HIỂU VỀ HIỆU QUẢ PHÁT SÁNG VÀ CÁC CHIẾN LƯỢC ĐỂ CẢI THIỆN

Chúng ta thường chia công nghệ nguồn sáng thành ba thế hệ: thế hệ thứ nhất là nguồn sáng bức xạ nhiệt, thế hệ thứ hai là nguồn sáng phóng điện khí và thế hệ thứ ba là nguồn sáng trạng thái rắn, cụ thể là đèn LED.

Kể từ năm 2008, đèn LED đã dần trở nên phổ biến ở nhiều nơi, chủ yếu là do công nghệ LED có nhiều ưu điểm. Trước hết, ưu điểm đáng kể nhất của đèn LED là hiệu suất năng lượng cao. So với đèn sợi đốt truyền thống, hiệu suất ánh sáng trắng của đèn LED cao hơn gấp năm lần. Đèn LED có thể chuyển đổi 40% – 50% năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng, trong khi đèn sợi đốt truyền thống chỉ chuyển đổi 10% hoặc thậm chí ít hơn năng lượng thành ánh sáng. Điều này cho thấy rõ ràng rằng đèn LED giúp giảm đáng kể sự lãng phí năng lượng và có tác động thấp hơn đến môi trường bằng cách giảm nhu cầu năng lượng của con người.

Ngoài ra, đèn LED còn có một số ưu điểm như tuổi thọ cao, màu sắc đa dạng, không nhiễm chất độc hại, khởi động nhanh, kích thước nhỏ gọn, thiết kế tiện lợi. Những yếu tố này góp phần vào sự phổ biến ngày càng tăng của đèn LED trong cuộc sống hàng ngày của con người. Bài viết này tập trung vào cách cải thiện hiệu quả phát sáng của Đèn LED bởi vì chúng tôi tin rằng đây là tính năng quan trọng nhất của đèn LED và việc nâng cao hiệu quả phát sáng của chúng sẽ giúp chúng được sử dụng rộng rãi hơn.”

Hiệu quả phát sáng là gì?

Hiệu suất phát sáng là thước đo mức độ hiệu quả của nguồn sáng tạo ra ánh sáng khả kiến. Nó được định nghĩa là tỷ lệ giữa quang thông (được đo bằng lumen) với công suất (được đo bằng watt), được biểu thị bằng lumen trên watt (lm/W). Hiệu suất phát sáng cao của bộ đèn có nghĩa là, với công suất đầu vào nhất định, có thể thu được nhiều ánh sáng phát ra rõ ràng hơn và hiệu ứng ánh sáng tốt hơn. Do đó, hiệu suất phát sáng của bộ đèn là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất và hiệu suất của thiết bị chiếu sáng, phản ánh tiềm năng tiết kiệm năng lượng và chất lượng chiếu sáng của hệ thống chiếu sáng. Trong lĩnh vực chiếu sáng, “hiệu suất ánh sáng của đèn LED” và “hiệu suất ánh sáng của bộ đèn” là hai khái niệm có liên quan nhưng khác biệt.

Hiệu quả ánh sáng của đèn LED đề cập đến hiệu quả mà các nguồn sáng riêng lẻ, chẳng hạn như chip LED, chuyển đổi năng lượng điện đầu vào thành ánh sáng khả kiến. Nó biểu thị độ sáng hoặc quang thông do đèn LED tạo ra trên mỗi đơn vị năng lượng tiêu thụ và thường được biểu thị bằng lumen mỗi watt (lm/W). Hiệu suất ánh sáng cao hơn cho thấy đèn LED tạo ra ánh sáng sáng hơn và hiệu suất năng lượng cao hơn, cho phép sản lượng ánh sáng cao hơn dưới cùng một công suất.

