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DOE SSL商品第二輪測試結果分析及評論

上傳人:未知

上傳時間: 2007-08-30

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  所有產品都采用分光輻射測試法(spectroradiometry)、測角光度測量法(goniophotometry),并對溫度測試(對燈具的最高可接近熱點進行測量)及關閉狀態功耗進行了研究,但未包括流明衰減測試及其他形式的產品可靠性測試(這些將在以后的測試計劃中進行)。

   照明測試實驗室依照LM-79中規定的檢驗過程對整個SSL燈具進行測試,而不是像傳統測試一樣對燈泡等級(lamp rating)與燈具功效(fixture efficiency)分開測試,或只測不加控制電子元件及散熱片的LED器件和陣列。這一方面是因為目前對LED器件或陣列光通量的測量尚無標準行業測試流程,另一方面也是由于LED的性能對溫度敏感,不同的燈具設計對所使用的LED器件或陣列的性能有實質性影響,這使得LM-79將整個燈具效率作為評估SSL產品能效的依據。

   表1總結了CPTP第二輪測試中所有產品的性能(包括光輸出、燈具效率、相關色溫、顯色指數)。為了對同種產品中不同個體間的差異作初步探查,提供有關其他照明技術的基準數據,并考慮到最初的輪轉測試,第二輪中對產品的選取做了安排。

   為加強對個體差異性的觀察,第二輪對每種替換燈泡及燈具的兩個樣品都進行了測試。而為了加強不同燈具光源間的直接比較,每款臺燈都提供了LED版及鹵素燈版做對照。為研究由于測試儀器及手段不同所帶的差異,四個之前確定的獨立實驗室對替換燈泡及完整的燈具進行了輪轉測試。

   除了提供依據LM-79所得的性能外,SSL產品制造廠家公布的光度數據也被收集并加以分析以作為對照。

1. DOE SSL CPTP第二輪測試結果摘要

燈具及替換燈泡基于LM-79的光度測量(室溫?25º C

DOE 測試ID

總功率 W

光輸出
(lm)

效率
lm/W

相關色溫(K)

顯色指數

R30 替換燈泡

R30 替換燈泡(暖)

CPTP 07-08*

8.8

239.1

27.1

2945

71.8

R30 替換燈泡(冷)

CPTP 07-09*

9.1

310.3

34.1

5973

81.9

R30 替換燈泡(暖,RGB)

CPTP 07-13*

15.6

405.6

25.9

2689

14.51

R30 替換燈泡(冷,RGB)

CPTP 07-14*

13.8

351.6

25.4

4006

13.31

A-lamp 替換燈泡

A19替換燈泡

CPTP 07-06*

0.7

10.3

15.7

3161

70.4

A-lamp (~A17)替換燈泡

CPTP 07-12*

1.5

19.7

13.4

252632

79.1

筒燈Downlight(整個燈具)

筒燈

CPTP 07-04

31.0

356.7

11.6

5964

76.4

筒燈

CPTP 07-05

26.2

662.2

25.3

4402

76.0

作業燈/臺燈3

作業燈/臺燈

CPTP 07-16

4.4

74.5

16.9
[6.3]

5800

77.8

作業燈/臺燈

CPTP 07-22

13.1

156.6

12.0
[5.1]

3204

74.3

作業燈/臺燈,鹵素燈4

CPTP 07-10

38.3

351.2

9.2
[8.9]

2856

99.5

其他應用

室外墻

CPTP 07-01

5.6

92.2

16.3

2693

68.3

冷凍展示箱照明

CPTP 07-07*

40.7

1237.0

30.5

5261

69.7

帶星號的產品,共有兩個樣品被測試,測試結果為兩個樣品的平均值
1 注意:顯色指數數值并不反映白光RGB光源的顏色質量
2 如此高的相關色溫并非打印錯誤,詳見“顏色質量測試”部分
3 方括號中為調整過的效率數值,考慮了關閉狀態功耗(假定每天導通時間為3小時)對效率的影響,下文中還就關閉狀態時的功耗對平均年效率的影響作了討論。
4 07-10測試產品為鹵素光源,其與07-22產品具有一樣的燈頭,但光源不同。

測試結果分析及評論

一、能源使用和光輸出

   第二輪測試所測試的產品范圍比較廣,從功率非常小的A-lamp型替換燈泡(流明值比典型7W白熾燈還小)到功率較大的筒燈。效率結果也有類似的范圍,從功率不敵鹵素燈的工作燈/臺燈,到效率、光輸出可與熒光技術匹敵的筒燈和冰柜展示箱照明燈。

二、對廠商產品資料信任的缺失

   在第一輪測試中,我們已經了解到廠商產品資料與實際測量的輸出、功率值之間的主要差異,第二輪測試結果大體上并沒有進步。除兩產品的產品資料數值與測試值相符外,其他所有產品宣稱的功效和流明輸出都夸大了25%-35%,光輸出則被夸大了30%-95%。某些產品的資料未提供功效及光輸出數據,卻包含一些可能會被完全誤解的陳述。

   產品資料與實際測量值之間的差異可能由以下幾點原因引起:

