申 康,周昌元
(欽州學(xué)院 機(jī)械船舶與海洋工程學(xué)院,廣西 欽州 535011)
?
電力電子技術(shù)在綠色照明中的應(yīng)用*
申康,周昌元
(欽州學(xué)院機(jī)械船舶與海洋工程學(xué)院,廣西欽州535011)
隨著傳統(tǒng)能源的逐漸減少,現(xiàn)代綠色能源的需求迫在眉睫,通過研究改造光源,研究光纖照明技術(shù)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等綠色新能源的工作原理、應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì),指出了綠色照明行業(yè)的發(fā)展方向。把電力電子技術(shù)與綠色照明技術(shù)相結(jié)合,對(duì)于提升能源的利用率,提高燈具照明的轉(zhuǎn)換率,節(jié)約能源具有重要意義。電力電子技術(shù)的創(chuàng)新與綠色照明技術(shù)的發(fā)展為全球低碳經(jīng)濟(jì)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
電力電子技術(shù);光纖;光伏發(fā)電;LED;綠色照明
隨著人類科技的進(jìn)步,照明趨向于健康節(jié)能的綠色照明發(fā)展?,F(xiàn)代新能源的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)的先進(jìn)性研究,以太陽能光伏發(fā)電和光纖照明為代表的綠色照明在人們生活中扮演著重要的角色,推動(dòng)了新能源的不斷研究發(fā)展。
LED的發(fā)展在綠色照明中起著重要的作用。太陽能電池、光導(dǎo)纖維、光纖散光材料等技術(shù)的研究,把綠色照明推向一個(gè)更加節(jié)能、高效、環(huán)保的方向。
目前想要改變傳統(tǒng)的照明器具,實(shí)現(xiàn)綠色照明,有兩種方法,一是改進(jìn)電路,另一個(gè)是改造光源。
(一)改進(jìn)電路
以前我們生活中常用的白熾燈、日光燈能耗大,亮度暗,并且不穩(wěn)定,容易燒壞,要實(shí)現(xiàn)節(jié)能、綠色的照明燈具,則需要改進(jìn)照明電路,提高電能利用率。
隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,高頻交流電子鎮(zhèn)流器取代電感鎮(zhèn)流器來改變照明電路,在照明電路中加入高頻交流電子鎮(zhèn)流器,使得電路始終保持高頻交流狀態(tài),并且能夠?qū)崿F(xiàn)低壓穩(wěn)定啟動(dòng)和限流節(jié)能的效果。
(二)改造光源
能源的緊缺及電力電子技術(shù)的發(fā)展,迫使人們探究和尋找新的適合照明的光源,光纖照明技術(shù)和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究具有廣闊的發(fā)展前景。光纖照明最早被應(yīng)用于建筑照明和景觀照明。光纖照明技術(shù)越來越成熟,在綠色照明領(lǐng)域中發(fā)展最為迅速,被廣泛運(yùn)用在室內(nèi)照明、珍貴物品展柜照明、商場(chǎng)照明燈等照明領(lǐng)域。太陽能光伏系統(tǒng)也得到大力推廣,現(xiàn)代光伏蓄電池、光伏功率優(yōu)化器等性能大幅度提升,太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)在全球得到應(yīng)用。利用清潔、綠色的光源來實(shí)現(xiàn)照明,對(duì)于緩解供電不足等現(xiàn)象具有重要的作用。
傳統(tǒng)的照明燈具有白熾燈、熒光燈和蒸汽燈等,但這些燈具能耗大,電能的轉(zhuǎn)化率只有5%左右,其余的都是線路耗損等以熱能方式損耗。此外燈具中含水銀蒸汽,一旦破損將會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境,而且燈光亮度、色彩單一,容易造成光污染,因此推廣綠色、高效節(jié)能、環(huán)保、健康的照明光源非常重要。
(一)光纖照明技術(shù)
光纖照明是一種新型的綠色照明,光纖照明直接利用太陽光作為光源,不發(fā)熱導(dǎo)電,無輻射,能夠隨意變換色彩,使用壽命長,光損耗小。綠色節(jié)能環(huán)保,被廣泛運(yùn)用于各種辦公室照明裝飾,建筑照明、博物館、展覽館等文物照明,防水、防爆、防電的油庫,煤礦區(qū)嚴(yán)禁火種入內(nèi)的危險(xiǎn)場(chǎng)合照明。光纖照明可以節(jié)省電力資源、減少環(huán)境污染、提高能源的利用效率,因此光纖綠色照明的發(fā)展前景不可估量。
光纖照明系統(tǒng)直接利用太陽光接入光纖引入室內(nèi)進(jìn)行照明,光纖照明系統(tǒng)包括反光鏡、光源、濾色片和光纖構(gòu)成,光纖照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示[2]。
