博文

【论LED】厘清LED光源光效与LED灯具效能的本质 2012/9/18 9:49:55
想帮博主提高知名度就分享到: 新浪微博 QQ空间 腾讯微博 微信 更多
分类:默认分类 标签:LED技术 行业聚焦 专家动态 

 【本文仅用于学术用途,转载请注明作者与出处阿拉丁照明博客,出版或商业用途请联系本博主】

厘清LED光源光效与LED灯具效能的本质

陈超中 施晓红 杨樾 李为军

[上海市质量监督检验技术研究院 国家灯具质量监督检验中心 国家电光源质量监督检验中心(上海)上海时代之光照明电器检测有限公司 上海 201114]

Outlining the essence of LED luminous efficacy and LED luminaire efficacy


     摘  要:本文阐述了LED光源光效与LED灯具效能的内涵,从本质上揭示了两者的区别。针对LED光源开展光效竞赛,追逐光效之风已从LED光源刮到LED灯具的现状,强调对于LED灯具,应在关注效能的同时,应注意与其他的性能要求的协调,应将灯具效能建立在全面满足LED灯具各项性能指标的基础上。

     关键词:LEDLED光源;光效;LED灯具;灯具效能

     LED进入新市场,应用领域日益扩展,已广泛用于交通信号灯、显示屏、景观照明和装饰照明等,在背光领域市场占有率也逐步提高,许多以前从事传统光源生产的企业也纷纷上马LED项目,产业投资持续升温,光效纪录屡次被刷新。日前美国Cree公司宣布,其白光功率 LED 光效再度突破行业最高纪录,实验室参数已达到 231 lm/W,与20066月日本日亚化学宣布的白色LED100 lm/W相比,光效提高了一倍多,相信随着技术的进步,该纪录还会被打破。

     随着光效概念也被用于LED灯具,很多LED灯具也加入到了光效竞赛的洪流中,生产企业正在忽视LED光源与LED灯具的产品功能的差异,仅以光效作为灯具性能的标杆,单纯追求高光效指标,忽视其LED灯具作为一个系统应该满足的可靠性、色质量和视觉舒适性等特性,造成目前国内LED照明灯具市场追逐光效之风盛行,市政工程及半导体照明试点示范工程中使用的所谓的“高光效LED灯具”往往达不到其预期节能减排的目的的使用效果,造成较大的负面效应。

     针对目前照明市场的情况,本文阐述了LED光源与LED灯具效能的不同。揭示了追逐光效之风从LED光源蔓延LED灯具的原因。强调了LED灯具产品的灯具效能应注意与其他的性能要求的协调一致,灯具效能应建立在满足LED灯具各项性能基础上。

     一、光效是光源产品的经典性能指标

     就光源而言,光效是一个经典指标,每一种新光源的出现都直接与其达到的更高的光效有关,这样,光效也毫无例外地成为了LED光源的性能的重要指标。当然,光源的其他性能指标还包括显色指数、色品坐标、色温和寿命等等。

     对使用传统光源的灯具,灯具的出光率,即灯具转换光源光通量的能力,是灯具性能的经典指标。由于LED光源的性能参数尚未达到标准化的程度,而且很多灯具使用的LED光源不可替换,所以,光效的概念也被沿用到了LED灯具产品。

     二、LED灯具效能有别于LED光源光效

    LED光源和LED灯具都使用光效作为性能评价指标时,我们首先以分析两者的内涵和差异入手来了解LED灯具的性能,并使用正确的术语来评价LED光源的光效和LED灯具的效能。

     1、 LED光源光效和LED灯具效能的概念

     LED光源光效(luminous efficacy of a source)定义是光源发出的光通量与其所消耗的电功率之比。

     LED灯具效能(luminaire efficacy)定义是指在灯具的声称使用条件下,灯具发出的初始总光通量与其所消耗的功率之比,单位为lm/W

    “光效”用于评价LED光源,“效能”用于评价LED灯具,LED光源光效与LED灯具效能都表示电能转化为光能的效率,是描述照明产品节能特性的指标,但其内涵是不同的。

