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实现LED照明的智能化

高工
2013-12-20 09:20:00    评分

摘要:LED照明系统的智能化程度是一个值得关注的问题。LED照明能够降低能耗和维护成本,而智能化LED照明设计可以从两个方面进一步改善系统性能:从每瓦特中获得更好的性能,降低长期运行成本。电能测量、环境光检测和通信是智能LED照明设计的基础:电能测量提供系统的健康运转及能耗信息;环境光检测可以减少LED的实际照明时间,节约电能并延长二极管寿命;通信功能则将每个光源连接在一起,以进行维护识别、系统级协调。本文将探讨各部分电路对总体系统的影响。


引言

想象一下,在炎热、雾霾天气下举行马拉松比赛,节省一丁点儿体耗,对比赛结果都至关重要。通常,当赛程不到一半时,就好像已经分出胜负。领跑者似乎不可超越,因为这些选手能够以较少的体能消耗跑出更远的距离。领跑者神采奕奕,光彩照人,在酷暑和竞赛中始终保持冷静和良好的状态。但是,这些选手真的能够在后半程比赛中稳定步伐、继续保持领先吗?在个个经过周密培训和激烈竞争的运动员当中,天赋和潜质也只能发挥至此。要想成功,需要在路上消耗巨大的潜能。现在的领跑者是否能够挖掘潜力、运用策略、应对各种自然环境,最终如愿以偿?时间和智慧将说明一切。

现在,您可能会问我:“马拉松跟LED有什么关系?你真的知道自己在说什么吗?”我想是的。就像强壮的选手领跑马拉松一样,LED在高能效照明领域遥遥领先。相对于白炽灯和荧光灯照明,LED的主要技术优势是消耗的能源更低、寿命更长,并且能够更好地控制照明颜色和方向。

据估算,美国2010年度的照明耗能占电能的19%;1截至2030年,每年的照明耗能将达到767太瓦时(TWh)。2对于我们这场特殊的马拉松领跑者来说,这是一个多么好的机会!到2030年,LED照明可将耗电降低25%。2此外,由于LED的寿命比其它照明方案寿命长5倍,并且不含有害物质,所以,LED可以减少照明形成的固体废料和种类。甚至有可能不需要更换LED,而只是在改造建筑时才需要更换。不仅如此,利用红、绿、蓝(RGB) LED精调颜色的能力,也为品质和创意提供了新机会。LED最终的用武之地将不仅限于空间照明,将更适合新风格和装置。

LED智能化——赢得比赛的关键所在

LED将如何发挥其巨大潜能?毫无疑问,第一道障碍是价格。LED目前的成本远远高于现有照明方案。节能往往不足以说服价格敏感的企业和消费者购买较贵的产品。随着时间推移,大规模生产可能会降低价格,但成本是否能够降得足够低,降价速度是否满足用户的预期?这些都是不确定因素,有待商榷。当然,这些问题也超出了本文的讨论范围。假如我们随便找两家五金店,尝试寻找相同的LED灯,这或许非常困难。许多零售商不会仅仅为了吸引稀稀拉拉的消费者而备有足够品种或数量的库存,为什么?这涉及到价格和库存周转率。那么这种情况对我们这些工程师、创新者而言,意味着什么?我们如何使LED照明发挥潜能?如何赢得这场马拉松比赛的胜利?

如果我们赋予LED“头脑”,使其智能化,为这些照明灯装上眼睛、喉咙、计数等功能。在照明领域设计出有价值的半导体材料,将优化能源效率、延长照明寿命,并降低维护成本。这将有助于LED跑完整个赛程,坚持到最后,凭借智慧赢得比赛。

LED智能化的关键元素

环境光检测、通信和电能测量是智能化照明系统的关键元素。通过环境光检测,可以在其它光源已提供充足照明时调暗照明灯;此外,通过检测环境光的颜色,能够调节高级RGB LED照明系统的颜色。通信功能则允许远程控制并将小型、大型照明装置连接成中央网络。电能测量准确计算消耗的功率,为预测性维护提供系统洞察力。所有这些特性——环境光检测、通信、电能测量——将进一步节省能源,降低运营成本。本文探讨为LED照明系统增加环境光检测、通信(包括无线和电力线)以及电能测量功能的关键设计考虑。提供了参考设计示例。

