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能源介绍

文章来源:本站人气:866发表时间:2015-09-24 09:28:48


 

                              第一节:能源危机

 

 

1.能源储量所剩无几:

全球能源主要依赖石油、煤炭、天然气等,其储量和可开采年限如下表所示:

能源

世界

中国

储存量

可采年数

储存量

可采年数

石油

1855.04亿T

45

40亿T(世界第8

15

煤炭

48400亿T

230

6000亿T(世界第3

81

天然气

187.16万亿m3

61

54万亿m3(世界第9

30

1500亿T

71

10亿T(世界第9

50

然而,随着人类需求在量上不断地膨大、在质上不断地奢华,人们在能源上的需要远远大于能源的储量,地球已经不堪重负。

我国经济快速增长,各项建设取得巨大成就,但也付出了巨大的资源和环境代价,经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐,群众对环境污染问题反应强烈。这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接相关。不加快调整经济结构、转变增长方式,资源支撑不住,环境容纳不下,社会承受不起,经济发展难以为继。能源问题已经成为制约经济和社会发展的重要因素。

2.只有节能才是根本出路!

石油、煤炭、天然气、铀均不可再生,只有依靠节省才能有效缓解能源短缺的压力。节能是缓解能源约束,减轻环境压力,保障经济安全,实现全面建设小康社会目标和可持续发展的必然选择。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展,才能实现经济又好又快发展。

3.照明耗电举足轻重!

石油、煤炭、天然气、铀等是能源不同的储存形式,人们直接消耗掉的能源,有相当重的比例是由石油、煤炭、天然气、铀等转换成的电能。

照明直接需要的就是电能。

全球照明占能源消耗的8.9%、占电力消耗的19%,我国照明占能源消耗的5.9%、占电力消耗的12%,而且照明的能量消耗总量每年以10%的速度增长。可见,照明节能举足轻重,也是节能工作必不可缺少的一个重要部分。

4.传统光源的能耗太高:

①传统光源全部采用全空间发光,而导致光线反射时的光通量浪费和损耗;

②传统光源中,有的光效低、有的显色性低、有的色温不宜,他们的综合照明效果较差,需要加大能源的投入才能实现照明效果。

因此,为了节能降耗,亟待选用其它节能降耗效果十分显著的新光源。

 

 

                         第二节:环境污染

 

第一节人们为了生存甚至为了享受,肆意地把千万吨的废气送到天空、把数以亿吨计的垃圾倒进江河湖海,结果对自己生存的环境造成了严重的污染,比如大气污染、土壤污染、固体污染。

1.环境污染会给生态系统造成直接的破坏和影响:

①大气中污染物的浓度很高时,会造成急性污染中毒,或使病状恶化,甚至在几天内夺去几千人的生命。其实,即使大气中污染物浓度不高,但人体成年累月呼吸这种污染了的空气,也会引起慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿及肺癌等疾病。

②大气污染物严重影响着天气和气候,比如:减少到达地面的太阳辐射量、增加大气降水量、下酸雨、增高大气温度、导致全球的气候异常。

2.传统光源和灯具有相当程度的污染:

主要表现在以下几个方面:

①辐射出有害的紫外线:为了提高光效、实现节能,人们不断地对光源进行革命,于是由第一代光源——利用热辐射而发光的白炽灯和卤钨灯,发明了第二代光源——利用荧光粉吸收由汞气蒸发产生的紫外线而发光的荧光灯(包括日光灯和传统意义的节能灯),继而又发明了第三代光源——利用气体放电而发光的气体放电灯(包括金卤灯、汞灯、钠灯、氙气灯等)。然而,第二代、第三代的光源在发光时都离不开汞元素的促进作用、都会辐射出不同程度的紫外线。第二代、第三代的光源辐射出的紫外线,造成了相当程度的气体污染。

②产生有害的垃圾:为了提高光效、改善发光效果,第二代、第三代光源中,几乎都使用了汞之类的有害元素,这在生产、使用、报废的过程中,必然产生很难处理的有害垃圾。

③产生强烈的电磁场:无极荧光灯是利用强烈的电磁场,提高灯管内汞气的高温,促进汞气被击穿放电、致光。强烈的电磁场散发到灯具的周围环境,造成电磁能的污染。在长时间地使用传统光源时,上述污染必然造成一定的危害。

