V procese vývoja systémov automobilového osvetlenia sa iterácia technológie svetelného zdroja vždy točila okolo základných cieľov, ako je zlepšenie energetickej účinnosti, optimalizácia výkonu a zvýšenie spoľahlivosti. Ako jedno zo súčasných roztokov osvetlenia hlavného prúdu, 30 W žiarovky svetlometov s jedným lúčom ukazujú významné rozdiely vo výkonnosti energetickej účinnosti v porovnaní s tradičnými halogénovými svetlometmi. Tento rozdiel sa odráža iba v základnej úrovni efektívnosti fotoelektrickej konverzie, ale tiež sa rozširuje na viacero dimenzií, ako je skutočná pracovná účinnosť, distribúcia spotreby energie a komplexné náklady na využívanie celého systému osvetlenia.
Základný mechanizmus energetickej účinnosti zdroja svetla a rozdiel vo premene účinnosti svetla
Energetická účinnosť svetelného zdroja v podstate závisí od jeho schopnosti premeniť elektrickú energiu na svetelnú energiu. Tento proces zahŕňa základné fyzikálne mechanizmy, ako je účinnosť konverzie energie a charakteristiky spektrálneho rozdelenia. Pracovný princíp tradičných halogénových svetlometov je založený na luminiscencii tepelného žiarenia, ktorý zahrieva volfrámu vlákna do stavu s vysokou teplotou (zvyčajne do 2500-3 000 K) prostredníctvom elektrického prúdu, takže volfrámové vlákno vyžaruje kontinuálne spektrum. Počas tohto procesu sa však iba malé množstvo elektrickej energie (asi 5% - 10%) premieňa na viditeľné svetlo a väčšina zostávajúcej energie sa rozptýli vo forme infračerveného žiarenia (tepelná energia). Vďaka tejto charakteristike vysokej tepelnej straty je svetelná účinnosť (svetelný tok vyrobený na jednotku sily) halogénových svetlometov všeobecne nízky, zvyčajne v rozsahu 15 - 25 lm/w.
Žiarovka s jedným lúčom LED s jedným lúčom LED prijíma polovodičový mechanizmus emitujúceho svetla, ktorého jadrom je elektroluminiscenčný účinok križovatky PN. Keď prúd prechádza cez polovodičový materiál, elektróny a diery sa rekombínujú, aby sa uvoľnila energia a vytvorila fotóny. Konverzia energie tohto procesu je priamejšia, bez medziproduktu tepelného žiarenia. Účinnosť fotoelektrickej konverzie moderných LED čipov môže dosiahnuť 30% - 40% a zodpovedajúca svetelná účinnosť je vo všeobecnosti medzi 80 - 120 lm/w. Ako príklad, ktorý je príkladom 30 W energie, vysoko kvalitná žiarovka LED svetlometov môže produkovať svetelný tok 2400-3600 lm, zatiaľ čo halogénové svetlomet s rovnakým výkonom môže výsloviť iba svetelný tok 450-750 lm. Tento významný rozdiel v účinnosti konverzie svetla zásadne určuje hierarchickú medzeru medzi nimi, pokiaľ ide o výkonnosť energetickej účinnosti.
Zloženie spotreby energie a energetická účinnosť Vplyv systému tepelného riadenia
Skutočná výkonnosť energetickej účinnosti zdroja svetla nie je určená nielen účinnosťou svetla samotného svetla, ale aj pomocou distribúcie spotreby energie a mechanizmom tepelného riadenia celého systému osvetlenia. V dôsledku extrémne vysokej tepelnej straty tradičných halogénových svetlometov sa musí počas prevádzky rozptyľovať veľké množstvo tepelnej energie vytvorenej počas prevádzky prirodzeným rozptylom tepla. Aj keď je štruktúra tepelného riadenia halogénových žiaroviek relatívne jednoduchá, táto charakteristika vysokej tepla v skutočnosti tvorí skrytú stratu energetickej účinnosti - najmä ak je klimatizačný systém vozidla, teplo emitované žiarovkou môže zvýšiť zaťaženie klimatizácie v aute, čo nepriamo vedie k zvýšeniu spotreby energie celého vozidla. Okrem toho sa vlákno halogénovej lampy postupne sublimuje vo vysokoteplotnom prostredí a atómy volfrámu sa ukladajú na vnútornú stenu žiarovky, čo bude mať za následok zníženie priepustnosti svetla. Fenomén rozpadu svetla sa zintenzívni s predĺžením času použitia, čo tiež zníži jeho skutočnú energetickú účinnosť pri dlhodobom využívaní.