圖1 光纖照明系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)圖
如圖1所示,太陽光照射到反光鏡時(shí),會(huì)產(chǎn)生一束相似的平行光,平行光照射到濾色片,濾色片運(yùn)用其功能將平行光轉(zhuǎn)化為彩色光,彩色光經(jīng)過光纖進(jìn)行傳遞,沿著光纖的路線進(jìn)入到室內(nèi)進(jìn)行照明。采用透鏡和反光鏡等光學(xué)元件使光的傳播方向發(fā)生改變,使得光可以進(jìn)行柔性傳播,使得光纖照明得到大規(guī)模發(fā)展。
國外已經(jīng)大力普及并且推廣利用光導(dǎo)纖維的方法來使用光纖照明,它結(jié)合太陽追蹤,透鏡聚焦等專利技術(shù),通過濾光鏡來濾光,由傳播速度很快的光導(dǎo)纖維來進(jìn)行傳輸,將光線照射到室內(nèi)需要光照的位置。
塑料光纖照明以其低能量衰減、安全可靠、色彩豐富、安裝維修簡(jiǎn)便,耐用性和可塑性良好等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛用于景觀照明和汽車裝飾照明,未來的塑料光纖照明將趨向于低損耗、低成本、高帶寬、高耐熱方向發(fā)展。隨著光纖照明燈具的品種不斷涌現(xiàn),制造成本不斷降低,光纖照明將會(huì)走到千家萬戶,其市場(chǎng)前景非常廣闊。
(二)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種采用“光伏效應(yīng)”原理直接把太陽能轉(zhuǎn)化成電能的綠色照明系統(tǒng)。其中包含太陽能電池方陣、蓄電池組、逆變器、太陽能控制器裝置,太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理圖如圖2所示。
圖2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
太陽光直接照射到太陽電池方陣,電池方陣由光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變成電能,控制器把電能傳送給蓄電池進(jìn)行蓄電,電能經(jīng)過控制器與蓄電池組成的光伏裝置供給直流負(fù)載,也可以經(jīng)過逆變器交變或者提升交變電壓,根據(jù)電量的需求而控制交變電量的輸出,實(shí)現(xiàn)合理運(yùn)用資源的目的。
圖3 我國未來光伏裝機(jī)量和光伏發(fā)電量占總發(fā)電量的比例
我國的太陽能光伏產(chǎn)發(fā)展迅速, 2008年在我國舉辦奧運(yùn)會(huì)的體育館“鳥巢”上方建造太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電站,供應(yīng)整個(gè)體育館一半的燈光照明用電,達(dá)到綠色奧運(yùn)、節(jié)約能源的目的。從2003年開始,國家大力推廣光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè),其中新增光伏裝機(jī)容量一直呈直線式增長,裝機(jī)容量速度超過10GW,到2015年底,我國光伏裝機(jī)容量已超過43GW,成為世界上規(guī)模最廣闊的光伏市場(chǎng)。據(jù)預(yù)計(jì),我國未來光伏裝機(jī)量和光伏發(fā)電量占總發(fā)電量的比例如圖3所示。
據(jù)估測(cè),在21世紀(jì)30年代,全球綠色清潔新能源將占總消耗能源產(chǎn)能的30%,太陽能光伏發(fā)電量超過全球總發(fā)電量的10%。在21世紀(jì)40年代,全球清潔綠色新能源將占總能源產(chǎn)能的50%,太陽能光伏發(fā)電量超過全球總發(fā)電量的20%。太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展前景極為廣闊。
(一)綠色照明應(yīng)用的發(fā)展歷程
在1990年,美國率先提出綠色照明的概念和綠色照明計(jì)劃,提升轉(zhuǎn)換效率,減少照明電量,降低環(huán)境污染,推行綠色環(huán)保的照明產(chǎn)品[1]。在1996年美國推出“能源之星”計(jì)劃;2000年提出“半導(dǎo)體照明研究計(jì)劃”。歐盟在1991年以提高能源效率為契機(jī)提出“能源SAVE計(jì)劃”;1998年制定照明光源能效標(biāo)識(shí)和實(shí)施準(zhǔn)則;2000年,正式實(shí)施并啟動(dòng)“綠色照明計(jì)劃”。其他的國家也相繼制定并實(shí)施綠色照明計(jì)劃,如日本的“半導(dǎo)體照明計(jì)劃”、俄羅斯的“綠色照明計(jì)劃”等。