Mặt khác, hiệu quả ánh sáng của bộ đèn đề cập đến hiệu quả sử dụng năng lượng tổng thể của toàn bộ thiết bị chiếu sáng, bao gồm đèn LED và các bộ phận phụ trợ khác như chóa phản xạ, thấu kính và bộ tản nhiệt. Hiệu suất ánh sáng của bộ đèn bao gồm hiệu suất của hạt đèn và bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm hiệu suất của chính đèn LED, thiết kế quang học, thiết kế tản nhiệt và trình điều khiển đèn LED mạch (hiệu quả). Giải quyết các yếu tố này có thể cải thiện hiệu suất ánh sáng của bộ đèn.

Lợi ích của hiệu quả phát sáng cao

Đèn LED chiếu sáng có nhiều ưu điểm do hiệu quả phát sáng cao. Dưới đây là một số lợi ích chính:

Tiết kiệm năng lượng và hiệu quả cao: Bộ đèn LED có hiệu suất phát sáng cao có nghĩa là chúng có thể tạo ra nhiều độ sáng hơn với cùng mức tiêu thụ năng lượng. So với các công nghệ chiếu sáng truyền thống, bộ đèn LED đạt hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn, giúp tiết kiệm điện. Điều này đặc biệt quan trọng đối với hệ thống chiếu sáng đô thị vì nó làm giảm chi phí năng lượng và nhu cầu về nguồn điện.

Tuổi thọ và độ bền cao: Hiệu suất phát sáng cao đồng nghĩa với việc bộ đèn LED tỏa nhiệt tương đối thấp mà vẫn đáp ứng được yêu cầu chiếu sáng, giúp giảm quá trình lão hóa và hư hỏng chíp LED. Tuổi thọ dài của đèn LED có nghĩa là ít hơn BẢO TRÌ và chi phí thay thế thấp hơn, khiến chúng đặc biệt thích hợp cho các hệ thống chiếu sáng quy mô lớn như chiếu sáng đường và chiếu sáng khu vực đô thị.

Tiết kiệm chi phí: Do hiệu suất phát sáng cao của đèn LED nên cần ít bộ đèn hơn cho cùng một nhu cầu chiếu sáng. Điều này có nghĩa là tiết kiệm chi phí về lắp đặt và bảo trì, giảm tiêu thụ nhân lực và tài nguyên. Tuổi thọ dài của đèn LED cũng làm giảm tần suất và chi phí thay thế.

Thân thiện với môi trường: Bộ đèn LED hiệu suất cao giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng, dẫn đến giảm nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch và giảm lượng khí thải carbon. Ngoài ra, đèn LED không chứa các chất độc hại như thủy ngân, giảm ô nhiễm môi trường và rủi ro sức khỏe.

Thời gian hoàn vốn ngắn: Hiệu suất phát sáng cao của đèn LED có nghĩa là có thể đáp ứng các yêu cầu chiếu sáng với công suất thấp hơn. Đặc tính tiết kiệm năng lượng của chúng làm cho đèn LED được sử dụng rộng rãi trong Hợp đồng hiệu suất năng lượng các dự án. Nó giúp chính quyền thành phố hoặc chủ dự án phân bổ chi phí điện tiết kiệm được cho các khoản đầu tư ban đầu và hiệu suất chiếu sáng cao giúp rút ngắn đáng kể thời gian hoàn vốn.

Các chiến lược cải thiện hiệu quả phát sáng

Hiệu suất trình điều khiển LED

Lợi ích chính của việc sử dụng bộ điều khiển LED hiệu suất cao là tiết kiệm năng lượng và năng lượng tiết kiệm được nhờ bộ điều khiển hiệu suất cao là khá quan trọng trong suốt vòng đời của bộ nguồn LED. Một trình điều khiển hiệu suất 90% tiêu hao gần một nửa lượng điện năng mà một trình điều khiển hiệu quả 80% tiêu hao, do đó, việc tiết kiệm năng lượng sử dụng trong vòng đời dài 50.000 giờ có thể trở nên đáng kể. Hiệu suất của bộ nguồn LED càng cao thì tỷ lệ giữa đầu ra và đầu vào càng cao, tức là càng nhiều năng lượng điện sẽ được chuyển đổi thành năng lượng ánh sáng bởi các chip LED, như thể hiện trong hình bên dưới.

