LED效率 [关于LED普通照明系统效率问题的思考]

来源:党团工作 发布时间:2019-04-02 06:30:06 点击:

  个人简介: 1988年从浙江大学光仪系硕士毕业。现任复旦大学电光源研究所所长、光源与照明工程系系主任,社会兼职包括国际电光源委员会常务理事、国家863重大项目半导体照明工程总体专家组成员、中国照明电器协会常务理事、中国照明学会理事及学术委员会副主任、上海照明学会副理事长及学术委员会主任、上海照明电器协会副会长、中国照明电器杂志编委会副主任等。
  
   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。
  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90-100 lm/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。
  关于系统光效
  所谓发光效率(简称光效) ,指的是灯具出射光通量与光源所消耗的电功率之比: ,其中的单位是。
  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。
  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)。
  
  光源光效 = 总光通量/总功率;
  灯具效率 = 灯具出射光通量/光源光通量;
  光利用率 = 要求被照明的有效面积内的光通量/光源光通量。
  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。
  光源光效
  首先,分析一下光源光效。
  光源光效可表示为:
  
  其中,驱动器效率,指驱动电路镇流器上的损耗;光辐射效率,对应光源的发热损耗;辐射光谱中可见光百分比,指明了红外、紫外损失;辐射光效,是人眼时间函数加权比
  表1列出了各种光源的光效,并进行了比较和分析。
  由表1可见:当前LED的绝对光效约为90-100 lm/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355 lm/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。
  光利用率
  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。
  图2所示的是一个LED照明系统。光源发出的光经过灯具调制后投射在目标照明区域上。照明系统出射的是一个圆形光斑,而用户需要照亮的是一个矩形区域。
  
  由前面的分析,可得:
  光源光效=1000/15=67lm/W,
  灯具效率=650/1000=65%,
  光利用率=450/1000=45%。
  所以该照明系统的光效=光源光效*光利用率=67*45%=30lm/W。
  LED照明系统光效
  LED照明系统往往由光源、镇流器或驱动电路、光学透镜或反光杯、以及其他部分组成。所以系统光效,是光源所发出的光通量,光学效率(即光利用率),和电学效率的乘积:
  
  对于LED,光源光效是内量子效率、出光效率和辐射效率K的乘积,所以:
  
  表2出了各部分效率的当前大概情况。从此可以看出当前LED进入普通照明我们所需努力的方向。
  除了光源光效之外,我们还可以通过提高驱动器效率和光利用率来提高整个照明系统的光效。
  首先,从驱动方面来说。LED光源需要恒流驱动,驱动器的效率会影响灯具的总效率。因此,好的LED驱动器设计不仅需要满足特定的电学要求,而且应当具有尽可能高的效率。常用的LED恒流驱动器有Buck、Boost及Buck-Boost等拓扑结构。
  另外,光学设计也非常重要。LED体积小,接近理论上的“点光源”,这点对灯具设计师设计光学系统的时候非常有利,可以精确地定位发光点,解决了光源的隐蔽和最终灯具的多样化问题。另外接近点光源的LED给灯具的配光创造了无限的空间,包括高效率的LED灯具与特种配光应用。
  
  LED照明系统光学设计
  
  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。
  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。
  具体实现方法分为(如图3):
  
  A) 按光学元件分类:
  (1)、LED+反光杯
  (2)、LED+透镜
  (3)、LED+反光杯+透镜
  B) 按投射方式分类:
  (1)、单个LED模块投照
  (2)、多个LED模块分区域投照
  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。
  
  LED散热问题
  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。
  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1 Watts,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:
  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。
  
  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。
  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:
  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。
  
  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。
  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。
  
  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。
  普通照明用LED器件的思考
  
  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?
  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。
  文章最后,我们对LED产业及产品的发展方向做个分析:
  (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?
  
  答案1:多个紧密排列的LED封装不是合适的方向。
  1LED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;
  2紧密排列的LED将增加散热难度;
  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;
  4紧密排列的多颗LED会增加眩光。
  
  答案2:实用型的单颗LED不是功率越大越好。
  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;
  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;
  3当然,也不是功率越小越好,以光效高兼顾总光通量为准。
  
  答案3:分散排列的多颗LED组合是更合理的普通照明应用。
  这样一来,灯具总尺寸将更小,灯具光利用率将更高。
  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。
  (2)LED产业在中国具有广阔前景
  首先、中国有完整的照明产业链;
  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。
  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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