در فرآیند توسعه سیستم های روشنایی خودرو ، تکرار فناوری منبع نور همیشه در مورد اهداف اصلی مانند بهبود بهره وری انرژی ، بهینه سازی عملکرد و تقویت قابلیت اطمینان چرخیده است. به عنوان یکی از راه حل های فعلی روشنایی جریان اصلی ، لامپهای چراغهای چراغهای LED تک پرتوی 30W تفاوت معنی داری در عملکرد بهره وری انرژی در مقایسه با چراغهای هالوژن سنتی نشان می دهد. این تفاوت نه تنها در سطح اصلی کارآیی تبدیل فوتوالکتریک منعکس می شود ، بلکه به ابعاد مختلفی مانند راندمان کار واقعی ، توزیع مصرف انرژی و هزینه استفاده جامع کل سیستم روشنایی نیز گسترش می یابد.
مکانیسم اساسی بهره وری انرژی منبع نور و تفاوت در تبدیل راندمان نور
بهره وری انرژی یک منبع نور اساساً به توانایی آن در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نور بستگی دارد. این فرایند شامل مکانیسم های فیزیکی اساسی مانند راندمان تبدیل انرژی و خصوصیات توزیع طیفی است. اصل کار چراغهای هالوژن سنتی مبتنی بر لومینسانس تابش حرارتی است که رشته تنگستن را از طریق جریان الکتریکی به حالت درجه حرارت بالا (معمولاً تا 2500-3000k) گرم می کند ، به طوری که رشته تنگستن طیف مداوم را منتشر می کند. با این حال ، تنها مقدار کمی از انرژی الکتریکی (حدود 5 ٪ - 10 ٪) در طی این فرآیند به نور مرئی تبدیل می شود و بیشتر انرژی باقیمانده به شکل تابش مادون قرمز (انرژی گرما) از بین می رود. این ویژگی از دست دادن گرمای زیاد باعث می شود تا اثربخشی درخشان (شار درخشان تولید شده در واحد انرژی) از چراغهای جلو هالوژن به طور کلی کم ، به طور کلی در محدوده 15 - 25 لیتر در ساعت باشد.
لامپ چراغهای LED تک پرتوی 30W یک مکانیسم ساطع کننده نوری نیمه هادی را اتخاذ می کند ، که هسته آن اثر الکترولومینسانس اتصال PN است. هنگامی که جریان از مواد نیمه هادی عبور می کند ، الکترون ها و سوراخ ها برای آزاد کردن انرژی و تولید فوتون ها نوترکیب می شوند. تبدیل انرژی این فرآیند مستقیم تر است ، بدون پیوند میانی تابش حرارتی. راندمان تبدیل فوتوالکتریک تراشه های LED مدرن می تواند به 30 ٪ - 40 ٪ برسد ، و اثربخشی درخشان مربوطه به طور کلی بین 80 - 120 LM/W است. با استفاده از قدرت 30W به عنوان نمونه ، یک لامپ چراغ جلو LED با کیفیت بالا می تواند یک شار درخشان 2400-3600 LM ایجاد کند ، در حالی که یک چراغ هالوژن با همان قدرت فقط می تواند یک شار درخشان 450-750 LM را تولید کند. این تفاوت معنی داری در راندمان تبدیل نور اساساً شکاف سلسله مراتبی بین این دو را از نظر عملکرد بهره وری انرژی تعیین می کند.
ترکیب مصرف انرژی و تأثیر بهره وری انرژی سیستم مدیریت حرارتی
عملکرد واقعی بهره وری انرژی منبع نور نه تنها با راندمان نور منبع نور ، بلکه با توزیع مصرف انرژی و مکانیسم مدیریت حرارتی کل سیستم روشنایی نیز تعیین می شود. با توجه به گرمای بسیار زیاد چراغهای هالوژن سنتی ، مقدار زیادی از انرژی گرما تولید شده در طول کار باید از طریق اتلاف حرارت طبیعی محفظه لامپ از بین برود. اگرچه ساختار مدیریت حرارتی لامپ های هالوژن نسبتاً ساده است ، اما این ویژگی تولید گرمای بالا در واقع از دست دادن بهره وری انرژی پنهان تشکیل می دهد - به خصوص هنگامی که سیستم تهویه مطبوع وسیله نقلیه در حال اجرا است ، گرمای ساطع شده توسط لامپ ممکن است بار تهویه مطبوع را در خودرو افزایش دهد ، به طور غیرمستقیم منجر به افزایش مصرف انرژی کل وسیله نقلیه می شود. علاوه بر این ، رشته لامپ هالوژن به تدریج در یک محیط با درجه حرارت بالا تعطیل خواهد شد و اتم های تنگستن بر روی دیواره داخلی لامپ رسوب می شود و در نتیجه کاهش انتقال نور ایجاد می شود. پدیده پوسیدگی نور با گسترش زمان استفاده شدت می یابد ، که باعث کاهش بهره وری واقعی انرژی آن در استفاده طولانی مدت نیز می شود.