  1. 產品資料上的流明輸出及功效值可能為LED器件廠商公布的LED器件的額定性能。直到現在還沒有標準的測試方法來測量獨立的LED器件性能,也沒有可靠一致的方法通過LED器件的性能來直接、精確地預言LED器件與電源電路、散熱裝置結合后的性能。
  2. 有一些產品資料明確指出其中的輸出及功效值為LED器件的而不是整個燈具的。而有一些產品資料卻未明確指出,只留下數據讓人猜測。
  3. 燈具制造商公布的性能數據在測量時使用的方法及條件可能與LM-79指定的不同。在某些情況下,廠商可能指定了他們希望依照進行的測試流程。或者進行測試的實驗室使用了未被LM-79采用的測試流程(LM-79目前仍是標準草案還未予以公布,一些實驗室對其還不熟悉)。
  4. 燈具廠商公布的數據可能符合一種產品結構,但這種產品結構與DOE測試項目指定、測試的產品組版本不同。
  5. 燈具制造商有可能修改數據來夸大性能。

三、筒燈及筒燈替換燈泡

  忽略異常值,CPTP第二輪測試結果中LED與類似的CFL(緊湊型熒光燈)射燈比較的大體情況如下:

  1. SSL筒燈與SSL R30替換燈泡的效率是CFL燈的1/2及3/4
  2. SSL筒燈與SSL R30替換燈泡的輸出平均是CFL產品 的2/3
  3. SSL筒燈與SSL R30替換燈泡與CFL相比,平均光束角及張角更小
  4. SSL筒燈與SSL R30替換燈泡與CFL相比,平均中心強度(Center Beam Candle Power)更高

與類似的白熾射燈(泛光型)相比,結果如下

  1. SSL筒燈與SSL R30替換燈泡的效率是白熾燈產品的2-3倍
  2. SSL筒燈與SSL R30替換燈泡的輸出平均是白熾燈產品的2/3-3/4(盡管一些SSL筒燈的輸出超過白熾筒燈)
  3. SSL筒燈與SSL R30替換燈泡的光束角平均比白熾燈產品略大(除去一款分布式R30替換產品,SSL產品的平均光束角為72度,而白熾燈的為60度)
  4. SSL筒燈與SSL R30替換燈泡的平均中心強度是白熾燈產品的3/4

  上述數據反應出LED替換燈泡的聚焦功能仍稍遜于白熾燈,但差別有限。事實上,盡管一些燈泡使用了在半圓內發光的LED,這些LED的發光卻沒有局限在一個很窄的角度內-制造商一般選擇寬視角LED進行方向性照明。這反映出了制造商的選擇:筒燈盡管是提供方向性照明的產品,但卻經常被用于大面積照明,因此如果其擁有寬廣的光束角可能會更得使用者的青睞。

四、A-Lamps替換燈

   被測試的兩類A-Lamp替換燈表現非常差,光輸出水平均遠低于預期。其中一個更是因為色溫值而與白光明顯地劃清了界線。

五、SSL作業燈/臺燈

   與第一輪測試相同,測試結果因產品而異,但大部分都未達到預期數值,尤其是考慮進關閉狀態功耗后。兩種SSL作業燈/臺燈的光輸出都小于鹵素或CFL臺燈(是其的1/4-1/2)。相關色溫及CRI也較低。尤其是兩SSL產品在關閉狀態的功耗非常大,使其效率也不如鹵素臺燈(平均使用條件下,如每天使用時間低于5小時)。

六、室外照明燈

   第二輪測試中的室外墻燈顯示了使用LED技術的燈泡設計優勢。由于目前并無室外墻燈基準,基于替換燈泡的瓦數,SSL產品功效是白熾燈及鹵素的2-3倍,是CFL的1/2-3/4。并要注意低溫性能、長壽、可控性對這一應用來說,與功效一樣重要。

七、冷凍展示箱照明燈

   目前并無關于冷凍展示箱用CFL燈具損耗或發出光線的數據。盡管如此,該燈具的光效(30.5lm/W @ 25℃)及亮度分布已使其入圍與熒光燈的競爭中。進一步的測試顯示該燈具在低溫時表現出了穩定的顏色質量,并在-5℃時效率提高了0.8%。最初的熱成像顯示其具有優越的熱量管理功能,面向燈具前表面幾乎無任何熱量損失。SSL技術可能非常適合于這一應用。

八、顏色質量的測量

   SSL色度標準由ANSI C78研究組提出,是對現有熒光燈標準的修正,以期反映出SSL技術和顏色分檔能力的現況(或在很近的將來的情況)。LED在制作流程中依據色度進行分檔,這些分檔加入CIE1931色品圖中后以8個四邊形的形式出現,與七步MacAdam橢圓不盡相同。8個四邊形中有6個與7步MacAdam橢圓(與目前能源之星照明標準兼容)重疊,SSL產品因此擁有與熒光燈一樣的標稱CCT(相關色溫),剩余的兩個標稱CCT(4500K和5700K)則未與MacAdam橢圓重合。