我國在1993年實(shí)行“綠色照明計(jì)劃”,1995年正式實(shí)行“中國綠色照明計(jì)劃”,推行高效節(jié)能型照明用電。2001年中國與全球環(huán)境基金會(huì)合作實(shí)行“中國綠色照明促進(jìn)項(xiàng)目”,建立綠色照明產(chǎn)品體系、推行高效節(jié)能的產(chǎn)品、減少環(huán)境的污染。2006年在“十一五”期間提出重點(diǎn)節(jié)能計(jì)劃,重點(diǎn)改造照明生產(chǎn)技術(shù),推廣使用照明節(jié)能產(chǎn)品,采用LED節(jié)能產(chǎn)品,宣傳綠色照明、提高綠色照明意識(shí),加強(qiáng)政府扶持和補(bǔ)貼政策。
(二)國內(nèi)綠色照明的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
自2004年起,我國大力組織和實(shí)施“綠色照明工程”相關(guān)項(xiàng)目,先后批準(zhǔn)了一批“國家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地”,開展并推廣“十城萬盞”的綠色照明試點(diǎn)行動(dòng),制定一系列的政策措施來推進(jìn)照明領(lǐng)域的節(jié)能減排。中科院成功研發(fā)白光LED用稀土材料,成功突破國際上白光LED熒光粉專利壟斷的局面,改善熒光粉耐熱、耐輻射的性能,具有光效高、穩(wěn)定性好、改善光質(zhì)的特點(diǎn)。據(jù)估計(jì),我國綠色照明節(jié)能燈具在2020年將占全部照明燈具的30%,若按照“十三五”規(guī)劃全力推廣綠色照明,節(jié)能產(chǎn)品甚至可以達(dá)到50%。
(三)國外綠色照明行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
日本綠色照明市場(chǎng)規(guī)模最大,其研發(fā)的LED藍(lán)光技術(shù)、熒光粉封裝技術(shù)一直走在世界的前沿,占據(jù)絕大部分的綠色照明市場(chǎng)。芯片、光學(xué)材料等綠色照明核心技術(shù)被三菱化工、豐田等大型國際公司壟斷。日本同時(shí)制定實(shí)施綠色照明“半導(dǎo)體計(jì)劃”,大力改進(jìn)綠色照明技術(shù),加大推廣節(jié)能型產(chǎn)品,預(yù)計(jì)2020年節(jié)能的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品占市場(chǎng)照明產(chǎn)品的100%。日本深紫外光ICT器件尖端開發(fā)中心一直研發(fā)LED的特性,希望能夠打造一款具有特殊供能的LED器件,深紫外在2015年12月成功研制出一款深紫外LED照明器件,打造出全球輸出功率最高,超過90mW功率的深紫外LED器件,比普通的紫外線殺菌強(qiáng)了幾十倍,未來將會(huì)廣泛運(yùn)用于餐飲消毒、室內(nèi)消毒燈等領(lǐng)域。還有LED植物照明技術(shù)、全新覆晶技術(shù)、可調(diào)色石墨烯、鎂合金新一代散熱材料等新技術(shù),推動(dòng)著LED在各個(gè)領(lǐng)域快速發(fā)展。
飛利浦研發(fā)的最新智能互聯(lián)LED照明系統(tǒng),將飛利浦ActiveSite和CityTouch云端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融入一個(gè)控制終端,為LED的智能化、互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)提供了基礎(chǔ),未來的LED將會(huì)實(shí)行網(wǎng)絡(luò)智能化發(fā)展,可以隨意在終端控制LED燈光、色彩等技術(shù)。
澳大利亞實(shí)施“綠色照明計(jì)劃”,提高本國綠色照明用電的效率,從2008年10月開始禁止進(jìn)口光效低于151m/W的白熾燈產(chǎn)品。從2010年開始逐步淘汰白熾燈的使用,并且大力發(fā)展水上太陽能光伏發(fā)電,光伏建筑等產(chǎn)業(yè)。此外荷蘭、美國、韓國等國家大力發(fā)展農(nóng)業(yè)綠色照明技術(shù),智能綠色照明技術(shù),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效、優(yōu)質(zhì)、安全的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。節(jié)能環(huán)保、健康綠色的照明產(chǎn)品正在快速地推廣,綠色照明行業(yè)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。
(一) 電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
電力電子器件的性能不斷提高,一些高轉(zhuǎn)換效率、控制穩(wěn)定、高效節(jié)能的器件在照明電路和電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,今后的電力電子技術(shù)將具備以下特點(diǎn)。
