Nel processo di sviluppo dei sistemi di illuminazione automobilistica, l'iterazione della tecnologia delle fonti di luce è sempre stata ruotata attorno agli obiettivi fondamentali come il miglioramento dell'efficienza energetica, l'ottimizzazione delle prestazioni e il miglioramento dell'affidabilità. Come una delle attuali soluzioni di illuminazione tradizionale, Bulbi del faro LED a fascia singola da 30w Mostra differenze significative nelle prestazioni dell'efficienza energetica rispetto ai tradizionali fari alogeni. Questa differenza non si riflette solo nel livello di efficienza di conversione fotoelettrica di base, ma si estende anche a dimensioni multiple come l'efficienza di lavoro effettiva, la distribuzione del consumo di energia e il costo di uso completo dell'intero sistema di illuminazione.
Meccanismo di efficienza energetica di base della sorgente luminosa e differenza nella conversione dell'efficienza della luce
L'efficienza energetica di una sorgente luminosa dipende essenzialmente dalla sua capacità di convertire l'energia elettrica in energia luminosa. Questo processo prevede meccanismi fisici di base come l'efficienza di conversione dell'energia e le caratteristiche di distribuzione spettrale. Il principio di lavoro dei tradizionali fari alogeni si basa sulla luminescenza delle radiazioni termiche, che riscalda il filamento di tungsteno a uno stato di alta temperatura (di solito fino a 2500-3000K) attraverso la corrente elettrica, in modo che il filamento di tungsteno emetta uno spettro continuo. Tuttavia, solo una piccola quantità di energia elettrica (circa il 5% - 10%) viene convertita in luce visibile durante questo processo e la maggior parte dell'energia rimanente viene dissipata sotto forma di radiazioni a infrarossi (energia termica). Questa caratteristica ad alta perdita di calore rende l'efficacia luminosa (flusso luminoso prodotto per unità di potenza) di fari alogeni generalmente bassi, generalmente generalmente nell'intervallo di 15-25 lm/w.
La lampadina a LED a raggio singolo da 30 W adotta un meccanismo di emissione di luce a semiconduttore, il cui nucleo è l'effetto elettroluminescente della giunzione PN. Quando la corrente passa attraverso il materiale a semiconduttore, gli elettroni e i fori si ricombinano per rilasciare energia e generare fotoni. La conversione energetica di questo processo è più diretta, senza il collegamento intermedio delle radiazioni termiche. L'efficienza di conversione fotoelettrica dei moderni chip a LED può raggiungere il 30% - 40% e la corrispondente efficacia luminosa è generalmente compresa tra 80 e 120 lm/w. Assumendo una potenza di 30 W come esempio, una lampadina a LED di alta qualità può produrre un flusso luminoso di 2400-3600 LM, mentre un faro alogeno della stessa potenza può produrre solo un flusso luminoso di 450-750 lm. Questa significativa differenza nell'efficienza di conversione della luce determina fondamentalmente il divario gerarchico tra i due in termini di prestazioni di efficienza energetica.
Composizione del consumo di energia e impatto sull'efficienza energetica del sistema di gestione termica
Le prestazioni effettive di efficienza energetica della sorgente luminosa non sono solo determinate dall'efficienza della luce della sorgente di luce stessa, ma anche dalla distribuzione del consumo di energia e dal meccanismo di gestione termica dell'intero sistema di illuminazione. A causa della perdita di calore estremamente elevata dei tradizionali fari alogeni, una grande quantità di energia termica generata durante il funzionamento deve essere dissipata attraverso la naturale dissipazione del calore dell'alloggiamento della lampada. Sebbene la struttura di gestione termica delle lampade alogene sia relativamente semplice, questa caratteristica ad alta generazione di calore costituisce effettivamente una perdita di efficienza energetica nascosta, specialmente quando il sistema di condizionamento dell'aria del veicolo è in funzione, il calore emesso dalla lampada può aumentare il carico del condizionamento dell'aria nell'auto, portando indirettamente ad un aumento dell'energia dell'intero veicolo. Inoltre, il filamento della lampada alogena sarà gradualmente sublimato in un ambiente ad alta temperatura e gli atomi di tungsteno saranno depositati sulla parete interna del bulbo, con conseguente riduzione della trasmittanza della luce. Il fenomeno del decadimento della luce si intensificherà con l'estensione del tempo di utilizzo, che ridurrà anche l'efficienza energetica effettiva nell'uso a lungo termine.