Ngoài ra, đối với trình điều khiển LED, thách thức lớn nhất có thể không phải là hiệu quả mà là độ bền. Việc cải thiện độ bền của bộ điều khiển, liên kết yếu nhất trong số tất cả các thành phần trong bộ đèn, đặt ra một thách thức đáng kể, bao gồm các hạn chế cơ bản về độ tin cậy của nhiều thành phần phụ của bộ điều khiển. Nên xem xét việc tích hợp các thành phần thể rắn vào trình điều khiển như một giải pháp thay thế đáng tin cậy hơn, vì trình điều khiển thể rắn có thể đơn giản hóa số lượng bộ phận và giảm lỗi. Hơn nữa, trình điều khiển hiệu suất cao có nhiệt độ và thất thoát nhiệt thấp hơn, điều này có thể làm tăng đáng kể sản phẩm tuổi thọ. Nhiệt độ cao hơn trong các trình điều khiển kém hiệu quả làm tăng đáng kể nhiệt độ linh kiện và ở mức độ thấp hơn là tỷ lệ hỏng hóc.

Hiệu quả của chip LED

Công nghệ LED (Light Emitting Diode) vốn đã tiết kiệm điện năng hơn so với các công nghệ chiếu sáng truyền thống như Natri áp suất cao (HPS) hoặc Metal Halide (MH). Đèn LED chuyển đổi phần trăm năng lượng điện cao hơn thành ánh sáng nhìn thấy được, giảm thiểu nhiệt lãng phí. Bản thân công nghệ LED vẫn còn rất nhiều chỗ để cải thiện. Chất lượng và loại chip LED khác nhau có hiệu quả khác nhau trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Sử dụng đèn LED có quang thông hoặc hiệu suất cao giúp nâng cao hiệu suất của bộ đèn.

Ngoài ra, nếu không thể sử dụng đèn LED có quang thông cao hơn, hiệu suất ánh sáng có thể được cải thiện bằng cách tăng số lượng đèn LED. Khi dòng điều khiển của nguồn điện không đổi, số lượng đèn LED tăng lên, công suất không thay đổi, dòng điều khiển của một đèn LED đơn giảm, quang thông của đèn LED tăng và hiệu suất phát sáng của đèn LED tăng. Ngoài ra, sự khác biệt về nhiệt độ màu và chỉ số hiển thị của đèn LED cũng có tác động nhất định đến hiệu ứng ánh sáng của hạt đèn. Để biết chi tiết, vui lòng tham khảo thông số kỹ thuật của nhà cung cấp chip LED. Dưới đây không phải là phần so sánh hiệu quả của các công nghệ chiếu sáng và chip LED khác nhau trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng.

Tản nhiệt

Hiệu quả của đèn LED có liên quan đến nhiệt độ của nó. Nói chung, nhiệt độ càng thấp (trong phạm vi hợp lý) thì hiệu suất của đèn càng cao. Ngược lại, nhiệt độ càng cao thì hiệu suất của đèn càng giảm. Độ rủ nhiệt của đèn LED là hiện tượng hiệu suất phát sáng của đi-ốt phát quang (đèn LED) giảm khi nhiệt độ tăng. Điều này thể hiện ở chỗ khi một đèn LED nóng lên, nó trở nên kém hiệu quả hơn trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng, dẫn đến giảm lượng ánh sáng phát ra. Một số nhà nghiên cứu tin rằng hiện tượng này là do sự tái hợp của các cặp electron-lỗ trống trong vùng điện tích dương của đèn LED, do đó tạo ra nhiệt. Khi nhiệt độ của đèn LED tăng lên, số lượng cặp electron-lỗ trống tăng lên, dẫn đến sự sinh nhiệt tăng lên, điều này sẽ dẫn đến giảm hiệu suất lượng tử của đèn LED. Lý do thực tế có thể phức tạp hơn, nhưng chúng ta chỉ cần nhớ rằng hiệu suất của đèn LED sẽ giảm khi nhiệt độ tăng.

