发光功效和效率 Luminous efficacy and efficiency

2022-11-10 09:33:33 浏览:295

定义

光源的光通量除以其辐射功率或其耗电量(功效);达到的功效与理论上可能的功效(发光效率)的比率。

光源的发光效率是其产生的光通量除以其辐射通量或电能消耗。 在这两种情况下,人们都会获得每瓦流明(lm/W)的单位,但含义当然是不同的:

  • 如果除以辐射通量,则结果仅取决于光源光谱的形状以及应用的光度函数,该函数量化了标准人眼的波长相关灵敏度。
  • 更常见的定义是光通量除以光源的电力消耗。 例如,一个 60 W 的灯泡(白炽灯)可以发出 900 流明,这导致 15 lm/W 的发光效率。 基于发光二极管(LED)的灯可以产生相同的光通量,其功耗远低于10 W,因为它更有效。

光源的高效率可能会因糟糕的灯设计而破坏!

请注意,如果大部分产生的光损失,例如通过吸收某些外壳(灯具),照明设备(例如,客厅的吸顶灯或路灯)的发光效率可能远低于所用光源的发光效率。 显然,不仅要优化光源,还要优化灯具。 虽然有些灯具基本上是无损的,但其他灯具则完全破坏了效率。

LED的空间定向发射通常更容易避免灯具中的大量光损失。 该因素(除了光产生的高效率之外)可以极大地促进照明设备的有效效率,从而达到能源效率。

光线去哪里可能很重要!

另一个重要的方面不包含在发光效率中:例如,一些路灯向夜空发送大量光线,在那里它是无用的,甚至是有害的,造成光污染。

另一个重要方面是,当使用转换效率差的灯电源时,发光效率可以有效地被破坏。 虽然白炽灯通常可以直接使用线电压运行,但许多气体放电灯需要特殊的电源。 如果这是用旧式技术制造的,可能会浪费大量的电力。 然而,现代高频开关电源可能非常高效,仅造成百分之几的能量损失。 当然,最好指定灯的有效发光效率,包括其电源。

显然,照明设备的发光效率在能源效率和电力消耗方面很重要,因为低效率的灯需要更多的电力来产生照明所需的光通量。 虽然损失的能量转化为热量,并且该热量可能有助于所需的房间供暖,但这一方面并没有实质性地改变能源效率,因为(a)加热效果并非在所有条件下都是可取的(例如在夏季)和(b)电加热由于发电中的大量能量损失而效率相对较低。 例如,当用于热泵时,相同数量的电力可以对加热做出更大的贡献,并且仅在需要的时候。

功效对温度、调光和老化的依赖性

某些光源的发光效率取决于温度。 对于荧光灯,它随着温度的升高而暂时变高,而发光二极管则相反。

白炽灯对环境温度相当不敏感,而对工作电压(功率)有很强的依赖性:当调暗这种灯时,其功效可以进一步大幅降低,而荧光灯和LED的调光可以在保持功效的同时完成。

由于老化过程,功效也可能在操作过程中降低。

发光效率

光源的发光效率通常定义为其发光效率除以最大可能值。 这就提出了一个问题,“最大可能”到底是什么意思:

  • 人们可以将 683 lm/W 的理想值作为理想高效光源在 555 nm 处实现的理想值。 在这种情况下,15 lm/W 的灯泡的发光效率为 15 / 683 = 2.2%。 即使是理想的节能白光源也永远无法达到100%的发光效率,因为例如,红色和蓝色光谱分量的功效必然会降低。
  • 或者,可以采用理想高效光源的发光效率,其光谱形状与所考虑的光源相同。 例如,对于白光源,该值将大大降低,因此产生的发光效率将相应更大。 作为定量示例,白光LED灯的发光效率可能为180 lm/W,其光谱可能导致理论上可能的发光效率为300 lm/W;发光效率将为180 / 300 = 60%。 该数字表明该技术与给定光谱的理论上可能的最大值的接近程度。

似乎前一个定义在文献中更为常见;实际上,许多作者似乎没有意识到究竟应该选择哪种定义。

照明效率

照明系统的效率在很大程度上取决于光源的发光效率,但应牢记一些其他方面,如下所述。

照明系统的运行成本基本上由所需的光通量乘以运行持续时间除以照明设备的发光效率(而不仅仅是光的产生)决定。 该计算可提供所需的电能,例如在 24 小时内。 然而,这种方法,例如应用于特定的房间,是相当粗糙的,因为它忽略了详细的照明需求。

更准确的方法是考虑房间的哪个区域需要什么级别的照度。 例如,在人们必须能够阅读文档的几个地方,通常具有高照度就足够了;房间的其余部分可以保持在明显较低的光线水平。 为了获得最大效率,然后提供一定水平的基本照明(通常使用漫射光源)和一些额外的更定向的光源,以进一步照亮有限的区域。 对于基础照明,高发光效率的重要性通常最高,它涉及整体光通量的最大部分。

效率的其他重要方面是可以利用多少日光以及吸收了多少产生的光,例如在黑暗的墙壁上。 请注意,与包含大量深色材料的房间相比,白色建筑材料反射或散射大部分入射光,从而大大降低了人造光源所需的光通量。

光检测和表征

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