④产生难以处理的固体垃圾:玻璃是传统光源的主要材料,传统光源在报废之后必然产生大量的难以处理的玻璃垃圾。

⑤产生光线频闪:传统光源都使用交流电致光,因而很难克服光线的频闪而影响视觉和视力。

⑥吸引蚊虫、粉尘:致光的高电压,易吸引蚊虫、吸附粉尘,而污染环境。

⑦难以通过配光而消除眩光:除荧光灯之外,传统光源都会产生眩光,而影响视觉和视力。

 

 

                            第三节:传统光源的缺点

 

1.易破损、维护量大:

传统光源都采用玻璃泡壳、采用玻璃支架固定发光源,因而玻璃部件极易破碎,而终止寿命;除无极灯外传统光源都采用灯丝发光或者采用电极加压击穿气体发光,因此灯丝、电极逐步耗损,而缩短寿命。易损坏、寿命短,必然导致频繁地维护、更换;频繁地维护、更换,必然增加的投入。

2.易触电、易伤人:

传统光源全部采用玻壳防护,这不仅易碎终止寿命,而且容易伤人。传统光源都是直接采用交流电压供电,像荧光灯、气体放电灯还需使用镇流器产生高压来击穿灯管内的气体放电发光,因此工作电压高,易出现触电事故。

3.难组合、亮度不可调、颜色单一:

传统照明灯都是采用独独一颗的光源来实现照明,难以配光,难以多只光源组合使用;传统照明光色固定、亮度难调。这些,都难以适应人们的不同的需要、个性化的需要和美化的需要。

4.启动时间长、瞬间频启影响寿命:

除白炽灯、卤钨灯之外,传统光源的响应时间长,从接通电源到亮度稳定往往需要几秒甚至几分钟。而且像气体放电灯,在关灭之后必须要等待一段时间使光源冷却之后,才能再次通电点亮。短时间内频繁地点亮和熄灭传统光源,必然损坏光源、缩短光源的寿命。

 

四、传统路灯耗电量大!

1.传统光源照明效果差、光通量耗费严重:

①常用的高压钠灯虽然光效高达120ml/W,但光谱集中于黄色,色温只有2000K2500K,显色指数只有2040,因此光色失真、感觉昏暗、被照射物体难以辨识,照明效果很差;

②传统光源几乎360°的全方位出光,一方面造成光线越出路面的光通量浪费,二方面增加了反射器吸收光通量的损耗,三方面造成光线反射向路面时受到光源阻挡的损耗。

从照明实际效果上看,70WLED灯即可取代250W的高压钠灯。

2.传统路灯配光难:传统路灯的光源只有一个,而且是几乎360°的全方位出光,因此照射在路面上的光斑照度均匀度太差,往往灯下很亮,而两灯交界处昏暗,甚至根本照射不到。

3.传统光源易损坏:传统光源受到电网电压波动的伤害严重,一般不到1年就需要批量更换;传统光源都使用玻壳包装,因此易碎;除无极灯外,传统光源不是采用灯丝就是采用电极,因此极易耗损。频繁的更换、补充,增加成本和费用。

4.传统光源不环保、不安全:传统光源大都含汞,辐射紫外线、红外线、电磁感应波等,严重污染环境、有害人们身体健康;传统光源的玻壳易碎、易爆而易于伤人,频繁的维护加大了安全事故率。

5.传统光源维护费用高:传统光源及线路的故障率高,因此需要频繁地检查、维护、修理,不仅费用高。

6.发现问题严重滞后、维护调试必须亲临现场:路灯的实际运行状况以及相关信息,必须亲临现场检查才能获得,不仅费时费力,而且严重滞后、造成延误。

五、人们已经找到并且推广使用了目前最理想的光源——LED

LED(Light Emitting Diode),发光二极管,是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED具有传统光源无法相比的优点:

1.比所有的传统光源都节能:

一种光源的节能效果主要取决于发光效率,其次是寿命、显色指数、色温、光通量利用效率。灯的发光效率是指,输入1W的电功率所能产生的光通量,光效高则电能的利用率就高。灯的寿命是指,开始点亮到光通量衰减到额定光通量的70%80%时所经历的时数,寿命长则维修、更换的次数就少,所付出的能源投资就少。灯的显色指数是指,在设定太阳光的显示指数为100的情况下,灯光接近太阳光的程度,表示显示物体本色的能力,显色指数高则不需要更高的光通量即可有效辨识物体。灯的色温是指,色相与黑体相同时黑体所处于的温度,表示光色相对白的程度,色温<3300K有稳重的气氛,温暖的感觉;色温30005000K有爽快的感觉;色温>5000K有冷的感觉,色温适宜则表示红、绿、兰三原色的比率适当,光色更逼真,不需要更高的光通量即可有效辨识物体。灯的光通量利用效率取决于光源的出光角度、聚光杯的有无及反光率、透镜的有无及透光率、透光罩的有无及透光率、综合配光效果等因素。