Aj keď je účinnosť fotoelektrickej konverzie storočia s jednostupňovým svetlometom s jedným lúčom vysoká, určitá energia sa stále uvoľňuje vo forme tepla, takže na udržanie pracovnej teploty čipu je potrebný zodpovedajúci systém tepelného manažmentu. Moderné LED svetlomety zvyčajne používajú kompozitnú štruktúru rozptylu tepla zloženú z chladičov, tepelného vodivého silikónu a ventilátorov (niektoré špičkové výrobky). Aj keď samotný systém tepelného riadenia spotrebuje malé množstvo elektriny (napríklad spotreba energie ventilátora je zvyčajne okolo 1-3 W), efektívny návrh rozptylu tepla môže regulovať teplotu LED čipu v ideálnom pracovnom rozsahu 60-80 ℃, aby sa zabránilo zvýšeniu účinnosti účinnosti svetla spôsobenej vysokou teplotou. Výskumné údaje ukazujú, že za primeraných podmienok tepelného riadenia je miera rozkladu svetlom LED po 3 000 hodinách prevádzky zvyčajne menšia ako 10%, zatiaľ čo miera rozpadu halogénov svetla môže dosiahnuť viac ako 30% po rovnakom čase použitia. Táto dlhodobá stabilita účinnosti svetla umožňuje svetlometom LED udržiavať konzistentnejší výkon energetickej účinnosti počas celého životného cyklu, čím sa zabráni skutočnému poklesu účinku osvetlenia a potenciálnemu odpadu energie spôsobeného rozpadom svetla.
Rozdiely vo výkone energetickej účinnosti v skutočnom používaní scenáre
Skutočný výkon energetickej účinnosti systémov osvetlenia vozidiel je potrebné vyhodnotiť v kombinácii s rôznymi scenármi používania, pretože pracovný stav zdroja svetla za rôznych pracovných podmienok priamo ovplyvní úroveň spotreby energie. Tradičné halogénové svetlomety môžu počas studeného štartu rýchlo dosiahnuť úplné svetlo, čo ich robí v krátkodobom používaní scenárov. Avšak kvôli ich nízkej účinnosti svetla a vysokej tvorby tepla budú naďalej vytvárať vysokú spotrebu energie, ak sa používajú nepretržite po dlhú dobu (napríklad jazda na diaľniciach v noci) a nepretržité zvýšenie teploty žiarovky môže skrátiť životnosť vlákna, čím sa ďalej zvyšuje náklady na používanie.
30 W žiarovky LED svetlometov s jedným lúčom môžu tiež rýchlo dosiahnuť menovité svetelné toky na začiatku spustenia a ich čas odozvy je zvyčajne kratší ako 0,1 sekundy, čo sa významne nelíši od halogénových žiaroviek. V scenároch s častým štartovacím zastavením a začiatočným zastavením, ako sú mestské cesty, sa výhoda energetickej účinnosti LED svetlometov odráža hlavne v prevádzke s nízkou spotrebou energie-aj keď je vypnutá a potom sa znova zapne, jeho kolísanie spotreby energie je relatívne malá. V dlhodobých osvetľovacích scenároch, ako sú diaľnice, je výhoda energetickej účinnosti LED svetlometov zrejmá: na jednej strane jeho vysoké charakteristiky účinnosti svetla umožňujú 30 W energie poskytovať jas jasu, ktorý je rovnocenný s tradičným 55 W alebo dokonca 70 W halogénových žiaroviek, priamo znižujúcich požiadavky na energiu; Na druhej strane stabilný systém tepelného riadenia mu umožňuje udržiavať stabilnú účinnosť svetla počas dlhodobej prevádzky, čím sa zabráni ďalšej spotrebe energie spôsobenej kompenzáciou energie.
Je potrebné poznamenať, že pri extrémnych okolitých teplotách bude výkonnosť energetickej účinnosti týchto dvoch kolísaná v rôznej miere. Účinnosť svetla tradičných halogénových žiaroviek sa môže mierne zlepšiť v prostredí s nízkym teplotám (napríklad -20 ℃), ale jeho vysoká teplotná tolerancia je zlá. Keď teplota okolia prekročí 40 ℃, zrýchľuje sa rýchlosť sublimácie vlákna a rozpad svetla sa zhorší. Účinnosť svetla LED svetlometov je výrazne ovplyvnená okolitou teplotou: v prostrediach s nízkou teplotou sa zvyšuje napätie LED čipov vpred, čo môže viesť k miernemu zvýšeniu spotreby energie, ale moderné hnacie obvody majú zvyčajne funkcie kompenzácie teploty, ktoré môžu kontrolovať kolísanie spotreby energie v rámci 5%; Ak v prostredí s vysokou teplotou, ak efektívny systém tepelného hospodárenia môže regulovať teplotu čipu v primeranom rozsahu, LED svetlomety môžu stále udržiavať stabilný svetelný výkon, ale akonáhle zlyhá rozptyl tepla, teplota čipu presahuje 100 ° C a účinnosť svetla sa môže výrazne zmierniť. Preto je potrebné v skutočnom porovnaní energetickej účinnosti environmentálna adaptabilita LED svetlometov komplexne vyhodnotiť v kombinácii s úrovňou konštrukcie ich systémov tepelného manažmentu a vysokokvalitné 30 W svetlomety s jednosmerným lúčom LED s jedným lúčom môžu zvyčajne udržiavať stabilnejší výkon energetickej účinnosti v širokom teplotnom rozsahu.