اگرچه راندمان تبدیل فوتوالکتریک لامپ چراغهای LED تک پرتوی 30W زیاد است ، اما برخی از انرژی هنوز به صورت گرما آزاد می شود ، بنابراین برای حفظ دمای کار تراشه ، یک سیستم مدیریت حرارتی تطبیق لازم است. چراغهای جلو LED مدرن معمولاً از ساختار اتلاف گرما کامپوزیت متشکل از سینک های گرما ، سیلیکون رسانا حرارتی و فن ها (برخی از محصولات با کیفیت بالا) استفاده می کنند. اگرچه سیستم مدیریت حرارتی به خودی خود مقدار کمی از برق را مصرف می کند (به عنوان مثال ، مصرف برق فن معمولاً در حدود 1-3W است) ، طراحی اتلاف گرمای کارآمد می تواند دمای تراشه LED را در محدوده کار ایده آل 60-80 ℃ کنترل کند تا از کاهش بهره وری ناشی از دمای بالا جلوگیری شود. داده های تحقیق نشان می دهد که در شرایط مدیریت حرارتی معقول ، میزان پوسیدگی نور چراغهای LED پس از 3000 ساعت کار معمولاً کمتر از 10 ٪ است ، در حالی که میزان پوسیدگی نور لامپ های هالوژن می تواند پس از همان زمان استفاده به بیش از 30 ٪ برسد. این پایداری طولانی مدت راندمان نور ، چراغهای جلو را قادر می سازد تا عملکرد پایداری انرژی سازگارتر را در طول چرخه زندگی خود حفظ کنند و از کاهش اثر روشنایی واقعی و زباله های انرژی بالقوه ناشی از پوسیدگی نور جلوگیری کنند.
تفاوت در عملکرد بهره وری انرژی در سناریوهای استفاده واقعی
عملکرد واقعی بهره وری انرژی سیستم های روشنایی وسیله نقلیه باید در ترکیب با سناریوهای مختلف استفاده ارزیابی شود ، زیرا وضعیت کار منبع نور در شرایط مختلف کار به طور مستقیم بر میزان مصرف انرژی آن تأثیر می گذارد. چراغهای جلو هالوژن سنتی می توانند به سرعت در هنگام شروع سرما به خروجی کامل نور برسند ، که باعث می شود آنها در سناریوهای استفاده کوتاه مدت راحت باشند. با این حال ، به دلیل راندمان کم نور و تولید گرمای زیاد ، آنها در صورت استفاده مداوم برای مدت طولانی (مانند رانندگی در بزرگراه ها در شب) به تولید انرژی بالا ادامه می دهند و افزایش مداوم دمای لامپ ممکن است عمر این رشته را کوتاه کند و بیشتر هزینه استفاده را افزایش دهد.