LED与传统光源的主要性能比较见下表:

光效lm/W

平均寿命h

显色指数

色温K

白炽灯

7.325

1000

100

2800

卤钨灯

1430

3000

95100

2900

荧光灯

普通

60100

70

8000

全系列

紧凑型

4487

85

800012000

27005300

金卤灯

52130

600020000

6592

300045005600

无极荧光灯

4487

4000080000

85

30004000

高压钠灯

64140

24000

2360

195022002500

LED

100120

100000

80

全系列

②传统光源是球面出光,光源发出的光不仅照向目标方向,而且还有一半以上的光照向侧向和反向。为了充分利用光通量、避免光通量在侧向尤其是在反向上的流失,人们不得不采用反光镜和聚光器。由于反光镜会造成10%以上的损耗,而且反射回来的光又受到光源的阻挡,因此实际能够反射回来并且照到目标的光,往往会被损耗掉20%左右。再加上聚光杯也同样存在10%左右的损耗。总的算起来,侧向光和反向光最终能够被利用到的只有60%左右。LED光源是半空间发光,也就是说几乎都是照向目标照射的光,避免了传统光源依赖反光器、聚光杯导致的光线吸收和光源自身的阻挡而造成的光损。

综合考虑发光效率、是寿命、显色指数、色温、光通量利用率5项因素,LED最节电。事实上,LED灯要比最常用的室内照明灯——荧光灯和最常用的室外照明灯——高压钠灯节电60%以上。

随着LED制造技术的不断提高,LED的发光效率将不断地提高。预计,2015年将达200ml超过现有光源,最终可达300lm/WLED的发光效率将远远高于所有的传统光源,其节能作用越来越大,必将迅速全面取代传统光源。

2.从根本上解决了环保问题:

LED利用PN结中载流子复合发光,也不使用汞等有害元素,故不会辐射紫外线、电磁场等。

LED是用环氧树脂封装PN结芯片而成,在生产、使用、报废时都不会造成污染。报废品也不会造成难以处理的垃圾。

LED使用直流电驱动,不会产生光线频闪而影响视觉和视力,不会吸引蚊虫、吸附粉尘而污染环境。

④可通过设计和透镜配光,几乎不会产生散射的眩光,对周围环境不会造成光污染;可形成均匀的光场区照度、光线柔和,有效地减少人眼疲劳。

3.寿命长:

环氧树脂封装,无灯丝和玻璃外壳,抗震,寿命50000h,寿命主要取决于电器。

4.维护费用极低:

固体光源,可靠、耐用,维护率小,维护量小,维护费用极为低廉。

5.发光效率高:

光谱几乎全部集中在可见光频段,发光可见率80%90%

6.颜色纯正、可调制成多色:

光谱纯正,无需滤光镜。可用红绿蓝三基色调制成各种不同的颜色、实现多变、逐变、混光效果;通过化学修饰方法,调整材料的能带结构和带隙,实现红黄绿兰橙多色发光(如小电流时为红色的LED,随着电流的增加,可以依次变为橙色,黄色,最后为绿色)。

7.显色逼真、亮丽:

显色指数高,光色接近太阳光,色温全系列可选,被照物体的颜色逼真、亮丽、视觉舒适。

8.可瞬间频繁启动:

启动时间为ns级(白炽灯的响应时间为ms级),可采用脉宽调节方法调节电压占空比和工作频率,改变LED工作电流的有效值,实现亮度动态、连续控制,实现完美的调光。

9.安全不伤人:

单管工作电压DC 0.83.8V、工作电流不足1A,不会触电,不会引爆;环氧树脂包装,不会产生伤人的碎渣;不含有害元素,生产、使用中和报废后都不会造成伤害。

10.易散热:

易于采取散热手段,来确保PN结温≤75℃,不会因高温使灯罩老化发黄而亮度降低和寿命缩短。

11.光源小、易组合:

发光体芯片尺寸小,可看成点光源,可按照光源光通量分布模型计算,可任意组合成不同功率及亮度需求的产品;可设计成发光模块,每个模块是一个独立的光源且可互换,局部故障不影响整个灯具的正常工作,方便拆卸及维护,节约维护成本,使维护工作变得非常轻松。

12.可与太阳能电池“绝配”:

LED采用PN结中自由电子与空穴的复合发光,而且工作电压为直流,单管工作电压3V左右。太阳能电池采用PV结的光伏打响应产生电动势,输出直流电压,单体电压0.51.2V。因此,可通过串并联,使LED与太阳能电池电压直接匹配、无需逆变器,还可实现风光电三户补供电。

13.功率因数高:

功率因素≥0.9,谐波失真≤20%EMI符合全球指标,减少输电线路的电能损耗和避免对电网的高频干扰污染。

14.透镜与灯罩可一体化设计:

导光的透镜可与灯罩一体化设计,同时担当聚光与防护的作用,避免了光的重复浪费,降低了光的损耗,同时也减轻了产品的重量,并使结构简单化,让产品更加轻薄。

 

 

            第四节:国家引导、扶持政策

 

2005年1129日,发改能源[2005]2517号《可再生能源产业发展指导目录》。

2006年86日,国发〔200628号《关于加强节能工作的决定》。

2006年94日,财建[2006]460号《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》。

2007年523日,国家发改委等部门《节能减排综合性工作方案》。

2007年1028日,国家《节约能源法》。

2009年323日,财建[2009]128号《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》。

2009年323日,财建[2009]128号《推进太阳能光电技术在建筑领域的应用》。

2009年922日,发改环资〔20092441号《半导体照明节能产业发展意见》。

 

    LED灯一般为黑夜亮、白昼灭,LED灯由蓄电池通过控制器供电,蓄电池的电能由太阳能电池组件、风力发电机和市电三互补供给。有阳光时,太阳能电池组件通过控制器向蓄电池充电;环境风速约高于3m/s时,风力发电机通过控制器向蓄电池充电;太阳能电池和风力发电机对蓄电池的充电量不能满足LED灯的需求并且蓄电池电压下降到某个设定数值时,控制器引入市电对蓄电池充电;太阳能电池和风力发电机对蓄电池的充电量恢复到能够满足LED灯的需求时,控制器推出市电对蓄电池充电。

太阳能电池组件、风力发电机、市电对蓄电池的充电采用脉宽调制的方式,以实现三阶段充电(即,蓄电池正常工作时采用浮充电,有效地防止过充电、减少水分散失;蓄电池放电深度≥70%时实施1次快速充电,有利于完全恢复蓄电池的容量;蓄电池放电深度≥40%时实施1次均衡充电,不仅有利于完全恢复蓄电池的容量而且轻微地放气还能够起到搅拌作用而防止蓄电池内电解液的分层)。

蓄电池对LED灯的放电也采用脉宽调制方式,以适应LED灯不同的功率(或者LED灯工作电流的有效值)。

每盏LED灯的亮灭状态、LED灯的温度、太阳能电池的输出电压和电流、风力发电机的电压和电流、蓄电池的端电压、蓄电池的安全状态、蓄电池的温度,经采样、数据转换后输入给本盏LED灯配置的ZigBee节点,每盏LED灯的ZigBee节点以2.4GHz为载波、以250bps的速率,把需要传输的数据,无线传送给本区域公用的PAN协调器中的ZigBee模块,ZigBee模块再把数据输入给处于同一PAN协调器内的GPRS模块,GPRS模块再把数据传送给通信网络、Internet网络,具有上网功能、安装了专用显示软件的后台管理中心电脑即可在界面上显示相关数据。以上数据传输过程为上行传输。

需要人为开关LED时,可在后台管理中心电脑的界面上,通过界面按键选择,再通过Internet网络、GPRS网络、ZigBee网络、LED灯控制器,下行传输控制信号,实现LED灯的开关遥控。

 

 

                      第五节:LED路灯系统产品的组件

LED光源:

1.名词解释:LEDlight-emitting diode的英文缩写,即发光二极管。LED是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。

2.PN结:半导体硅原子的外层有4个电子,按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时,这些电子就会脱离轨道而成为自由电子,并在原来的位置上留下一个“空穴”,在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、镓等元素后,硅晶体就变成了空穴型半导体,通常用符号P表示;在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷等元素后,硅晶体就变成了电子型半导体,以符号N代表。把这两种半导体结合在一起后,在界面附近,P型半导体中多余的空穴向N型半导体扩散,N型半导体中多余的电子向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合,载流子消失。因此,在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子,却有分布在空间的带电的固定离子,称为空间电荷区。P型半导体一边的空间电荷是负离子,N型半导体一边的空间电荷是正离子。正、负离子在界面附近产生电场,这电场阻止载流子进一步扩散,达到平衡,形成P-N结。