Dlhodobá ekonomika energetickej účinnosti a komplexné náklady na používanie
Ďalším dôležitým rozmerom porovnania energetickej účinnosti je hospodárstvo pri dlhodobom používaní, ktoré zahŕňa viac faktorov, ako sú náklady na spotrebu energie, náklady na údržbu a cyklus výmeny. Za predpokladu, že vozidlo cestuje 20 000 kilometrov ročne a podiel nočnej jazdy predstavuje 30%, ročný čas osvetlenia je asi 200 hodín (vypočítaný priemernou rýchlosťou 60 km/h). Sila tradičných halogénových svetlometov je zvyčajne 55 W a svetelná účinnosť sa počíta pri 20 lm/w a ročná spotreba energie je 55 W × 200H = 11 kWh; Ročná spotreba energie 30 W svetlometov s jedným lúčom sa vypočíta pri 100 lm/w a ročná spotreba energie je 30 W × 200H = 6 kWh. Vypočítané za cenu rezidenčnej elektrickej energie 0,6 juanov/kWh, LED svetlomety môžu ušetriť náklady na elektrinu (11 - 6) × 0,6 = 3 juany ročne. Aj keď sa úspory javia ako malé z hľadiska nákladov na elektrinu, celkové ekonomické prínosy sú zrejmejšie pri zvažovaní iných zmien nákladov spôsobených rozdielom v energetickej účinnosti.
Pokiaľ ide o náklady na údržbu a výmenu, priemerná životnosť tradičných halogénových žiaroviek je asi 500-1 000 hodín. Vypočítané po 200 hodinách používania ročne, je potrebné ich vymeniť každé 2 až 5 rokov a náklady na každú náhradu sú asi 20-50 juanov. Teoretická životnosť 30 W svetlometov s jedným lúčom LED môže dosiahnuť 30 000-50 000 hodín. Pri normálnom používaní môže uspokojiť potreby používania vozidla viac ako 10 rokov a nevyžaduje sa takmer žiadna výmena. Okrem toho môže pokles osvetľovacieho účinku spôsobený ľahkým úpadkom halogénových žiaroviek vyzvať používateľov, aby ich vopred vymenili, čím sa ďalej zvyšuje náklady na údržbu. Z hľadiska celého životného cyklu sa náklady na výmenu vozidla môžu ušetriť pomocou LED svetlometov počas jeho životnosti (vypočítané ako 10 rokov), ktoré v kombinácii s 30 juanmi uloženými v účtoch za elektrinu majú významné výhody v komplexnej energetickej účinnosti a hospodárstve.
Synergický vzťah medzi optickým výkonom a energetickou účinnosťou
Energetická účinnosť svetelného zdroja sa neodráža iba v úrovni spotreby energie, ale kvalita jeho optického výkonu ovplyvní aj skutočný účinok osvetlenia a účinnosť využitia energie. Kvôli obmedzeniu princípu emitujúceho svetla je spektrálne rozdelenie tradičných halogénových svetlometov relatívne široké, vrátane veľkého množstva infračerveného a ultrafialového žiarenia, zatiaľ čo spektrálna distribúcia energie v viditeľnej svetlej časti je relatívne jednotná, ale chýba mu cielená spektrálna optimalizácia. Táto charakteristika v plnom prúde spôsobuje, že svetlá farba halogénových žiaroviek je žltkastá (teplota farby je asi 2800-3200 000). Aj keď je penetrácia dobrá, rýchlosť využitia svetelného toku je nízka, najmä v systéme distribúcie svetla, musí sa prerozdeliť veľké množstvo svetla prostredníctvom odrazu a lomu a v tomto procese sa vyskytne určité množstvo straty energie svetla.
Spektrálna distribúcia žiaroviek LED svetlometov s jedným lúčom 30 W má silnejšiu ovládateľnosť. Výberom čipových materiálov a fosforov je možné presne upraviť teplotu farby (zvyčajne v rozmedzí 4000-6500 K) a spektrálnu distribúciu energie. Napríklad v prípade potrieb osvetlenia cestnej premávky môžu LED svetlomety vylepšiť modro-zelené svetelné komponenty v rozsahu vlnových dĺžok 450-550 nm, zlepšiť schopnosť ľudského oka identifikovať detaily na cestách, a tak dosiahnuť lepšie osvetľovacie účinky pri rovnakom svetelnom toku. Okrem toho je ako zdroj point svetla ľahší ovládací smer LED svetla LED. Pri presnej optickej šošovke a reflektore sa môže tok svetla sústrediť v efektívnej oblasti osvetlenia (ako je povrch cesty a obrubník), aby sa znížil neplatný rozptyl svetla. Testovacie údaje ukazujú, že rýchlosť využitia svetelného toku vysoko kvalitného 30 W svetlometu s jedným lúčom LED môže dosiahnuť viac ako 85%, zatiaľ čo rýchlosť využitia svetelného toku tradičného halogénového svetlometu je zvyčajne medzi 60%a 70%. Táto výhoda optického výkonu umožňuje svetlometom LED dosahovať vyššie efektívne účinky osvetlenia s nižšou skutočnou silou, čo odráža jeho výhodu energetickej účinnosti z iného hľadiska.