      2不同的光通量

     LED光源光效中的光源光通量是指裸光源(还未装入灯具的状态)发出的光通量。其中LED光源可以是一体化LED灯或一体化LED模块、半一体化LED灯或半一体化LED模块或非一体化LED灯或非一体化LED模块。

     LED灯具效能中的分子光通量是指光源装入灯具、同时使用所需的LED控制装置或LED控制装置的电源后,灯具发出的光通量。其中LED控制装置或LED控制装置的电源可以是整体式、内装式或独立式的。使用LED光源的灯具可能使用反射器、扩散板。

    装入灯具的光源可能是单个光源或多个光源的集合,但由于热能、电能的相互作用造成的效率损失,以及灯具光学系统的效率,LED灯具的光通量并不等于LED光源光通量或其简单累加。

     LED光源光效中的光通量与灯具效能中的光通量的测量状态不同,前者是在脉冲状态测得,后者是在稳态下测得。

     LED光源光效中的光是无所指向性的,只要光能发出来,东南西北无所谓的。而LED灯具效能中的光是有所指向性的,光需要发到有用的区域。

     在使用相同LED光源的情况下,LED灯具的光通量小于LED光源的光通量。

     3、不同的输入功率

     LED光源光效中的分母与LED灯具效能中的分母也不相同。例如,对于非一体化LED模块, LED光源所消耗的电功率的仅是指LED模块所消耗的功率,不包括LED控制装置消耗的功率。LED灯具效能中的消耗的电功率是指灯具的输入功率,不仅包括LED光源,还包括LED控制装置所消耗的功率。LED灯具消耗的电功率大于LED光源消耗的电功率。

     4LED灯具效能与LED光源光效的关系

     由于所涉及光通量和电功率的范围不同,造成LED光源光效不同于LED灯具效能,光源光效远大于灯具效能。其一因为LED进入灯具后,结温升高,光输出减少(热损失);其二因为光源进入灯具、并使用LED控制装置或其电源后存在的系统损耗;其三是光线经过灯具光学系统后的损失,即灯具效率(光损失)。

灯具效能=光源光效×1-进入灯具后的热损失)%×(1-系统损耗)×(1-进入灯具后的光损失)%

     从上面的分析可以看出,光源光效与灯具效能是完全不同的,不能混为一谈。

     三、LED光源开展光效竞赛,追逐光效之风从LED光源蔓延LED灯具

     随着LED光效纪录被不断刷新,正在蔓延的LED灯具光效竞赛存在以下误区:

     1、仅提光效,不提色温和显色指数

     应指出在多少色温CCT和在多少显色指数Ra下的光效,同样的光效,低色温比高色温难度显然大得多。

     美国能源之星对固态照明室内灯具的相关色温的要求:应是下列标称的相关色温(CCT)的一种:2700K3000K3500K4000K5000K(仅限于商用)。能源之星对固态照明室内灯具:5700K6500K色温是不允许的。

     2、仅提光效,不提照明舒适性

     当光效竞赛的风从光源刮到灯具时,盲目追求灯具效能的另一个现象该加的防眩光的扩散板省掉了,忽略了灯具的舒适性,没有考虑眩光控制。

     3、仅提光效,不谈可靠性

     为了盲目追求灯具效能,室外灯具该加的防护罩省掉了,使不该暴露的部件暴露,忽视了LED灯具的可靠性。

     四、LED灯具标记普遍存在功率低标、光通量高标的现象

     由于与效能相关,我们关注了276LED筒灯产品上标记的输入功率和额定光通量与实测值的偏离情况,发现功率低标、光通量高标的现象普遍存在,这种偏离将导致产品 “光效”虚高,推高LED灯具效能的实际水平。

     1功率低标、光通量高标的情况

     LED灯具的输入功率是产品效能计算公式中的分母,相同光通量时较低的输入功率表明产品的效能较高,降低产品的输入功率就能提高产品的效能。在标记产品特性时,就可能存在功率尽量低标的现象。

     通过实际测量可以得到LED灯具的输入功率,并利用公式(1)计算其占灯具标记的输入功率的百分比数值,我们可以得到实测功率标称输入功率的偏差ηP

ηP=(实测功率/标称功率)*100                 (1)