  在P-N结上外加P极正、N极负的电压,P-N结内便产生从P区到N区的电流,空穴和电子都向界面运动,使空间电荷区变窄,电流可以通过;在P-N结上外加N极正、P极负的电压,P-N结内便产生从N区到P区的电流,空穴和电子都向远离界面的方向运动,使空间电荷区变宽,阻止电流通过。这就是PN结的单向导电性。

P-N结所加反向电压增大到一定程度时,反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流,则电流会大到将PN结烧毁。

3.发光原理:发光二极管的核心部分是P-N结。在PN结两端加上正向电压时,结内电流从P区流向N区,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关,光的颜色与材料有关。P-N结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。

4.大功率白光LED常见结构:

 

5.大功率LED的特点:

⑴环氧树脂封装,无灯丝和玻璃外壳,没有传统灯管破裂的问题,抗震,寿命50000hLED灯的寿命主要取决于电器;多只LED组合使用,坏其一而其它照样继续发光。

⑵可靠、耐用、维护费用极为低廉。

⑶光谱几乎全部集中在可见光频段,发光效率80%90%

⑷光效目前120ml2015年可达200ml超过现有光源,最终可达300lm/W

⑸颜色纯正,无需滤光镜;可用红绿蓝三基色调制成各种不同的颜色、实现多变、逐变、混光效果;通过化学修饰方法,调整材料的能带结构和带隙,实现红黄绿兰橙多色发光(如小电流时为红色的LED,随着电流的增加,可以依次变为橙色,黄色,最后为绿色)。

⑹色温45006500K,颜色接近于自然光,能满足不同场合对色温的要求,消除了钠灯色温过低和汞灯色温过高引起的催眠情绪和压抑情绪,使观察者倍感舒适。显色指数≥85。与高压钠灯相比,人眼感到同等亮度时所需要的光强低得很多,更容易分辨物体,98WLED灯,其照明效果相当于高压钠灯250W

⑺响应时间为ns级(白炽灯的响应时间为ms级),可采用脉宽调节方法调节电压占空比和工作频率,改变LED工作电流的有效值,实现亮度动态、连续控制,实现完美的调光。

⑻可通过设计和透镜配光,几乎不会产生散射的眩光,对周围环境不会造成光污染;可形成均匀的光场区照度、光线柔和,有效地减少人眼疲劳。

⑼清洁能源,不吸引昆虫,不像荧光灯、汞灯等含有汞,不像高压气体灯辐射紫外线,不像无极灯辐射强烈的电磁场;生产过程和废气光源均无污染;固态光源不会爆破;单管工作电压0.83.8V、工作电流不足1A,不会触电,不会引爆,不会因高压吸尘。

⑽直流工作,并配有恒流源,发光恒定,彻底无频闪,不会由此引起视觉疲劳。

⑾易于采取散热手段,确保PN结温≤75℃,不会因高温使灯罩老化发黄而亮度降低和寿命缩短。

⑿半空间发光,避免了传统光源依赖反射器导致的光线吸收和光源自身的阻挡继而避免了光损。

⒀发光体芯片尺寸小,可看成点光源,可按照光源光通量分布模型计算,可任意组合成不同功率及亮度需求的产品;可设计成发光模块,每个模块是一个独立的光源且可互换,局部故障不影响整个灯具的正常工作,方便拆卸及维护,节约维护成本,使维护工作变得非常轻松。

⒁可通过串并联,使LED与太阳能电池电压(单体工作电压0.51.2V)直接匹配、取消逆变器,还可实现风光电三户补供电。

⒂功率因素≥0.9,谐波失真≤20%EMI符合全球指标,减少输电线路的电能损耗和避免对电网的高频干扰污染。

⒃透镜与灯罩可一体化设计,同时担当聚光与防护的作用,避免了光的重复浪费,降低了光的损耗,同时也减轻了产品的重量,并使结构简单化,让产品更加轻薄。

 

LED路灯:

1.组成:LED灯由LED灯珠、铝基板、反光罩、透光罩、密封件、灯壳等组成。

2.主要技术参数:

型号

BLL-28/42/56/70/84/98/112/126W

功率

28W/42W/56W/70W/84W/98W/112W/126W

光源

科瑞芯片LED灯珠,正白色,120ml20008000K

输入电压

直流,压值根据LED的串数和工作电压确定

驱动方式

恒流;脉宽调制

启动稳定时间

1s

短路保护时间

1s

灯壳材料

A6063

散热形式

灯壳、散热器一体

光斑形状

矩形

光斑照度均匀度

0.5

防护等级

IP65


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