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现代照明技术趋势

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现代照明技术趋势 现代照明技术
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1 现代照明技术 主讲老师:郭汉明 办公室: 光仪所404室 联系方式:13816150479 Email: [email protected] 2 是当今世界各国普遍 关注的三大社会问题 ,并直接影响到人类 社会的可持续发展。 人口、节能和保护环境 3 照明用电情况 我国照明用电大体占全国发电总量的13%。 目前已经达到每年3000多亿千瓦时,约为3个三峡 电站的总发电量,且不断增长。 4 绿色照明的定义 旨在节约能源和保护环境的照明的一种通俗而形 象的描述。 其内涵是选用光效高的优质节能的照明产品,再 用科学方法经精心的照明设计,从而创造出一个功 能合理、经济适用、节约能源、有利于提高人们生 产、工作、学习效率和生活质量,促进身心健康的 优良照明环境。 5 实施绿色照明的重要性 实施绿色照明是节能大计 Ø 据统计,1996~2005年全国绿色照明工程已累计节电590亿千 瓦时。 Ø 按照中国绿色照明工程的实施计划,2001~2010间将累计节 电1033亿千瓦时,实现照明节能10%。 实施绿色照明是节能大计 实施绿色照明是改善照明质量的大计 Ø 充分利用天然光,采用高效优质的照明电器产品,有利于 构建舒适、安全的光环境,提高人们的工作和生活质量。 6 光源的种类 7 各类光源 • 8 各类光源 • 9 各类光源 • 10 各类光源 • 11 现代传统照明采用光源: •白炽灯:效率低,15 lm/W •气体放电灯:效率高,平均75 lm/W,显色性差。 二十一世纪的崭新光源:LED,效率高,期望 达到200lm/W,其独特的技术优势其他光源无法 比拟。色彩范围可以覆盖色度坐标的80%~90% ,优于NTSC电视标准,显色性很高。利用三 基色原理,可以得到几乎全部色彩,色彩艳丽 ,在夜景照明中极为醒目。 •2010年,Cree公司,LED照明市场的领导者, 再次宣布业界最高水平的LED光效记录,白光 大功率LED光效已实现208lm/W(未量产)。 该研发成果是固态照明工业的一个重要里程碑 LED的技术优势 12 LED光源的主要优点 • 1、节节能环环保 Ø LED的发发光原理与白炽炽灯和气体放电电灯的发发光原理都不同 ; Ø LED光源的能量转转化效率非常高,理论论上可以达到白炽炽灯 10%的能耗; Ø LED相比荧荧光灯也可以达到50%的节节能效果。 Ø 节节能效果显显著,这对这对 能源十分紧张紧张 的中国来说说,无疑具 有十分重要的意义义。 Ø LED还还可以与太阳能电电池结结合起来应应用,节节能又环环保。 Ø 其本身不含有毒有害物质质(如:汞),避免了荧荧光灯管破 裂溢出汞的二次污污染,同时时又没有干扰辐扰辐 射。 13 LED光源的主要优点 • 2、寿命长 Ø LED是一种半导体二极管,它的寿命非常长。 Ø 当光通量衰减到80%时,其寿命达到了25000小时。而金属 卤化物灯的寿命在6000~12000小时,高压钠灯的寿命是 12000小时。 • 3、光色纯正 Ø 由于典型的LED的光谱范围都比较窄,不像白炽灯那样拥有 全光谱。因此,LED可以随意进行多样化的搭配组合,特别 适用于装饰等方面。 Ø 白光LED的光色比高压钠灯好。在中间视觉水平下,人眼在 高色温环境里比低色温环境更容易辨别事物。白光LED的显 色性也比高压钠灯好很多,高压钠灯的显色指数只有20右左 ,而白光LED可以达到65~80。 14 LED光源的主要优点 • 4、防潮、抗震动 Ø 由于LED的外部多采用环氧树脂来保护,所以密封性能和 抗冲击的性能都很好,不容易损坏。 Ø 它可以应用于水下照明。 • 5、LED能实现较完美的调光功能。 Ø 由于LED的工作范围较大,其光输出和工作电流成正比, 因此可以减小电流的方法来调光。 Ø 另外,由于LED进行频繁开关对其没有太大的损伤,LED 的调光还可以采用脉冲宽度调节的方法来得到,通过调节 电压的占空比和工作频率,能够有效调节LED的发光强度 。 • 6、低热量、小型化、响应时间短等 15 大功率LED光源的难点 Ø LED是嵌入照明器具中使用的,由于LED芯片的发热量大 ,在做成大功率灯具时遇到了困难。各公司目前正在努力 解决的课题之一就是“热”。 Ø 虽说发光效率越来越高,但LED芯片的发热量仍然很大。 如果不采取散热措施,LED芯片的温度就会过高、导致芯 片本身及封装树脂性能的恶化,从而最终引起发光效率的 降低和寿命的缩短。 Ø LED最重要的性能就是“长寿命”,为了不影响这一指标, 就需要设法将芯片上产生的热量散出去。 