U procesu razvoja sustava automobilske rasvjete, iteracija tehnologije izvora svjetlosti uvijek se vrtila oko temeljnih ciljeva kao što su poboljšanje energetske učinkovitosti, optimizacija performansi i poboljšanje pouzdanosti. Kao jedno od trenutnih rješenja za osvjetljenje, 30 W jednostrukih snopa LED žarulje pokazuju značajne razlike u učinkovitosti energetske učinkovitosti u usporedbi s tradicionalnim halogenim prednjim svjetlima. Ova se razlika ne odražava samo na osnovnu razinu učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe, već se proširuje i na više dimenzija poput stvarne radne učinkovitosti, raspodjele potrošnje energije i sveobuhvatnog troška cjelokupnog sustava rasvjete.
Osnovni mehanizam energetske učinkovitosti izvora svjetlosti i razlike u pretvorbi učinkovitosti svjetlosti
Energetska učinkovitost izvora svjetlosti u osnovi ovisi o njegovoj sposobnosti pretvaranja električne energije u laganu energiju. Ovaj postupak uključuje osnovne fizičke mehanizme kao što su učinkovitost pretvorbe energije i karakteristike spektralne raspodjele. Princip rada tradicionalnih halogenih prednjih svjetala temelji se na toplinskom zračenju luminiscencije, koja zagrijava vlakna s volframovima u visoko temperaturno stanje (obično do 2500-3000K) kroz električnu struju, tako da vlakna volfram emitira kontinuirani spektar. Međutim, samo mala količina električne energije (oko 5% - 10%) pretvara se u vidljivu svjetlost tijekom ovog procesa, a većina preostale energije raspršena je u obliku infracrvenog zračenja (toplinska energija). Ova karakteristika gubitka topline čini svjetlosnu učinkovitost (svjetlosni tok proizveden po jedinici snage) halogenih prednjih svjetala uglavnom niskih, uglavnom u rasponu od 15 - 25 lm/w.
LED žarulja prednjih svjetala od 30 W prihvaća mehanizam za emitiranje svjetla poluvodiča, čiji je jezgri elektroluminiscentni učinak PN spoja. Kad struja prođe kroz poluvodički materijal, elektroni i rupe rekombiniraju kako bi se oslobodila energija i stvorila fotone. Pretvaranje energije ovog procesa je izravnija, bez intermedijarne veze toplinskog zračenja. Efikasnost fotoelektrične pretvorbe modernih LED čipova može doseći 30% - 40%, a odgovarajuća svjetlosna učinkovitost uglavnom je između 80 - 120 lm/w. Uzimajući 30W snage kao primjer, visokokvalitetna žarulja LED svjetla može proizvesti svjetlosni protok od 2400-3600 LM, dok halogena prednja svjetla iste snage može iznijeti samo svjetlosni tok od 450-750 LM. Ova značajna razlika u učinkovitosti pretvorbe svjetlosti u osnovi određuje hijerarhijski jaz između njih dvojice u smislu performansi energetske učinkovitosti.
Sastav potrošnje energije i energetska učinkovitost Utjecaj sustava toplinskog upravljanja
Stvarna učinkovitost energetske učinkovitosti izvora svjetlosti ne određuje se samo učinkovitošću samog izvora svjetlosti, već i mehanizmom raspodjele potrošnje energije i termičkog upravljanja cijelim sustavom rasvjete. Zbog izuzetno velikog gubitka topline tradicionalnih halogenih prednjih svjetala, veliku količinu toplinske energije generirane tijekom rada mora se rasipati prirodnim disipacijom topline kućišta svjetiljke. Iako je struktura toplinskog upravljanja halogenim svjetiljkama relativno jednostavna, ova karakteristika visoke proizvodnje topline zapravo tvori skriveni gubitak energetske učinkovitosti - posebno kada se radi sustav klima uređaja za vozilo, toplina koja emitira svjetiljka može povećati opterećenje klima uređaja u automobilu, što neizravno dovodi do povećanja potrošnje energije cijelog vozila. Osim toga, niti će se žarnica halogena lampica postupno sublimirati u okruženju s visokim temperaturama, a atomi volfram će se odlagati na unutarnju stijenku žarulje, što će rezultirati smanjenjem lagane propusnosti. Pojava propadanja svjetla pojačit će se produljenjem vremena upotrebe, što će također smanjiti njegovu stvarnu energetsku učinkovitost u dugoročnoj upotrebi.
