第01讲 现代照明技术趋势

60191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：13816150479Email:[e-mail]60192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60193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。60194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。60195实施绿色照明的重要性实施绿色照明是节能大计据统计，1996~2005年全国绿色照明工程已累计节电590亿千瓦时。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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。60196光源的种类60197各类光源60198各类光源60199各类光源601910各类光源601911现代传统照明采用光源：•白炽灯：效率低，15lm/W•气体放电灯:效率高，平均75lm/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601912LED光源的主要优点1、节能环保LED的发光原理与白炽灯和气体放电灯的发光原理都不同；LED光源的能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗；LED相比荧光灯也可以达到50%的节能效果。节能效果显著，这对能源十分紧张的中国来说，无疑具有十分重要的意义。LED还可以与太阳能电池结合起来应用，节能又环保。其本身不含有毒有害物质（如：汞），避免了荧光灯管破裂溢出汞的二次污染，同时又没有干扰辐射。601913LED光源的主要优点2、寿命长LED是一种半导体二极管，它的寿命非常长。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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。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。601914LED光源的主要优点4、防潮、抗震动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。它可以应用于水下照明。5、LED能实现较完美的调光功能。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。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601915大功率LED光源的难点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”。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。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。改善LED的发热问题是攻克大功率照明灯具的关键。601916目前LED应用情况目前国内LED较为成熟的应用领域为：建筑景观照明（市场规模约在2000亿元以上）大屏幕显示（市场规模达500亿元）交通信号灯（市场规模达100亿元以上）汽车照明(市场已超过100亿元)手机及数码相机等用小尺寸背光源(市场约20亿元)，太阳能LED照明(国内太阳能LED照明产值超过300亿元)，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。601917目前LED应用情况未来市场：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）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。）室内普通白光照明601918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：性价比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)光度分布与灯具效率灯具造型与传统审美观念6019例子LED道路照明的光学系统设计技术及发展趋势6019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；6019城市道路照明的技术指标与设计依据6019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：只求够亮，不求最亮！6019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/IavU1（纵向均匀度）＝Imin/ImaxImin－道路上最小亮度Imax－道路上最大亮度Iav－道路上平均亮度6019路灯国家标准平均亮度均匀度平均照度均匀度Lav(Cd/㎡)Lmin/LavEav(Lx)Emin/Eav支路Ⅳ眩光限制级别道路类型照度好不宜采用非截光型0.350.30.3快速路Ⅰ很好很好1.50.420好严禁采用非截光型灯具0.4诱导性亮度0.50.35次干路ⅡⅢ主干路及迎宾路8严禁采用非截光型灯具0.3510.3515不得采用非截光型灯具0.35601925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。6019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6019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6019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6019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6019LED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80-120lm/w照明效果比较的对象：高压钠灯。绝非白炽灯！6019LED路灯的光学设计60191，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0510-5-10-1551015203025照度(lux)水平距离(米)传统城市照明光源6019LED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6019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车道，24米宽)的现有LED路灯实测：灯高10米，间距30米最高照度仅为14lx，最低照度仅为0.8lx，平均照度仅为4.8lx，均匀度仅为0.17。6019IES（美国照明工程学会）StreetlightDistributionPatterns•Thesepatternsarelargelybasedonthelightpatterncreatedbyexistingstreetlightingfixtures•MostcustomerswillwanttokeepthesepatternsbecausepeopleareusedtothemTypeITypeIITypeIIITypeIVTypeV6019新型LED路灯系统60196019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。6019LED路灯工程实例广东东莞莞龙路LED照明工程6019LED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60195.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20lux)1.160.436019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30lux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)1825－5776019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。6019LED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。