Ø 改善LED的发热问题是攻克大功率照明灯具的关键。 16 目前LED应用情况 • 目前国内LED较为成熟的应用领域为: Ø 建筑景观照明(市场规模约在2000亿元以上) Ø 大屏幕显示(市场规模达500亿元) Ø 交通信号灯(市场规模达100亿元以上) Ø 汽车照明(市场已超过100亿元) Ø 手机及数码相机等用小尺寸背光源(市场约20亿元), Ø 太阳能LED照明(国内太阳能LED照明产值超过300亿元), Ø 特种照明及军用等,其中建筑景观照明是我国LED最大的 应用领域。 17 目前LED应用情况 • 未来市场: Ø 中大尺寸LCD背光源(笔记本电脑、液晶显示器、液晶电 视(LCDTV)三大中大尺寸LCD面板,已被业界广泛认为 是继手机背光的成熟稳定应用后,LED背光正在进入的巨 大新兴市场。市场规模约在1000亿元以上) Ø 道路照明(我国用于城市道路照明的路灯存量2850万只, 年增量150-200万只,每盏LED路灯价格3500-5000元,需 要100-200只功率型白光LED,市场潜力巨大。 ) Ø 室内普通白光照明 18 科学使用 1.在夜景、标识、小光通照明方面,LED已经牢 固确立技术优势。 2.大光通照明方面,LED代表了技术方向,实际 应用还有很多具体问题: u性价比 u总体光效现在还不很高(目前可采购到的LED 的光效已达100lm/W) u光度分布与灯具效率 u灯具造型与传统审美观念 例子 LED道路照明的光学系统设计技术及 发展趋势 采用LED路灯的疑惑 1.LED的发光效率无法和高压钠灯相比; 2.LED路灯光色不够亮,穿透性不够; 3.LED的照射过于集中,其照射的均匀度差; 4.LED路灯的长期光衰严重,寿命不长; 5.LED路灯本身自重过重,不利于安装,防风; 6.LED色温太高,刺眼;而高压钠灯色温低,舒适,穿雾能 力强。 7.LED路灯只适用于灯杆在8米以下的次干道。主干路宜采 用低色温的高压钠灯。 8.LED路灯造价过高,无法普及; 城市道路照明的技术指标 与设计依据 城市道路照明系统追求的目标 • 城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例 ; • 以439亿kwh,平均电价0.65元/kwh计算,一年开 支285亿元。 城市道路照明系统追求的目标应该是:城市道路照明系统追求的目标应该是: 只求够亮,不求最亮!只求够亮,不求最亮! 衡量道路照明的技术指标 • 亮度分布的均匀性: 亮度均匀的路面可以减少驾驶者眼睛由于不断适应明暗变 化所起的疲劳感。 Uo(平均均匀度)=Imin/Iav U1(纵向均匀度)=Imin/Imax Imin-道路上最小亮度 Imax-道路上最大亮度 Iav -道路上平均亮度 路灯国家标准 25 术语解释 目前,快速路和主干道的照度规定值偏低,至少20lx以上。 路灯现状 • 高压钠灯 –光效 100lm/W (120lm/W) –主要用于主干道,快速路照明,照度25~50lx –单盏110~400W –均匀度0.35左右 • 节能灯 –光效 50~70lm/W ,主要用于庭院照明 道路照明光源的要求 1.高光效; –必须满足总光通量的要求; 2.长寿命; –要求能正常工作5年以上; 3.有利于形成照度与亮度均匀分布的光场; 4.耐候性; –温度、湿度、紫外辐射 传统路灯的技术参数 • 高压钠灯 –光效 100lm/W (120lm/W) –主要用于主干道,快速路照明,照度25~50lx –单盏110~400W –均匀度0.35左右 • 节能灯 –光效 50~70lm/W ,主要用于庭院照明 灯具系统的效率 光源效率 灯具效率 电 源 光 学 结 构 区 域 外 的 光 照明利用系数 要 求 照 明 区 域 LED路灯的优势-光学方面的优势 •发光立体角小; –传统路灯发光的立体角为4π; •近似点光源,便于二次光学系统的设计; •均匀度有望大大提高(0.7); •总的光效高; 高压钠灯高压钠灯80-120 lm/w80-120 lm/w 照明效果比较的对象:高压钠灯。绝非白炽灯! 路灯光源光通量的计算 高压钠灯(120lm/W) 道路等级快速路主干道次干道 光源功率(W)400250150 照射面积(m2)400350300 路面长度(m)403530 照度(lux)301510 区域内光通量(lm)1200052503000 光源总光通量(lm)480003000018000 系统效率 0.250.1750.167 路灯光源光通量的计算 LED光源(100lm/W) 道路等级快速路主干道次干道 照射面积(m2)400350250 区域内光通量(lm)1200052503000 系统效率0.70.70.7 最少需要光通量(lm)17143 7500 4286 需要LED功率(W)1727543 最理想的情况! LEDLED路灯的光学设计路灯的光学设计 