Iako je efikasnost fotoelektrične pretvorbe žarulje LED svjetla s jednim snopom od 30 W velika, nešto se energije i dalje oslobađa u obliku topline, tako da je za održavanje radne temperature čipa potreban odgovarajući sustav toplinskog upravljanja. Moderna LED prednja svjetla obično koriste kompozitnu strukturu raspršivanja topline sačinjene od hladnjaka, toplinskog vodljivog silikona i ventilatora (neki vrhunski proizvodi). Iako sam sustav toplinskog upravljanja troši malu količinu električne energije (na primjer, potrošnja energije ventilatora je obično oko 1-3W), učinkovit dizajn raspršivanja topline može kontrolirati temperaturu LED čipa u idealnom radnom rasponu od 60-80 ℃ kako bi se izbjegla prigušenje učinkovitosti svjetlosti uzrokovane visokom temperaturom. Podaci o istraživanju pokazuju da je u razumnim uvjetima toplinskog upravljanja, brzina propadanja svjetla LED farova nakon 3000 sati rada obično manja od 10%, dok brzina propadanja svjetla halogenih svjetiljki može dostići više od 30% nakon istog vremena uporabe. Ova dugoročna stabilnost učinkovitosti svjetlosti omogućuje LED prednjim svjetlima da održavaju dosljednije performanse energetske učinkovitosti tijekom svog životnog ciklusa, izbjegavajući stvarni pad efekta rasvjete i potencijalni energetski otpad uzrokovan propadanjem svjetlosti.
Razlike u performansama energetske učinkovitosti u stvarnim scenarijima upotrebe
Stvarne učinkovitosti energetske učinkovitosti sustava rasvjete vozila moraju se procijeniti u kombinaciji s različitim scenarijima upotrebe, jer će radno stanje izvora svjetlosti u različitim radnim uvjetima izravno utjecati na njegovu razinu potrošnje energije. Tradicionalna halogena prednja svjetla mogu brzo dostići izlaz punog svjetla tijekom hladnog starta, što ih čini prikladnim u scenarijima kratkoročne uporabe. Međutim, zbog njihove slabe učinkovitosti svjetla i visoke proizvodnje topline, nastavit će stvarati visoku potrošnju energije kada se kontinuirano koristi dugo vremena (poput vožnje na autocestama noću), a kontinuirano povećanje temperature svjetiljke može skratiti život filamenta, što dodatno povećava troškove upotrebe.
LED svjetlosne žarulje s jednim snopom također mogu brzo dostići nazivni svjetlosni tok na početku pokretanja, a njihovo vrijeme odziva obično je manje od 0,1 sekunde, što se ne razlikuje značajno od halogenih svjetiljki. U scenarijima s čestim startom i startnom startnom stopom, kao što su urbane ceste, prednost energetske učinkovitosti LED prednjih svjetala uglavnom se odražava na operaciju male potrošnje energije-čak i ako je isključena, a zatim ponovno uključena, fluktuacija potrošnje energije je relativno mala. U dugotrajnim scenarijima rasvjete kao što su autoceste, prednost energetske učinkovitosti LED svjetla je očiglednija: s jedne strane, njegove karakteristike velike učinkovitosti svjetla omogućuju 30 W snage da osiguraju svjetlost osvjetljenja ekvivalentnim tradicionalnim halogenim svjetiljkama od 55 W ili čak 70 W, izravno smanjujući zahtjeve snage; S druge strane, stabilni sustav toplinskog upravljanja omogućuje mu održavanje stabilne učinkovitosti svjetlosti tijekom dugoročnog rada, izbjegavajući dodatnu potrošnju energije uzrokovane naknadom snage.
Vrijedno je napomenuti da će, pod ekstremnim temperaturama okoline, performanse energetske učinkovitosti tog dvojice u različitom stupnju. Svjetlosna učinkovitost tradicionalnih halogenih svjetiljki može se malo poboljšati u okruženjima s niskim temperaturama (poput -20 ℃), ali njegova tolerancija na visoku temperaturu je loša. Kad temperatura okoline prelazi 40 ℃, brzina sublimacije filamenta se ubrzava i propadanje svjetlosti se pogoršava. Na učinkovitost svjetla LED prednjih svjetala značajnije utječe na temperaturu okoline: u okruženjima s niskim temperaturama, napredni napon LED čipova raste, što može dovesti do neznatnog povećanja potrošnje energije, ali moderni pogonski krugovi obično imaju funkcije kompenzacije temperature, što može kontrolirati fluktuacije potrošnje energije unutar 5%; U okruženjima s visokim temperaturama, ako učinkovit sustav toplinskog upravljanja može kontrolirati temperaturu čipa u razumnom rasponu, LED prednja svjetla i dalje mogu održavati stabilan izlaz svjetla, ali nakon što raspršivanje topline ne uspije, temperatura čipa prelazi 100 ° C, a učinkovitost svjetlosti može biti u velikoj mjeri. Stoga, u stvarnim usporedbama energetske učinkovitosti, prilagodljivost okoliša LED prednjih svjetala mora se sveobuhvatno procijeniti u kombinaciji s razinom dizajna njihovih sustava toplinskog upravljanja, a visokokvalitetna LED svjetla s jednim snopom od 30 W mogu obično održavati stabilnije performanse energetske učinkovitosti u širokom temperaturnom rasponu.
