传统高压钠灯的照度。
(3)光色多 可根据需要制作出多色组合和循环变色的艳丽灯饰。
(4)安全性高 使用直流低电压驱动,发光稳定;无污染,无频
闪,抗干扰能力强;无钨丝,抗震性好。
(5)寿命长 理论寿命可高达10万小时(预计),维护费用大大
减少,运行成本降低。
(6)响应快速 LED发光管响应时间短,可频繁亮灭,能按要求
保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换。
(7)LED接近点光源,便于灯具机构设计。
2.2 采用高效节能的照明灯具
目前照明产品提高性能的侧重点主要是光源,发展速度快,从白炽灯、汞灯、到现在的荧光灯、金属卤化物灯和高压钠灯,发展趋势
是LED;但是,灯具发展严重滞后,目前大量使用的是铝板灯具,只是在造型上有创新,照明性能没有大的突破。高效节能照明灯具的研发思路是在光源光效一定的情况下,如何提高光的利用效率、解决光的定向分布、长时间使用减少光的衰减、提高灯具的寿命。目前正努力通过利用光反射可控原理,优化设计,采用光学玻璃和光学镀膜技术制作灯具,取代铝板灯具。对于高光效灯具的基本要求如下:
(1)提高灯具效率 现在市场上有些灯具效率仅有 ,光源发出的光能,大部分被吸收,能量利用率太低。要提高效率,一方面要有科学的设计构思和先进的设计手段,运用计算机辅助设计来计算灯具的反射面和其他部分;另一方面要从反射罩材料、漫射罩和保护罩的材料等加以优化。
(2)提高灯具的光通维持率,从灯具的反射面、漫射面、保护罩格栅等的材料和表面处理上下功夫,使表面不易积尘、腐蚀,容易清扫,采取有效的防尘措施,有防尘、防水、密封要求的灯具,应经过试验达到规定的防护等级(IP等级)。
(3)提供配光合理、品种齐全的灯具,应该有多种配光的灯具,以适应不同体形的空间,不同使用要求(照度、均匀度、眩光限制等)的场所的需要。
(4)提供与新型高效光源配套、系列较完整的灯具。现在有一些灯具是借用类似光源的灯具,或者几种光源、几种尺寸的灯泡共用灯具。要达到高效率、高质量,应该按照光源的特性、尺寸专门设计配套的灯具,形成较完整的系列,提供使用。
2.3 采用照明节能控制器
用电子镇流器取代传统的高耗能电感镇流器是照明节能的重要措施,与传统的高耗能电感镇流器相比,电子镇流器具有以下优点:
(1)功率因数高 普通电感镇流器在0.5左右,而电子镇流器可达0.96 以上。
(2)发光效率高 电子镇流器是高频激励,光效高,一般电子镇流器为69 lm/W,而电感镇流器只有50 lm/W。
(3)无频闪 电感镇流器供电的灯管有50 周闪烁,而电子镇流器在超音频下工作,没有噪声,提高了环境的舒适感。
(4)启动快速可靠 使用电子镇流器,在低温/低压下,也可使灯管一次性快速可靠启动,延长灯管使用寿命。
(5)体积小、重量轻 电子镇流器由于没有铁心和线圈,重量只有电感镇流器的1/10 ,易实现整套灯具的轻量化。
(6)节点效果显著 一只36W 荧光灯的电感镇流器,由于自身铁心和线圈的铁损/铜损占总功率的20% ,功耗可达8W左右,而电子镇流器自身仅耗能1-2W。
(7)智能化程度高,可实现分布式调压/调光。
3 照明节能技术展望
3.1 照明电力电子技术之电子镇流器
目前国内在电子镇流器的研发工作上取得了一定进展,但仍存在许多问题,如功率因数、谐波含量、抗干扰能力、安全指标等还达不到要求;有些镇流器还影响灯的使用寿命。分析其原因主要有以下几个方面:
(1)对灯本身的物理特性了解不深,对灯的启动过程和正常工作状态缺乏系统的、科学的认识。忽视灯与电子镇流器匹配特性的研究与优化,线路整体设计不够科学。
(2)电路参数设计不尽合理,特别是对元器件特性掌握不深,元器件选择不合理,对其损坏/老化机理研究缺乏理论指导。
高频电子镇流器具有功耗小,光源光效高,发光稳定,无频闪,無噪声,有利节能和改善视觉效果等特点,是未来电子镇流器的发展重要趋势之一。高频电子镇流器将在进一步降低谐波量和电磁辐射、提高可靠性方面改进,逐步成为荧光灯的主要配套产品。
3.2 半导体照明技术之LED
随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世,继半导体技术引发微电子革命之后,又在孕育一场新的产业革命—照明革命,其标志是LED灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。
近年来,我国LED行业发展迅速,在国家政策的支持和下游应用需求的带动下,形成了较为完整的LED产业链体系。LED产业链包括上游的衬底、外延片和芯片,中游的封装以及下游的照明、显示和背光源等应用。从产业链各环节看,如今,LED照明已经超越背光源成为LED市场增长速度最快的应用市场。可以预见在不久的将来,公共道路,家庭照明将全部由LED代替。
4 结束语
照明节能可产生巨大的经济效益和社会效益。在我国发展和推广高效照明器具,节约照明用电,建立优质高效、经济、舒适、安全可靠、有益环境的同时改善人们生活质量、提高工作效率、保护人民身心健康的照明环境,以满足国民经济各部门和人民群众日益增长的需要。