Điều khiển nhiệt độ làm việc của đèn LED nghĩa là đảm bảo nhiệt độ làm việc của đèn LED luôn nằm trong một khoảng thích hợp. Tăng cường độ dòng điện sẽ làm tăng sản lượng ánh sáng, nhưng nó cũng làm tăng nhiệt. Ngược lại, khi chúng ta sử dụng dòng truyền động thấp hơn trong thiết kế đèn LED, sự gia tăng nhiệt sẽ không quá rõ ràng, để tránh nhiệt độ quá cao, giảm sự phân rã ánh sáng và kéo dài tuổi thọ của đèn LED. Đồng thời, dòng truyền động thấp hơn cũng rất hữu ích để cải thiện hiệu quả của chính đèn LED. Nhưng chúng ta cần chú ý, dòng truyền động thấp hơn có nghĩa là chúng ta cần sử dụng nhiều đèn LED hơn để đạt được công suất thiết kế của đèn.

Để đạt được hiệu quả tản nhiệt và cải thiện hiệu suất tản nhiệt tổng thể, Đèn đường LED có thể dựa vào bộ tản nhiệt bên ngoài để giảm nhiệt độ bên trong và duy trì môi trường bên trong tương đối cân bằng. Bằng cách sử dụng bộ tản nhiệt bên ngoài, lượng nhiệt dư thừa được tạo ra bởi đèn đường LED có thể được tiêu tán một cách hiệu quả. Cách tiếp cận này giúp ngăn quá nhiệt và đảm bảo hoạt động tối ưu của đèn. Chúng tôi liệt kê các bộ tản nhiệt khác nhau trong hình bên dưới. Tùy thuộc vào hiệu quả kết nối giữa PCB và tản nhiệt mà chúng ta có thể cải thiện hiệu suất tản nhiệt của đèn và đảm bảo các chip LED hoạt động ở nhiệt độ hợp lý.

Quang học

Hệ thống quang học trong bộ đèn kiểm soát và điều khiển cường độ và phân bố không gian của ánh sáng được áp dụng. Có thể sử dụng nhiều cách sắp xếp thấu kính, gương phản xạ và bộ khuếch tán khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng chiếu sáng mong muốn phân phối ánh sáng và yếu tố hình thức của sản phẩm chiếu sáng. Các nghiên cứu xác nhận rằng điều khiển quang học được cải thiện thường có thể sử dụng tổng lượng ánh sáng ít hơn để đạt được mức độ rọi quy định. Đối với các ứng dụng ngoài trời (đèn đường LED, đèn pha LED), phân bổ ánh sáng thích hợp có thể làm giảm tình trạng chiếu sáng quá mức và chiếu sáng ngoài mục tiêu, không mong muốn biểu hiện dưới dạng ánh sáng xâm lấn hoặc ánh sáng lóa phát ra bầu khí quyển và khiến bầu trời phát sáng.

Trong các ứng dụng hiện tại, các bộ đèn được thiết kế tốt có thể bị suy hao quang dưới 10%. Nói chung, gói đèn LED càng ít và càng nhỏ thì đầu càng nhỏ và hệ thống quang học càng hiệu quả. Nói chung, số lượng các lớp của thấu kính, càng nhiều phương tiện (thấu kính và thủy tinh) mà ánh sáng đi qua thì độ suy hao càng cao. Ngoài ra, chất liệu của thấu kính, việc sử dụng gương phản xạ và bộ khuếch tán cũng có tác động đến hiệu quả phát sáng. Ví dụ, độ truyền sáng của thấu kính LED làm bằng PC thấp hơn so với thấu kính làm bằng PMMA.

Xu hướng về hiệu suất phát sáng của đèn LED

Sau đây, tôi liệt kê hiệu suất phát sáng của chip LED trong các thời kỳ khác nhau, cũng như hiệu suất sử dụng năng lượng, hệ số truyền ánh sáng của thấu kính và tác động của những điều này đến hiệu suất phát sáng của bộ đèn. Với sự tiến bộ của công nghệ, chúng tôi tin rằng hiệu quả ánh sáng của đèn LED có thể được cải thiện hơn nữa trong tương lai.