     计算结果的意义:

     -ηP100%,实测功率与标称值一致,标称值没有偏离。

     -ηP100%,实测功率小于标称值,标称值偏高。

     -ηP100%,实测功率大于标称值,标称值偏低。

     输入功率标称值偏低将使计算的LED筒灯效能偏高。

     为了直观的了解整个样本的分布情况,我们将测得的276个灯具数据用散点图直观的表示,见图1


     由图1可以看出,数据主要分布在90%120%的区间内。如果规定实际功率与额定功率允许的偏差限值时,偏差合格率的相应数据见表1


 

     分析表1可以看出: 

     表1中,ηP100%,实测功率小于标称功率的样品为114个,ηP=100%,实测功率等于标称功率的样品为2个,而ηP100%,即实测功率大于标称功率、标称功率低标的样品160个,占总数的57.98%,说明目前市场上大量存在功率低标、误导消费者的现象。

如果允许10%的功率低标,即根据公式(1)计算的偏差≤110%为偏差限值时,46个灯具将超出允许的偏差,在276组灯具中,不合格率为16.7%

     2、光通量

     LED灯具的光通量是产品效能计算公式中的分子,相同输入功率时较高的光通量表明产品的效能较高,升高产品的光通量就能提高产品的效能。在标记产品特性时,就可能存在光通量尽量高标的现象。

     通过实际测量可以得到LED灯具的光通量,并利用公式(2)计算其占灯具标记的额定光通量的百分比数值,我们可以得到实测光通量与额定光通量的偏差ηL,如公式2所示:

 ηL=(实测光通量/额定光通量)*100%                  (2)

     计算结果的意义:

     - ηL100%,实测光通量与标称值一致,标称值没有偏离。

     - ηL100%,实测光通量小于标称值,标称值偏高。

     - ηL100%,实测光通量大于标称值,标称值偏低。

     额定光通量标称值偏高将使计算的LED灯具效能偏高。

     为了直观的了解整个样本的分布情况,我们将测得的276个灯具数据用散点图直观的表示,见图1

     光通量是考核LED筒灯性能的重要指标,额定光通量越高,说明相同功率下可以获得更高的光通量。有些厂家为了更好的卖出产品,会高标额定光通量。

     为了直观的了解整个样本的分布情况,2给出了实测光通量与额定光通量的百分比散点图。


     由图2可以看出,数据占据了从40%到140%范围,比较分散,说明实际测量得到的光通量与额定光通量的偏差较大。

     如果规定实际光通量与额定光通量允许的偏差限值时,偏差合格率的相应数据见表2

     如果允许高标10%光通量,即根据公式(2)计算的偏差90%为偏差限值时,91个是落在<90%的区间内的,超出了允许的偏差,在276组灯具中,不合格率为33.0%分析表2可以看到:

     表2中,ηL100%,即实测光通量小于标称光通量的样品为160个,占总数的57.97%。说明LED筒灯的实际测量的光通量大部分都小于标称的额定光通量,目前市场上的LED筒灯存在高标额定光通量的现象,这样会造成对消费者的误导,造成市场的混乱。

     3LED筒灯实际的效能水平

     以实测的LED筒灯“效能”为例,图1给出了经实测后计算的276个筒灯效能的散点图。由图3可以看出,大部分数据集中分布在3080的区间内,大于80的寥寥无几。


     “效能”是LED灯具的节能评价参数,表3给出了不同效能(LE)限值下的合格率。

     表3可以看出,随着效能限值的提高,达到要求的产品比例越来越低。当效能限值为60时,达到要求的样品占样品总数的55.43;而当效能限值为80时,达到要求的样品仅占样品总数的3.26%。

      如果按照80%的产品合格的要求,那么目前效能的水平只在40lm/W左右,这显然与LED照明产品所声称的节能高效的特点有差距,LED筒灯的实际测量“效能”并没有像制造商宣传的那样高。