环境光传感器(ALS)检测传感器附近的光量。这些简单器件成为LED照明系统的“眼睛”,也是节约能耗的关键。当房间已经有充足的光源时,照明完全没必要,可将照明灯调暗或完全关闭,降低功耗、延长照明灯寿命。ALS的关键特性包括功耗、流明监测范围,以及IR和UV滤光。这些传感器必须安静地呆在系统中,不能消耗过大电能,从而破坏节约系统能耗的初衷。好的ALS耗流达到1μA以下。流明检测范围必须达到室外环境的典型流明范围。0.1lx至100,000lx一般可满足大多数应用要求。考虑到系统可靠性,可能有必要采用略大的范围。IR和UV滤光可消除实际系统中不可见光的光谱。

光检测

图13所示光源中的ALS设计。传感器必须避开照明灯本身的光线,避免对环境光测量的影响。该设计中,ALS位于独立的电路板上,处于照明灯支架的阴影下。这种简单的设计使ALS能够在检测到环境光超过预设值时关闭照明灯。RGB传感器甚至能够为照明应用增加更多“功能”。类似于图中所示带有RGB LED和ALS的LED照明系统,能够动态调节其颜色输出,以满足特殊的应用需求,例如舞台情景照明或百货公司的展示效果。


图1:ALS安装在独立的PCB,处于照明灯支架的阴影下,防止传感器读取照明灯本身的光强。通信

下面,我们讨论LED的智能通信。耳朵和喉咙是接下来实现LED照明智能化的最重要功能。通过将照明灯简单组网,即可通过网络控制灯的开、关,或者调光,这种操作将降低能耗。通信也为断电、维护和应急提供快速反馈,该信息将节省总体系统维护成本。无线和有线通信能够在不同环境下很好地工作,取决于网络规模和拓扑。无线比较适合于小型室内以及大型室外应用,后者需要具有连续视线、可用的频带以及裕量足够的传输功率。电力线通信(PLC)利用现有电力线实现通信。PLC非常适合于大型市政类照明装置、隧道、室内停车场等由于物理位置或建筑墙壁的原因而无法使用自然光的环境。所有通信引用中,可靠性是关键所在。如果通信发生故障,系统就毫无益处。

无线应用中,信号传输方式可能是Wi-Fi、ZigBee或其它往往属于,但不仅限于工业、科学和医疗(ISM)射频的标准协议。限制功耗提供了网络灵活性,如果端点使用电池时则至关重要。图2所示是一种独特的应用,其中照明灯开关上配备有能量收集射频(RF)收发器。系统收集用于拨动开关的能量,产生可使用的直流电压,支持照明灯具的无线电通信(<1GHz RF)。只要信号能够覆盖光源,该开关可置于房间内的任何地方。无需连接照明开关,室内设计更灵活,照明控制更可靠。


图2:楼宇自动化应用,其中的照明开关具有一个无需接线的能量收集射频收发器,用以控制LED照明。

PLC照明控制方法利用现有的供电线路,不失为高性价选择。由于通过维护很好的现有供电线路实现通信,PLC避免了许多麻烦,例如共用通信频率、恶劣天气时的性能以及网络维护。范围、速度和可靠性是设计PLC的关键。

电力线的噪声极大,影响系统通信的可靠性。G3-PLC通信是一种基于OFDM的新型PLC标准,可实现电力线的可靠通信。该标准支持高达300kbps的速度、网状组网以及高噪声环境下的可靠模式非常适合LED控制网络。基于OFDM、PLC控制的照明网络类似于现有的G3-PLC。

图3所示为Nyx Hemera Technologies公司用于隧道照明的PLC装置4,该系统已经节约了25%的电能,维护成本降低30%。该大型设施系统支持最多1022盏照明灯,通信距离长达3km。