第一是隱身集成模塊化。集成、聚合電源在電源家族中占據(jù)著重要成分,其集成模塊化使得電源的體積逐漸減少,是電力電子器件智能集成化的核心。由于軟開關(guān)技術(shù)的不斷成熟,器件開關(guān)工作頻率不斷提高,使得器件體積不斷減小,同時(shí)和其他種類的功能器件進(jìn)行集成模塊,增強(qiáng)器件的功能性。因此,隱身化集成模塊技術(shù)化將會(huì)得到快速發(fā)展,增強(qiáng)綠色照明系統(tǒng)的性能,為綠色照明的發(fā)展提供有力的保障。
第二是高頻高速化。隨著電力電子器件的現(xiàn)代化,電力電子器件的工作頻率不斷提升,集成化速度持續(xù)加快,轉(zhuǎn)換效率持續(xù)增強(qiáng),可控制關(guān)斷型等器件的誕生,電力電子器件的結(jié)構(gòu)功能不斷增強(qiáng),體積不斷減少,電力電子技術(shù)將趨向于高速高頻化。
第三是全控?cái)?shù)字智能化。為了改變傳統(tǒng)的照明器件能耗高、控制方式單一、安全系數(shù)低等缺點(diǎn),現(xiàn)代電力電子技術(shù)將信息處理器件和電力變換集中在一起,改善器件的安全性,降低制造成本。并且結(jié)合全控性器件,形成智能模塊,用數(shù)字信號(hào)取代傳統(tǒng)模擬信號(hào),實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能,此類器件在使用中方便、靈活、準(zhǔn)確,智能化程度高,將會(huì)受到廣泛的使用。
第四是綠色化、新能源化。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷提高,電力電子器件性能不斷完善,電力電子技術(shù)和綠色照明技術(shù)不斷朝著高效節(jié)能、綠色無污染方向發(fā)展。
(二) 綠色照明行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)及影響
電力電子技術(shù)與綠色照明技術(shù)相互發(fā)展、相互融合、推進(jìn)電力電子技術(shù)的革新,在未來將會(huì)有著強(qiáng)大的生命力,大大促進(jìn)綠色照明行業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)綠色照明行業(yè)將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響:
第一是從光污染到節(jié)能環(huán)保、綠色健康照明方向發(fā)展?,F(xiàn)代城市的照明五花八門,有些地方照明單調(diào),造成了極大的光污染和電能的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的照明光照單調(diào)、不能控制光照強(qiáng)度,不能根據(jù)特定的環(huán)境需求設(shè)計(jì)光源,片面追求光照亮度,造成了頻閃、紫外線輻射、熱輻射和眩光等光污染。光污染危害人們的正常生活,因此未來照明將要合理運(yùn)用光源,節(jié)約電力,減少光污染,創(chuàng)造一個(gè)綠色健康、節(jié)能環(huán)保的美好環(huán)境。
第二是從單調(diào)性照明向生態(tài)人文藝術(shù)綠色照明多樣化方向發(fā)展?,F(xiàn)代人們追求的照明景觀更多強(qiáng)調(diào)的是照明景觀的規(guī)范性、圖案對(duì)稱、線形齊整等,缺乏了自然美感。綠色照明遵循生態(tài)文化藝術(shù)設(shè)計(jì),利用大自然的光色效果來模仿照明,強(qiáng)調(diào)人與自然、人與光照和諧相處的綠色照明,而不是過分追求照明的亮度和色彩鮮艷的照明。生態(tài)文化藝術(shù)化照明設(shè)計(jì)在景觀照明中相互輝映,重現(xiàn)大自然活躍生機(jī),給人一種自然、舒適的感覺。
第三是從單一體建筑電力照明到整體性建筑綠色照明。傳統(tǒng)的建筑照明通過燈光色彩來襯托城市建筑景觀照明,這些建筑結(jié)構(gòu)單一,電能浪費(fèi)嚴(yán)重,布線繁雜,成本高昂。在建筑中大力推廣光伏發(fā)電系統(tǒng),并在建筑頂端裝設(shè)太陽能光伏發(fā)電站,把建筑、照明和光伏發(fā)電相互融合,再現(xiàn)自然、綠色的景觀照明。因此城市綠色照明建設(shè)、光伏建筑相結(jié)合是未來綠色照明行業(yè)的一個(gè)潮流。
第四是照明LED產(chǎn)業(yè)化、智能化、數(shù)字化、綠色化。隨著LED封裝、外延芯片技術(shù)不斷發(fā)展,高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保LED照明產(chǎn)品不斷誕生,并大規(guī)?;a(chǎn)。LED照明產(chǎn)品色彩豐富,可以調(diào)整光照,得到了廣泛的應(yīng)用。LED燈功率不斷提高,用于園林景觀照明、泛光照明燈具LED已經(jīng)出現(xiàn),根據(jù)高工LED產(chǎn)業(yè)研究所的統(tǒng)計(jì)LED照明產(chǎn)值的發(fā)展趨勢(shì)如圖4所示。