  標稱CCT的范圍是從2700K到6500K(四方形的最低限和最高限為2600K和7000K),而在第二輪測試中,某種以白光替換燈泡名義出售的產品(尺寸與A17或A19類似)的CCT卻遠超過標稱色溫-有一個體的CCT為14588K而別一個為35938K,這不符合白光的標準定義范圍。其他燈具的CCT最小為2619KK最大為6039K,總跨度達4059K。
燈具的CRI(顯色指數)則從68到84,平均為74。值得注意的是,對某些特定應用來說,光源的CRI相對較低也同樣會得到用戶的認可甚至歡迎。讀者最好對顏色質量評估的復雜性及CRI在SSL產品上的局限性有一定的理解。定性的視覺評估可為特定應用的燈具的顏色質量提供重要的深入理解,尤其是對不使用CRI的RGB燈具。

九、電子設計

1、關閉狀態的功耗

   第二輪測試對所有裝有開關的燈具的關閉狀態功耗進行了測量。結果顯示,每種作業燈(包括CFL作業燈)和一種櫥柜燈在關閉狀態時消耗了能量。盡管LED臺燈的效率要略好于類似的鹵素臺燈,其關閉狀態功耗卻非常高(2.54W),最終使得其效率要低于鹵素燈。且沒有任何一種臺燈證明其在關閉后必需耗能以維持某項功能。
具體數值如表2所示:

表 2. 有效的平均功效

工作狀態時的測量功效(lm/W)

關斷狀態時的測量功率(W)

有效的平均功率 (lm/W)

每天運行1小時

每天運行3小時

每天運行5小時

CPTP 07-10作業燈/臺燈

鹵素

9.2

0.16

8.4

8.9

9.0

CPTP 07-22 作業燈/臺燈

LED

12.0

2.54

2.2

5.1

6.9

CPTP 07-16 作業燈/臺燈

LED

16.9

1.06

2.6

6.3

8.9

注意:燈具每年工作的時間越短功效就越低,但耗能也越少
07-10和07-22是同一制造商生產的相同形式的燈具,只是光源不同

2、功率因數

   目前測試的SSL產品的平均功率因數(PF)為0.7,與能源之星標準草案中要求的最小功率因數相等。所有集成燈具功率因數都為0.7或0.7以上,而所有替換燈泡的PF都小于0.7,A-Lamp型替換燈泡的PF甚至低于0.4。

3、再現性和可變性

   第二輪測試對每種替換燈泡的兩個樣品進行了測試,以檢測個體之間的可變性。到目前為止,對三種燈具也測試了其可變性。除去光輸出非常小(低于30lm)的燈具外,不同個體間光輸出和功效的差異小于4%。至于光輸出非常小的燈具(目前已測試了三種光輸出低于30lm的產品),輸出及效率的個體差異相對較大,平均介于10-15%之間。對于顏色質量,CCT值在白光范圍內的非RGB產品,其CCT和CRI值平均個體差異為1%或以下。

第二輪測試結論

關鍵點:

  第二輪測試的SSL產品呈現出了多種的性能。一些SSL筒燈及方向性替換燈泡的光輸出可與白熾燈、CFL筒燈相媲美,效率也大大超過白熾燈,甚至接近些熒光燈具水平。另一方面,一些非方向性替換燈泡(A-Lamps)的表現則非常差,無法產生足夠的光來替換現今使用的燈泡。冷凍展示柜及室外墻燈泡表現得非常好,而SSL臺燈則因關閉狀態功耗問題而表現乏力。我們應注意的是,SSL產品與傳統光源之間的任何比較都要依賴于特定的性能數據。歸納性總結展現的是SSL技術及市場的整體發展,而不應作為對SSL燈具做決定的依據。對SSL產品的性能不能輕易做概括,性能的巨大差異意味著買者將需要分別考慮每種產品的性能,并應向制造商要求明確(精確)的燈具性能信息。

   而不幸的是,產品資料與實際測得的燈具性能間存在很大的不一致。只有一小部分的產品資料提供了可靠、準確的信息,許多廠家仍在發布隨意、易引人誤解的宣言。

   全方向A型替換燈泡的測試結果進一步加強了DOE重視整體燈具測試的決定。

下一步測試:

   DOE SSL CPTP的下一輪測試將繼續拓大產品測試種類,下一步的基準測試將提高人們對如何比較不同光源、不同燈具的認知水平。原位測試及流明衰減測試將更好地評估熱量管理效率和所選產品的長期性能表現。

行業下一步:

   問題之一就是關閉狀態下的功耗。SSL的小尺寸使其非常適合于臺燈等應用,這暗示著SSL在需要開關的照明應用上有很大的潛力。而測試的結果顯示,算入關閉狀態功耗后的SSL產品的節能水平與現有技術相比并沒有提高,如果不找到具有成本效率的設計情況會更糟。

   DOE及行業領先者將把從CFL上吸取的教訓用于表現不佳或提供誤導性能的產品上。這一努力可能對了解為什么一些產品表現不佳(光效為LED額定功效的20%-50%)有幫助,或為設計及相關產品資料帶來有效的提升。

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