图3:采用PLC的市政路灯网络示例。4

电能测量

智能LED灯还需要具备电量计算能力。从智能电表到电压控制器再到电动汽车充电器,每个智能电网装置都具有电能测量功能,实时为电力公司和用户提供准确的用电信息。发回耗电量的大多数照明装置提供关于建筑及市政照明环境的详细信息,可确保电力公司的收费与耗电严格一致。通过调光或在不使用时关闭照明灯,及时、准确地响应用户需求。此外,特定照明灯的耗电波动说明需要进行系统维修、维护或更换。毫无疑问,许多照明灯处于难以触及的区域,优化维护可节省费用。为生成智能电网中的有用数据,电能测量设计必须在较宽的电流范围保持高精度测量。不仅如此,限制或消除校准时间也会降低总体系统成本。图4所示为一种灵活的LED照明参考设计,具有电能测量功能。5电能测量芯片也提供系统调光和DALI接口。

目前许多城市安装了非智能LED照明灯,这为改善LED照明设施性能的集成模块提供了巨大的商机。为实现可升级,这些系统需要连接到智能照明系统。如果LED的成本和容量一定,简单更换相对较新和效率较高的LED,性价比较低。简单接口,例如DALI,允许将来增加ALS、通信和电能测量功能。


图4:完整的智能LED照明参考设计,具有电能测量、环境光检测和通信功能。

最后的胜者

这对我们意味着什么?消费者从观念上对LED照明的认可和转换是一个长期过程。显而易见,LED照明具有改变照明方式以及节省巨大电能的潜力。增加“智能”照明的关键元素——ALS、通信和电能测量——将使LED更加强大,更具吸引力。智能化LED提供的测量数据能够进一步降低照明系统的能耗,降低运营和维护成本。增加智能化设计,LED将充分发挥潜力,在已经如火如荼的竞赛中击败传统照明。

参考文献

1. Navigant Consulting, “2010 U.S. Lighting Market Characterization,” January 2012, page xii, (http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/2010-lmc-final-jan-2012.pdf).

2. Navigant Consulting, “Energy Savings Potential of Solid-State Lighting in General Illumination Applications 2010 to 2030,” February 2010, page 36,

(http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_energy-savings-report_10-30.pdf).

3. Kannisto, Marko, and Simpson, Dan, “Intelligent Lighting Controller Measures Ambient Light and Knows the Time,” Smart Energy DesignLine, March 2012.

4. Robertson, Scot, “Powerline Communications Automating Street Lighting,” Power Systems Design, September/October, 2011.

5. Unterkofler, Klaus, 2011 Light Fair International demonstration, Maxim Integrated Products.




关键词: 智能化     照明     降低     能够     电能     测量     智能     提供         

院士
2013-12-22 17:00:17    评分
2楼
学习了版主的这篇文章,感觉这文章的涵盖范围比较广,基本涉及了公共场所与普通家庭的照明。从LED照明的产业来看确实是前途光明,称其为“领跑者”一点都不为过,但现实是价格门槛也确实挡住了许多消费者。粗略的估算一下,现在一般家庭全套的照明灯具,用灯泡大概需要几十元钱、用日光灯或节能灯可能要几百元钱、用LED的话,稍微不留神就会突破几千元,......我们真心期待国产的LED产业快速发展,降低价格门槛,快速推广、服务大众。谢谢版主。

院士
2013-12-22 17:00:19    评分
3楼
学习了版主的这篇文章,感觉这文章的涵盖范围比较广,基本涉及了公共场所与普通家庭的照明。从LED照明的产业来看确实是前途光明,称其为“领跑者”一点都不为过,但现实是价格门槛也确实挡住了许多消费者。粗略的估算一下,现在一般家庭全套的照明灯具,用灯泡大概需要几十元钱、用日光灯或节能灯可能要几百元钱、用LED的话,稍微不留神就会突破几千元,......我们真心期待国产的LED产业快速发展,降低价格门槛,快速推广、服务大众。谢谢版主。

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