Dugoročna ekonomija energetske učinkovitosti i sveobuhvatni trošak upotrebe
Druga važna dimenzija usporedbe energetske učinkovitosti je ekonomija u dugoročnoj upotrebi, koja uključuje više čimbenika kao što su troškovi potrošnje energije, troškovi održavanja i ciklus zamjene. Pod pretpostavkom da vozilo putuje 20.000 kilometara godišnje, a udio noćne vožnje 30%, godišnje vrijeme osvjetljenja je oko 200 sati (izračunato je prosječnom brzinom od 60 km/h). Snaga tradicionalnih halogenih prednjih svjetala obično je 55W, a svjetlosna učinkovitost izračunava se na 20 lm/w, a godišnja potrošnja energije je 55W × 200H = 11 kWh; Godišnja potrošnja električne energije 30W LED svjetla s jednim snopom izračunava se na 100 lm/w, a godišnja potrošnja energije 30W × 200H = 6 kWh. Izračunato po cijeni stambene električne energije od 0,6 yuan/kWh, LED prednja svjetla mogu uštedjeti troškove električne energije (11 - 6) × 0,6 = 3 yuan godišnje. Iako se ušteda čini mala iz perspektive troškova električne energije, sveukupne ekonomske koristi su očiglednije kada se uzmu u obzir druge promjene troškova uzrokovane razlikama u energetskoj učinkovitosti.
U pogledu troškova održavanja i zamjene, prosječni vijek trajnih halogenih svjetiljki iznosi oko 500-1000 sati. Izračunani u 200 sati korištenja godišnje, treba ih zamijeniti svake 2-5 godina, a troškovi svake zamjene su oko 20-50 juana. Teoretski život LED svjetla s jednim snopom od 30 W može doseći 30.000-50.000 sati. U normalnoj upotrebi može zadovoljiti potrebe za upotrebom vozila duže od 10 godina, a gotovo nije potrebna zamjena. Osim toga, pad efekta rasvjete uzrokovan propadanjem svjetlosti halogenih svjetiljki može navesti korisnike da ih unaprijed zamijene, što dodatno povećava troškove održavanja. Iz perspektive čitavog životnog ciklusa, zamjenski trošak vozila može se uštedjeti korištenjem LED prednjih svjetala tijekom svog radnog vijeka (izračunato kao 10 godina), koji, u kombinaciji s 30 juana uštede na računima za električnu energiju, ima značajne prednosti u sveobuhvatnoj energetskoj učinkovitosti i gospodarstvu.
Sinergistički odnos između optičkih performansi i energetske učinkovitosti
Energetska učinkovitost izvora svjetlosti ne odražava se samo na razinu potrošnje energije, već će kvaliteta njegovih optičkih performansi također utjecati na stvarni učinak rasvjete i učinkovitost iskorištavanja energije. Zbog ograničenja principa emitiranja svjetlosti, spektralna raspodjela tradicionalnih halogenih prednjih svjetala relativno je široka, uključujući veliku količinu infracrvenog i ultraljubičastog zračenja, dok je spektralna raspodjela energije vidljivog svjetla dijela relativno ujednačena, ali nedostaje ciljana spektralna optimizacija. Ova karakteristika punog spektra čini svijetlu boju halogenih svjetiljki žućkastu (temperatura u boji je oko 2800-3200k). Iako je prodor dobar, brzina korištenja blistavog toka je niska, posebno u sustavu raspodjele svjetlosti, veliku količinu svjetla treba preraspodijeliti refleksijom i refrakcijom, a u procesu će se dogoditi određena količina gubitka svjetlosti energije.
Spektralna raspodjela žarulja LED svjetla s jednim snopom od 30 W ima jaču kontroliranost. Odabirom čip materijala i fosfora, temperatura boje (obično u rasponu od 4000-6500k) i raspodjelu spektralne energije može se precizno prilagoditi. Na primjer, za potrebe za rasvjetom na cesti, LED prednja svjetla mogu poboljšati plavo-zelene komponente svjetlosti u rasponu valne duljine od 450-550Nm, poboljšati sposobnost ljudskog oka da identificira detalje na cesti i na taj način postigne bolje efekte osvjetljenja na istom blistavom fluksu. Osim toga, kao izvor svjetlosti, smjer emisije svjetlosti LED je lakše kontrolirati. S precizno dizajniranom optičkom lećom i reflektorom, svjetlosni tok se može koncentrirati u efektivnom području rasvjete (poput površine ceste i rubnika) kako bi se smanjilo nevažeće raspršivanje svjetlosti. Podaci o ispitivanju pokazuju da brzina upotrebe svjetlucavog toka visokokvalitetne LED svjetla s jednim snopom od 30 W može dostići više od 85%, dok je brzina korištenja svjetlucavog fluksa tradicionalnog halogenog prednjih svjetala obično između 60%i 70%. Ova prednost optičkih performansi omogućuje LED prednja svjetla da postignu veće učinkovite efekte osvjetljenja s nižom stvarnom snagom, odražavajući njegovu prednost energetske učinkovitosti iz druge perspektive.