Sebbene l'efficienza di conversione fotoelettrica del bulbo del faro LED a fascia singola da 30 W sia alta, una certa energia viene ancora rilasciata sotto forma di calore, quindi è necessario un sistema di gestione termica corrispondente per mantenere la temperatura di lavoro del chip. I moderni fari a LED di solito usano una struttura di dissipazione di calore composito composta da dissipatori di calore, silicone conduttivo termico e ventole (alcuni prodotti di fascia alta). Sebbene il sistema di gestione termica stesso consuma una piccola quantità di elettricità (ad esempio, il consumo di energia della ventola è generalmente di circa 1-3 W), l'efficiente progettazione di dissipazione del calore può controllare la temperatura del chip a LED nell'intervallo di lavoro ideale di 60-80 ℃ per evitare l'attenuazione dell'efficienza della luce causata dall'alta temperatura. I dati di ricerca mostrano che in condizioni di gestione termica ragionevoli, il tasso di decadimento della luce dei fari a LED dopo 3000 ore di funzionamento è generalmente inferiore al 10%, mentre il tasso di decadimento della luce delle lampade alogene può raggiungere più del 30% dopo lo stesso tempo di utilizzo. Questa stabilità dell'efficienza della luce a lungo termine consente ai fari a LED di mantenere prestazioni di efficienza energetica più coerenti durante il loro ciclo di vita, evitando l'effetto effetto di illuminazione e gli sprechi di energia potenziali causati dal decadimento della luce.
Differenze nelle prestazioni dell'efficienza energetica negli scenari di uso reale
Le prestazioni effettive di efficienza energetica dei sistemi di illuminazione dei veicoli devono essere valutate in combinazione con diversi scenari di utilizzo, poiché lo stato di lavoro della fonte di luce in diverse condizioni di lavoro influenzerà direttamente il suo livello di consumo di energia. I fari alogeni tradizionali possono rapidamente raggiungere l'uscita a piena luce durante l'avvio a freddo, il che li rende convenienti negli scenari di uso a breve termine. Tuttavia, a causa della loro scarsa efficienza della luce e della generazione di calore elevata, continueranno a generare un elevato consumo di energia se utilizzati continuamente a lungo (come la guida sulle autostrade di notte) e il continuo aumento della temperatura della lampada può ridurre la vita del filamento, aumentando ulteriormente il costo dell'uso.
Le lampadine del faro a LED a raggio singolo da 30 W possono anche raggiungere rapidamente il flusso luminoso nominale all'inizio dell'avvio e il loro tempo di risposta è generalmente inferiore a 0,1 secondi, il che non è significativamente diverso dalle lampade alogene. Negli scenari con frequenti start-stop e start-stop come le strade urbane, il vantaggio di efficienza energetica dei fari a LED si riflette principalmente nel basso funzionamento del consumo di energia, anche se viene spento e poi riacceso, la sua fluttuazione del consumo di energia è relativamente piccola. Negli scenari di illuminazione a lungo termine come le autostrade, il vantaggio di efficienza energetica dei fari a LED è più evidente: da un lato, le sue caratteristiche di efficienza della luce elevata consentono a 30 W di potenza di fornire luminosità dell'illuminazione equivalente alle tradizionali lampade da 55 W o addirittura a 70 W, riducendo direttamente i requisiti di potenza; D'altra parte, il sistema di gestione termica stabile gli consente di mantenere un'efficienza della luce stabile durante il funzionamento a lungo termine, evitando un ulteriore consumo di energia causato dalla compensazione di potenza.
Vale la pena notare che a temperature ambiente estreme, le prestazioni di efficienza energetica dei due fluttuano a vari gradi. L'efficienza della luce delle lampade alogene tradizionali può essere leggermente migliorata in ambienti a bassa temperatura (come -20 ℃), ma la sua tolleranza ad alta temperatura è scarsa. Quando la temperatura ambiente supera i 40 ℃, la velocità di sublimazione del filamento viene accelerata e il decadimento della luce è aggravato. L'efficienza della luce dei fari a LED è più significativamente influenzata dalla temperatura ambiente: in ambienti a bassa temperatura, la tensione in avanti dei chip a LED aumenta, il che può portare a un leggero aumento del consumo energetico, ma i moderni circuiti di azionamento hanno di solito funzioni di compensazione della temperatura, che possono controllare le fluttuazioni del consumo di energia entro il 5%; In ambienti ad alta temperatura, se un efficiente sistema di gestione termica può controllare la temperatura del chip all'interno di un intervallo ragionevole, i fari a LED possono comunque mantenere una luce stabile, ma una volta che la dissipazione del calore si guasta, la temperatura del chip supera i 100 ° C e l'efficienza della luce può essere notevolmente attenuata. Pertanto, nei confronti effettivi di efficienza energetica, l'adattabilità ambientale dei fari a LED deve essere valutata in modo completo in combinazione con il livello di progettazione dei loro sistemi di gestione termica e i fari LED a fascia singola da 30 W di alta qualità possono di solito mantenere prestazioni di efficienza energetica più stabili all'interno di un ampio intervallo di temperatura.
