固态照明的能效问题

固态照明的能效问题

　　固态照明（SSL）技术宣称在能效方面取得了重大进步，能够实现大幅度的节能效果。2005年有一篇研究文章《高能效照明技术》（Energy Efficient Lighting Technology Options）指出，美国每年在照明方面要用掉7650亿度的电力。通过提高照明系统的能效，可以在很大程度上改善全国的用电状况。

　　最近在波士顿召开的2007年度美国能源部（DOE）SSL能效研讨会上，与会者了解到DOE已经开始支持SSL照明装置的推广工作。目前两项正在进行中的DOE研究项目包括制订SSL照明装置的能源之星（Energy Star）计划性能目标，以及开发用于验证SSL照明装置性能的测试程序。这些项目仍处于规划起草阶段，读者可以从www.em.avnet.com/lightspeed上下载有关资料。DOE之所以对SSL技术如此感兴趣，是因为其他照明技术的能效几乎都已达到了极限，而基于LED照明技术的能效有望在今后10年内提高一到两倍。

　　能效的数值表示

　　自从出现标准的白炽灯以来，我们一直根据光源消耗的功率（瓦特），而不是根据它们所产生的亮度来标定它们的能效。这种 方法显然是不合适的。随着技术的进步，如果白炽灯继续存在，那么白炽灯的包装标识有望采用新的标定方法。在照明领域，点光源向各个方向发出的光的亮度通常用流明来表示。

　　光源的性能，即能效，可以用它的功率与它所产生的亮度二者的比值来衡量，用流明/瓦（lm/W）来表示。一只普通的Philips 60W磨砂白炽灯能够产生890流明的亮度，因此该光源的能效就是15.8lm/W。

　　根据灯泡封装类型的不同，照明装置的实际性能可能会出现大幅度下降。例如，如果将一个标准白炽灯放在凹进式光源中，用一个反光镜反射光源，那么由于反光镜的损耗我们最终只能得到50%的照明效率。整个照明装置的能效就变成了7.5lm/W。

　　对于其他类型的光源也可以采用类似的计算方法。但是，对于基于荧光灯、紧凑型荧光灯（CCFL）和LED的照明装置，我们在计算时必须考虑镇流器损耗和隔离直流-交流的恒流控制损耗。表1对比了各种照明光源的能效。接下来，我们来分析基于LED的照明装置能效计算方法。

　　LED灯的能效计算

　　我们经常能够看到某些LED制造商声称又进一步提高了LED照明光源的lm/W性能。DOE制订的研究计划是将商用照明领域的SSL光源效率从当前的30lm/W提高到150lm/W以上。

　　根据当前SSL凹进式照明装置的能源之星计划草案，我们可以计算出利用现有的元件构成的SLL照明装置的总体能效。对于孔径略大于4英寸、相关色温（CCT）为3000K的照明装置，它的最小亮度为500lm，最小光源效率为35lm/W。

　　我们使用一种常见的暖白色LED灯作为照明光源的基本例子。该LED的额定指标为3000K CCT、350mA、3.8V的最大正向压降。LED灯是按照亮度进行分类标识的，我们在这里选择最小60lm@350mA的一部分。在测试条件下，LED结温为25℃，电流脉冲作用时间为25ms。在实际工作过程中，LED的结温将会根据照明器材的热设计效果上升到某个稳定值。对于任何LED而言，随着温度的上升，其产生的亮度就会下降。相比测试值，工作在60℃下的LED的亮度将会降低10%。这就意味着在稳定工作状态下LED实际产生的亮度大小为54lm。

　　要想获得所需的照明亮度，我们至少需要10个这样大小的LED，这里我们采用5个LED两排并列的方式来实现。利用Light Tech公司的LED-18W直流700mA恒流源驱动器就能够驱动两排350mA的LED。它的能效为80%，可以产生24V的输出电压。

　　通过计算，10个工作在350mA、3.8V下的LED总功耗为13.3W。因此，该光源的能效就等于54lm×10（即540lm）除以总功耗，得41.5lm/W。

　　如果将驱动器的能效考虑在内，那么可以计算出最差情况下的能效为33.2lm/W。这一结果能够满足当前能源之星计划的要求，接近于反射式CCFL照明灯的性能，但是仍然比白炽灯性能的四倍还要高。

　　千差万别的LED

　　这个例子使用了一种亮度为60lm、电流为350mA、CCT值为3000K的暖色温LED。已有多个LED厂商宣布推出了性能超过100lm@350mA的照明装置。这些LED是冷白色的LED，CCT值为6500K，其中使用了多种混合荧光剂产生白色的光。

　　冷白色LED的性能在过去两年内已经提高了一倍。如果暖白色LED的能效也有类似的性能提升，那么不久的将来我们就能够看到具有80lm/W的暖白色LED。

　　在上述例子中，隔离型驱动器的选择对于提高整个照明装置的能效也发挥了重要作用。目前这是一个价格和性能二者之间的权衡选择问题。线性驱动器的价格是最低的，但是其能效处于50%～60%的范围之间。

　　开关式驱动器的能效是最高的，一般在80%～85%之间。要想实现更高的能效，就需要更复杂的电路，因此驱动器的成本也就更高。

图1 首尔半导体公司的AN2212在4W、3000K色温下能够产生120lm的亮度

　　另外一个LED的实例是首尔半导体公司(www.zled.com)的Acriche EcoLight。这种LED不需要隔离功率转换电路。如图1所示的是AN2212，它在3000K色温下能够产生120lm的亮度、4W的功率，能效为30lm/W。单个AN2214的功率为2W，在3000K CCT下能够产生65lm的亮度。在忽略热损耗的情况下，这种器件的光源效率为 32.5lm/W，其关键技术是在一个管芯上集成大量的发光单元，寿命可达30000小时。