      灯具效能是性能要求之一,它受到其他性能要求的制约,如眩光控制(使用时环境亮度的舒适性)、可靠性、IP防护等级等。

      我们不能因为盲目追求高“光效”而忽视照明的舒适性和可靠性,当综合考虑影响使用的其他参数,如光的颜色、显色性、照明舒适性和产品可靠性等参数时,灯具的效能还会有所降低。

      以光效为80 lm/W的非一体化LED模块光效为例,进入灯具后的热损失25%,光损失20%,系统损失15%,则LED筒灯的效能=80 lm/W×75%×80%×85%=40.8 lm/W(示意图见图4)。


    4.到达能源之星合格标准的产品效能

      能源之星对民用或商用固态照明筒灯的灯具效能的要求:42 lm/W。某一通过美国能源之星的LED筒灯效能、保护角、相关色温(CCT)和显色指数(CRI)的举例如表4所示。

 


      追逐光效之风从
LED光源蔓延LED灯具的原因如下:

      五、探究追逐光效的原因

      一直以来,误将LED筒灯、LED路灯视作为LED光源,制订的技术要求或规范与LED模块的性能要求大同小异。这主要是将LED灯具性能混同于LED灯造成的。

      在一般情况下,“灯”是指光源,各种类型的灯均以发光的物理原理来命名,如白炽灯、高压钠灯、金属卤化物灯、荧光灯、紫外灯、场致发光灯、卤钨灯等等,灯的命名和分类与应用的场所及用于何种灯具无关。“灯具”则是指照明器,它包括点亮光源所需的附件和电路、使光源发出的光重新分配以满足应用需求的光学部件,以及灯具安装、固定、调节所需部件的总成,灯具的分类及命名与其安装方式或设计使用的场所或目的有关,如固定式吸顶灯具、可移式台式灯具、可移式落地灯具、道路照明灯具、隧道照明灯具、庭院灯具、泛光灯具和应急照明灯具,等等。

      “灯”这个术语有时也用于某些类型的照明器,也许是由于习惯的关系,很多人把“道路照明灯具”称作“路灯”,把“天花板表面安装灯具”称作“吸顶灯”,但这里的路灯、吸顶灯并不是指光源,而是指道路照明灯具和天花板表面安装的灯具。同样的,还有把“嵌入式或固定式筒灯灯具”称作“筒灯”,把“可移式台式灯具”称作“台灯”,把“可移式落地灯具”称作“落地灯”,把“可移式手提灯具”称作“手提灯”。

      大家已经习惯拿起一个LED灯具时,会问“光效”多少?仿佛“光效”是唯一的指标。拿“光效”作为LED灯具的营销是不全面的,其本质是误将其视作为LED光源,有偷换概念之嫌。

      六、我国LED灯具产品性能指标的标准化正在步入正轨

      国际上,IEC TC34已经明确这些LED灯具纳入灯具产品的标准范畴。应该说国家开始在扭转这种导向。全国照明电器标准化技术委员会近期将《LED筒灯性能要求》与《LED筒灯性能要求测量方法》2个国家标准由全国照明电器标准化技术委员会灯具分技术委员会归口,是一个良好的开端,有利于与国际接轨,有利于LED灯具的制造企业少走弯路。

      同时。LED筒灯的灯具效能应注意与其他的性能要求的协调一致。

LED筒灯的灯具效能仅是诸多性能要求之一,应该注意全面发展,应符合全部的关于筒灯的性能要求,它包括光度、眩光控制、色度、结构、热试验、可靠性、低温、电性能、分类。

      七、总结

      LED光效与LED灯具效能是不同的,不能混为一谈。LED光效作为光源指标可能是比较单一的,但LED灯具效能是诸多性能要求之一,受其他性能要求的制约,各项性能指标应协调一致,不能片面追逐LED灯具效能一个指标,不应以牺牲照明环境舒适性、可靠性等指标为前提。

参考文献

[1] 《第四届中日韩照明论坛论文集》,“LED 筒灯关键技术参数评价”,杨樾、施晓红

[2] GB/T XXXXX-201XLED筒灯性能要求》

[3] GB/T XXXXX-201XLED筒灯性能测量方法》

[4] 《灯具和灯的异同》,施晓红

5
  • 阅读(8606)|
  • 评论(0)|
  • 转载(1)