لامپهای چراغهای LED تک پرتوی 30W همچنین می توانند به سرعت در ابتدای راه اندازی به شار درخشان برسند و زمان پاسخ آنها معمولاً کمتر از 0.1 ثانیه است که با لامپ های هالوژن تفاوت معنی داری ندارد. در سناریوهایی که با شروع مکرر شروع و شروع به کار مانند جاده های شهری ، مزیت بهره وری انرژی از چراغهای جلو LED عمدتاً در عملکرد مصرف کم مصرف منعکس می شود-حتی اگر خاموش شود و دوباره روشن شود ، نوسان مصرف انرژی آن نسبتاً اندک است. در سناریوهای نورپردازی طولانی مدت مانند بزرگراه ها ، مزیت بهره وری انرژی از چراغهای جلو LED آشکارتر است: از یک طرف ، ویژگی های بازده نور بالا آن را قادر می سازد تا 30W قدرت را فراهم کند تا روشنایی روشنایی معادل لامپ های هالوژن سنتی یا حتی 70W را فراهم کند ، و مستقیماً نیاز به انرژی را کاهش می دهد. از طرف دیگر ، سیستم مدیریت حرارتی پایدار آن را قادر می سازد تا در طول کار طولانی مدت ، بازده نور پایدار را حفظ کند و از مصرف انرژی اضافی ناشی از جبران قدرت جلوگیری کند.
شایان ذکر است که در دمای شدید محیط ، عملکرد بهره وری انرژی این دو تا درجات مختلف نوسان خواهد داشت. راندمان نور لامپ های هالوژن سنتی ممکن است در محیط های دمای پایین (مانند -20 ℃) کمی بهبود یابد ، اما تحمل دمای بالا آن ضعیف است. هنگامی که دمای محیط بیش از 40 ℃ باشد ، سرعت تصعید رشته تسریع می شود و پوسیدگی نور تشدید می شود. راندمان نور چراغهای جلو LED به طور قابل توجهی تحت تأثیر دمای محیط قرار می گیرد: در محیط های دمای پایین ، ولتاژ رو به جلو تراشه های LED افزایش می یابد ، که ممکن است منجر به افزایش جزئی در مصرف انرژی شود ، اما مدارهای درایو مدرن معمولاً دارای عملکردهای جبران دما هستند که می توانند نوسانات مصرف برق را در 5 ٪ کنترل کنند. در محیط های درجه حرارت بالا ، اگر یک سیستم مدیریت حرارتی کارآمد بتواند دمای تراشه را در یک محدوده معقول کنترل کند ، چراغهای جلو LED هنوز هم می توانند خروجی نور پایدار را حفظ کنند ، اما پس از اتمام اتلاف گرما ، دمای تراشه از 100 درجه سانتیگراد فراتر می رود و ممکن است راندمان نور بسیار ضعیف شود. بنابراین ، در مقایسه واقعی بهره وری انرژی ، سازگاری محیطی چراغهای جلو LED باید به طور جامع در ترکیب با سطح طراحی سیستم های مدیریت حرارتی آنها ارزیابی شود ، و چراغهای LED تک پرتوی با کیفیت بالا 30W معمولاً می توانند عملکرد پایدارتر راندمان انرژی را در یک محدوده دمای گسترده حفظ کنند.
اقتصاد بهره وری انرژی بلند مدت و هزینه استفاده جامع
بعد مهم دیگر مقایسه بهره وری انرژی ، اقتصاد در استفاده طولانی مدت است که شامل عوامل مختلفی از جمله هزینه مصرف انرژی ، هزینه نگهداری و چرخه جایگزینی است. با فرض اینکه این وسیله نقلیه 20،000 کیلومتر در سال حرکت می کند و نسبت رانندگی شبانه 30 ٪ به حساب می آید ، زمان روشنایی سالانه حدود 200 ساعت است (با سرعت متوسط 60 کیلومتر در ساعت محاسبه می شود). قدرت چراغهای هالوژن سنتی معمولاً 55W است و راندمان درخشان با 20 لیتر در ساعت محاسبه می شود و مصرف سالانه انرژی سالانه 55W × 200H = 11 کیلووات ساعت است. مصرف برق سالانه چراغهای جلو LED تک پرتوی 30W با سرعت 100 لیتر در ساعت محاسبه می شود و مصرف برق سالانه 30 × 200H = 6 کیلووات ساعت است. محاسبه شده با قیمت برق مسکونی 0.6 یوان/کیلووات ساعت ، چراغهای جلو LED می توانند هزینه های برق (11 - 6) × 0.6 = 3 یوان در سال را نجات دهند. اگرچه پس انداز به تنهایی از منظر هزینه های برق اندک به نظر می رسد ، اما هنگام در نظر گرفتن سایر تغییرات هزینه ناشی از اختلاف بهره وری انرژی ، مزایای کلی اقتصادی آشکارتر است.