Economia di efficienza energetica a lungo termine e costo di uso completo
Un'altra dimensione importante del confronto sull'efficienza energetica è l'economia nell'uso a lungo termine, che coinvolge molteplici fattori come il costo del consumo di energia, i costi di manutenzione e il ciclo di sostituzione. Supponendo che il veicolo viaggi 20.000 chilometri all'anno e la percentuale di guida notturna rappresenta il 30%, il tempo di illuminazione annuale è di circa 200 ore (calcolato a una velocità media di 60 km/h). Il potere dei tradizionali fari alogeni è di solito 55 W e l'efficienza luminosa viene calcolata a 20 lm/w e il consumo di energia annuale è 55W × 200H = 11 kWh; Il consumo energetico annuale di fari LED a raggio singolo da 30 W è calcolato a 100 lm/w e il consumo di energia annuale è di 30w × 200h = 6 kWh. Calcolato al prezzo di elettricità residenziale di 0,6 yuan/kWh, i fari a LED possono risparmiare costi di elettricità (11 - 6) × 0,6 = 3 yuan all'anno. Sebbene i risparmi sembrino piccoli dal punto di vista dei costi di elettricità, i benefici economici complessivi sono più evidenti quando si considerano altre variazioni dei costi causate dalle differenze di efficienza energetica.
In termini di costi di manutenzione e sostituzione, la durata media delle tradizionali lampade alogene è di circa 500-1000 ore. Calcolato a 200 ore di utilizzo all'anno, devono essere sostituiti ogni 2-5 anni e il costo di ciascuna sostituzione è di circa 20-50 yuan. La durata teorica di un faro LED a raggio singolo da 30 W può raggiungere 30.000-50.000 ore. In uso normale, può soddisfare le esigenze di utilizzo del veicolo per più di 10 anni e quasi nessuna sostituzione. Inoltre, il declino degli effetti di illuminazione causata dal decadimento della luce delle lampade alogene può spingere gli utenti a sostituirli in anticipo, aumentando ulteriormente i costi di manutenzione. Dal punto di vista dell'intero ciclo di vita, il costo di sostituzione di un veicolo può essere salvato utilizzando i fari a LED durante la sua durata di servizio (calcolata come 10 anni), che, combinata con i 30 yuan salvati nelle bollette elettriche, presenta significativi vantaggi nell'efficienza energetica completa e nell'economia.
Relazione sinergica tra prestazioni ottiche ed efficienza energetica
L'efficienza energetica di una sorgente luminosa non si riflette solo nel livello di consumo energetico, ma la qualità delle sue prestazioni ottiche influenzerà anche l'effetto di illuminazione effettiva e l'efficienza di utilizzo dell'energia. A causa della limitazione del principio di emissione di luce, la distribuzione spettrale dei tradizionali fari alogeni è relativamente ampia, tra cui una grande quantità di radiazione a infrarossi e ultravioletti, mentre la distribuzione spettrale di energia della parte della luce visibile è relativamente uniforme, ma manca di ottimizzazione spettrale mirata. Questa caratteristica a spettro completo rende il colore della luce delle lampade alogene giallastre (la temperatura del colore è di circa 2800-3200k). Sebbene la penetrazione sia buona, il tasso di utilizzo del flusso luminoso è basso, specialmente nel sistema di distribuzione della luce, nel processo si verifica una grande quantità di luce attraverso la riflessione e la rifrazione e nel processo si verificherà una certa quantità di perdita di energia della luce.
La distribuzione spettrale delle lampadine a LED a raggio singolo da 30 W ha una controllabilità più forte. Attraverso la selezione di materiali di chip e fosfori, la temperatura del colore (di solito nell'intervallo di 4000-6500K) e la distribuzione di energia spettrale può essere regolata con precisione. Ad esempio, per le esigenze di illuminazione stradale, i fari a LED possono migliorare i componenti della luce blu-verde nella gamma di lunghezze d'onda di 450-550nm, migliorare la capacità dell'occhio umano di identificare i dettagli della strada e quindi ottenere migliori effetti di illuminazione allo stesso flusso luminoso. Inoltre, come sorgente di luce puntuale, la direzione di emissione della luce del LED è più facile da controllare. Con la lente e il riflettore ottico progettati con precisione, il flusso di luce può essere concentrato nell'area di illuminazione efficace (come la superficie stradale e il marciapiede) per ridurre la dispersione della luce non valida. I dati di test mostrano che il tasso di utilizzo del flusso luminoso di un faro LED a raggio singolo di alta qualità da 30 W può raggiungere oltre l'85%, mentre il tasso di utilizzo del flusso luminoso di un tradizionale faro alogeno è generalmente tra il 60%e il 70%. Questo vantaggio di prestazioni ottiche consente ai fari a LED di ottenere effetti di illuminazione efficaci più elevati con una potenza effettiva inferiore, riflettendo il suo vantaggio di efficienza energetica da un'altra prospettiva.