1,传统城市照明光源面临的问题 • 显色指数很低(约为30) • 在点亮时温度很高,产生严重的眩光 • 寿命较短,需要经常进行价格不菲的维护作业 0510-5-10-15 5 10 15 20 30 25 照度 ( lux) 水平距离(米) 传统城市照明 光源 LED路灯面临的光学设计问题 • 常规LED远场分布具有的朗伯型特征 低端LED路灯存在的问题 • 基本没有光学处理单元,照明效果极差,节能 效果不显著 某一次干路(6车车道,24米宽宽)的现现有LED路灯实测实测 : 灯高10米,间间距30米 最高照度仅为仅为 14 lx,最低照度仅为仅为 0.8 lx,平均照度 仅为仅为 4.8 lx,均匀度仅为仅为 0.17。 IES(美国照明工程学会)Streetlight Distribution Patterns • These patterns are largely based on the light pattern created by existing street lighting fixtures • Most customers will want to keep these patterns because people are used to them Type IType IIType III Type IVType V 新型新型LEDLED路灯系统路灯系统 封装后的照度分布理论模拟图 在35米长10米宽的矩形区域上能达到70%以上的均匀度 透镜的效率达到了90%以上。 LED路灯工程实例 广东东莞莞龙路LED照明工程 LED路灯工程实例 广东东莞石龙1万多盏大功率LED路灯改造工程 5. 新型LED路灯与现有路灯的比较 常规路灯现有LED路灯新型LED路灯 测试条件 6车道,24米宽, 灯高12米, 间距35米。 6车道,24米宽, 灯高10米, 间距30米。 6车道,24米宽, 灯高12米, 间距35米。 路灯本身消耗功率 (W) 40072134 实际耗电功率(W) 50085158 稳定平均照度(lux) 20.64.8 (不满足要求)21 均匀度(Lmin/Lavg) 0.40.17(不满足要求) 0. 4 照明功耗密度 (W/m2) (路面稳定 平均照度20 lux) 1.160.43 新型LED路灯与现有路灯的比较 常规路灯现有LED路 灯 新型LED路灯 测试条件 6车道,24米宽, 灯高12米, 间距35米。 6车道,24米宽 , 灯高10米, 间距30米。 6车道,24米宽, 灯高12米, 间距35米。 照明功耗密度(W/m2) (按照路面稳定平均照 度30 lux来推算) 1.730.65 采购成本(元/盏) 作为基准在高压钠灯基准 的基础上增加约 3600元 每年所需电费(元) (计算依据:一天照明 10小时,每年365天 ,电费以1元/度计) 1825-577 当前我国LED照明产业存在问题 缺乏自主研发能力、缺乏行业标准、产品同质化严重、盲 目投资、专利和知识产权等。 影响其发展的众多因素中,技术问题是目前横在国内LED 企业面前的首要障碍。 然而国内几乎没有掌握LED核心技术的企业,大部分企业 处在中下游产业链; 上游产业链中只有少数国内企业,且生产异常艰难( LED 龙头三安光电,靠7.5亿政府补贴躲过亏损)。 行业技术进步缓慢,产品创新程度低,技术含量不够等导 致LED产业核心竞争力缺乏。 LED技术领先者 欧洲照明巨头飞利浦和欧司朗已于2000年前就斥巨资开始 了LED照明基础技术的研究。其中欧司朗在白光LED用荧 光材料方面一直具有领先优势 美国CREE、lumileds、bridgeLux等照明公司已牢牢的 掌握了LED芯片的核心技术。 日本在最高亮度LED的生产技术及封装所用高档荧光粉技 术方面居于世界领先地位,且日本对此实行技术封锁政策 。 而韩国和台湾地区由于拥有较为成熟的半导体制造和研发 技术,目前全世界70%的中高端LED芯片制造都在这个区 域完成。 “十二五”政策助力 LED照明技术 2010年10月26日,根据“十二五”国家863计划总体安排, 科技部网站发布《国家高技术研究发展计划(863计划) 新材料技术领域“高效半导体照明关键材料技术研发”重大 项目申请指南》。 指南称,研究开发高效节能、长寿命的半导体照明产品是 《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年) 》优先主题的重要内容。 项目着眼于提升我国半导体照明产业的国际核心竞争力和 自主创新能力,对实现我国照明节能、调整传统照明产业 结构及培育战略性新兴产业。 根据“十二五”规划,半导体照明工程到2015年芯片国产化 率将达70%,产业规模达到5000亿元,
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