از نظر هزینه های نگهداری و جایگزینی ، میانگین عمر لامپ های هالوژن سنتی حدود 500-1000 ساعت است. محاسبه شده در 200 ساعت استفاده در سال ، آنها باید هر 2-5 سال یکبار جایگزین شوند و هزینه هر جایگزینی در حدود 20-50 یوان است. زندگی نظری یک چراغ جلو LED تک پرتوی 30W می تواند به 30،000-50،000 ساعت برسد. تحت استفاده عادی ، می تواند بیش از 10 سال نیازهای استفاده وسیله نقلیه را برآورده کند و تقریباً هیچ جایگزینی لازم نیست. علاوه بر این ، کاهش اثر روشنایی ناشی از پوسیدگی نور لامپ های هالوژن ممکن است باعث شود کاربران از قبل جایگزین آنها شوند و بیشتر هزینه های نگهداری را افزایش دهند. از منظر کل چرخه زندگی ، هزینه جایگزینی یک وسیله نقلیه را می توان با استفاده از چراغهای جلو LED در طول عمر خود (محاسبه شده به عنوان 10 سال) ذخیره کرد ، که همراه با 30 یوان ذخیره شده در صورتحساب برق ، مزایای قابل توجهی در بهره وری جامع انرژی و اقتصاد دارد.
رابطه هم افزایی بین عملکرد نوری و بهره وری انرژی
راندمان انرژی یک منبع نور نه تنها در سطح مصرف انرژی منعکس می شود ، بلکه کیفیت عملکرد نوری آن نیز بر اثر روشنایی واقعی و راندمان استفاده از انرژی تأثیر می گذارد. با توجه به محدودیت اصل انتشار نور ، توزیع طیفی چراغهای هالوژن سنتی نسبتاً گسترده است ، از جمله مقدار زیادی از تابش مادون قرمز و ماوراء بنفش ، در حالی که توزیع انرژی طیفی قسمت نور مرئی نسبتاً یکنواخت است ، اما فاقد بهینه سازی طیفی هدفمند است. این ویژگی با طیف کامل باعث می شود رنگ سبک لامپ های هالوژن زرد مایل به زرد باشد (دمای رنگ در حدود 2800-3200k است). اگرچه نفوذ خوب است ، اما میزان استفاده از شار درخشان کم است ، به خصوص در سیستم توزیع نور ، مقدار زیادی از نور باید از طریق بازتاب و انکسار توزیع شود و مقدار مشخصی از از دست دادن انرژی نور در این فرآیند رخ خواهد داد.
توزیع طیفی لامپهای چراغهای LED تک پرتوی 30W دارای کنترل قوی تر است. از طریق انتخاب مواد تراشه و فسفر ، دمای رنگ (معمولاً در محدوده 4000-6500k) و توزیع انرژی طیفی را می توان دقیقاً تنظیم کرد. به عنوان مثال ، برای نیازهای روشنایی جاده ، چراغهای جلو LED می توانند اجزای نور سبز آبی را در محدوده طول موج 450-550 نانومتر تقویت کنند ، توانایی چشم انسان را در شناسایی جزئیات جاده بهبود بخشند و در نتیجه اثرات روشنایی بهتری را در همان شار درخشان بدست آورند. علاوه بر این ، به عنوان یک منبع نور نقطه ، جهت انتشار نور LED کنترل آسان تر است. با استفاده از لنزهای نوری و بازتابنده دقیق ، شار نور را می توان در ناحیه روشنایی مؤثر (مانند سطح جاده و مهار) متمرکز کرد تا پراکندگی نور نامعتبر باشد. داده های آزمون نشان می دهد که میزان استفاده از شار درخشان از چراغ جلو LED تک پرتوی با کیفیت بالا 30W می تواند به بیش از 85 ٪ برسد ، در حالی که میزان استفاده از شار درخشان از چراغ هالوژن سنتی معمولاً بین 60 تا 70 درصد است. این مزیت عملکرد نوری چراغهای جلو را قادر می سازد تا اثرات روشنایی مؤثر با بالاتر با قدرت واقعی پایین تر دست یابند و این نشان دهنده مزیت بهره وری انرژی آن از دیدگاه دیگر است. $