圖4 全球LED照明產(chǎn)值
從圖4可以看出,2015年全球LED照明產(chǎn)值比2010年提升了4倍,達(dá)到了4 363億元,未來兩年全球LED照明產(chǎn)業(yè)將會(huì)繼續(xù)大幅度提升,到2017年有望超過6 000億元,比2015年增長1.5倍,LED照明產(chǎn)品將會(huì)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
從電力電子技術(shù)的先進(jìn)性態(tài)勢(shì)看,LED技術(shù)照明產(chǎn)品將會(huì)以高度節(jié)能環(huán)保、更加綠色健康的特點(diǎn)朝著數(shù)字智能化方向發(fā)展,色彩可控性更高,危害更小。未來會(huì)逐步出現(xiàn)不同的照明器具形式和照明領(lǐng)域,如LED植物照明、農(nóng)業(yè)生態(tài)照明、家居綠色照明智能化、建筑綠色照明的一體化等。照明產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能也會(huì)發(fā)生較大的變化,將逐步走向產(chǎn)業(yè)化、智能化、數(shù)字化,同時(shí)也將集成眾多其他功能,如通訊、感應(yīng)等。
第五是從普通的光照照明到智能綠色照明系統(tǒng)。隨著人類社會(huì)文明的發(fā)展,能自動(dòng)調(diào)節(jié)光照亮度,控制燈光的色彩、溫值,能夠在不同環(huán)境滿足需求的智能綠色照明系統(tǒng)受到了人們的青睞。智能化綠色照明系統(tǒng)連接互聯(lián)網(wǎng),根據(jù)編程隨意控制各個(gè)環(huán)境的光照,合理利用光照,改進(jìn)人們的生活工作環(huán)境,提升人們的生活質(zhì)量。智能綠色照明系統(tǒng)還能利用太陽光照來實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果,實(shí)行智能化管理,節(jié)省能源。
第六是從電力照明到無電光導(dǎo)照明自然化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。光導(dǎo)綠色照明系統(tǒng)直接利用光照照明,實(shí)現(xiàn)了無電照明,是一種健康綠色、無污染的新型照明系統(tǒng)。光導(dǎo)綠色照明系統(tǒng)經(jīng)過采光罩采集太陽光,同時(shí)將太陽光傳遞到光導(dǎo)系統(tǒng),由光導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行分配經(jīng)過導(dǎo)光管進(jìn)行傳遞,利用導(dǎo)光管慢散射把光照射到預(yù)定的位置,即使是陰雨天氣,室內(nèi)的環(huán)境光照亮度也可以滿足照明。光導(dǎo)綠色照明系統(tǒng)是一種智能、綠色、清潔無污染的照明系統(tǒng),在未來的綠色照明市場(chǎng)將會(huì)擁有廣闊的發(fā)展前景。
綜上所述,電力電子技術(shù)無論從器件性能提高、器件的安全可靠、工藝的完善,還是從市場(chǎng)的規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域來看,都推動(dòng)著綠色照明的發(fā)展。光伏轉(zhuǎn)換器、光伏蓄電池、光導(dǎo)法纖維、電感鎮(zhèn)流器、LED封裝技術(shù),LED外延芯片等等技術(shù)為新能源和綠色照明節(jié)能環(huán)保的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)?,F(xiàn)代以光纖照明和太陽能光伏照明為代表的新能源受到了全球的關(guān)注,是一種清潔、綠色、環(huán)保的新能源。
綠色照明將會(huì)以人為本,尊重自然,促進(jìn)人與自然、照明之間的和諧關(guān)系。綠色照明技術(shù)的應(yīng)用會(huì)變得更加規(guī)范而合理,逐漸的趨于廣泛化的方向發(fā)展,今后照明節(jié)能的發(fā)展方向?qū)⑹墙】倒?jié)能化、功能多樣化、環(huán)保化、綠色化。
[1]劉虹,高飛.近年國內(nèi)外綠色照明新進(jìn)展[J].照明工程學(xué)報(bào),2006,17(2).
[2]蔡加星.太陽能光纖照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].淮南:安徽理工大學(xué),2014.
2095-4654(2016)06-0004-05
2016-03-21
欽州學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目“綠色照明光源LED的智能控制研究”(2013XJKY-12B)
TM-9
A
湖北科技學(xué)院學(xué)報(bào)2016年6期