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DOE SSL商品测试计划第一轮测试结果鼓舞人心

导读: 在美国能源部(DOE)SSL(固态照明)商品测试工程(CPTP)对四种产品进行试测试后,其第一轮测试(2006年12月-2007年2月)结果也已水落石出。这一轮共测试了8种代表一系列应用、设计和制造商的SSL产品。所有产品都采用分光辐射测试法(spectroradiometry)、测角光度测量法(g

   在美国能源部(DOE)SSL(固态照明)商品测试工程(CPTP)对四种产品进行试测试后,其第一轮测试(2006年12月-2007年2月)结果也已水落石出。这一轮共测试了8种代表一系列应用、设计和制造商的SSL产品。所有产品都采用分光辐射测试法(spectroradiometry)、测角光度测量法(goniophotometry)进行测量,并对温度测试(对灯具的最高可接近热点进行测量)及关闭状态功耗进行了研究。

  照明测试实验室依照LM-79中规定的检验过程对整个SSL灯具进行测试,而不是像传统测试一样对灯泡等级(lamp rating)与灯具功效(fixture efficiency)分开测试。这一方面是因为目前对LED器件或阵列的光通量测量尚无标准行业测试流程,另一方面也是由于LED性能对温度敏感,不同的灯具设计对所使用的LED器件或阵列的性能有实质性影响,导致了LM-79将整个灯具效率作为评估SSL产品能效的依据。

  表1总结了CPTP试测试和第一轮测试中所有产品的性能(包括光输出、灯具效率、相关色温、显色指数)。前4种灯具(06-01、 06-02、 06-03和06-04)已在试测试中接受了测试,而第一轮测试对06-02和06-04两种灯具进行了附加测试。

  为了对同种产品中不同个体间的差异作初步探查,并提供有关其他照明技术的基准数据和LED热量管理基准数据,第一轮中对产品的选取做了安排。为便于观察个体差异性,06-06和06-07产品分A、B两类。为了提供基准数据,06-11、 07-02和 07-03为同一种产品,不同的是07-02和07-03拥有相同的灯具设计,但前者使用CFL(紧凑型荧光灯管)作光源,后者使用LED作光源,而06-11与07-03则使用相同类型的 LED光引擎和驱动器,但热量管理系统和灯具设计却不同。

1. DOE SSL CPTP第一轮测试结果摘要

整个灯具基于LM-79的光度测量(室温25º C

光输出

(lm)

灯具效率

(lm/W)

相关色温

(K)

显色指数

CPTP 06-01筒灯(Downlight

(制造商公布的LED光效为40 lm/W)

193

12.8

3012

70

CPTP 06-02橱柜灯(Under-cabinet light

(制造商公布的LED光效为55 lm/W)

166

16.1

3483

78.2

CPTP 06-03筒灯(Downlight

(制造商公布的LED光效为45 lm/W)

298

19.4

2724

67.3

CPTP 06-04作业灯(Task light

(制造商公布的LED光效为36 lm/W)

114

11.6

[7.1]

6392

76

CPTP 06-05 室外照明灯(Outdoor Area light

(制造商公布的LED光效为24 lm/W)

2638

23.9

4661

20

CPTP 06-06A 平面安装灯具

Surface Mount luminaire

(制造商公布的LED光效为55 lm/W)

A

960

23.5

3405

75

B

967

23.8

3414

75

CPTP 06-07A 壁灯/踏板灯

Wall/Step light

A

23.8

4.0

2833

70.3

B

25.9

4.3

2874

69.8

CPTP 06-08橱柜灯

375

21.6

7003

72.3

CPTP 06-09作业灯/台灯

Task/Desk light

327.5

15.3 [11.6]

3841

84.9

CPTP 06-10橱柜灯

166

32.8 [21.9]

4103

77.3

CPTP 06-11作业灯/台灯

Task/Desk light

215

17.0

[8.2]

5973

74

CPTP 07-02作业灯/台灯

Task/Desk light

CPTP 07-03作业灯/台灯

Task/Desk light

CFL

236

24.2

[13.3]

3432

79

LED

226

18.4

[8.6]

5939

74

方括号中为调整过的效率数值,考虑了关闭状态功耗(假定每天导通时间为3小时)对效率的影响,下文中还就关闭状态时的功耗对平均年效率的影响作了讨论。

测试结果分析及评论

一、能源使用和光输出

  尽管测试产品的光输出和效率不尽相同,整个的样品规模也非常小,但每一种产品中都有光输出和效率接近其他照明灯具的SSL灯具。忽略异常值,CPTP第一轮测试结果中灯具效率的提高证明LED芯片功效的改进正慢慢提高商业化产品的功效。尽管目前SSL产品可能比不上最高效的白炽灯或荧光灯光源,但其光输出正向特殊应用可接受的水平靠拢,效率也开始能与一些CFL灯具一较高下(部分由于LED的方向特性)。

1,当今的荧光产品拥有不同的光输出和效率,基于制造商提供的荧光/白炽橱柜灯的光度数据,测试的三种SSL橱柜灯的每英尺(线性)光输出与一些白炽/荧光灯产品相当。至于能耗,所有SSL橱柜灯的效率要好于类似的白炽橱柜灯,有一种还达到与荧光橱柜灯相当的水平(荧光灯管的光效为40-70 lm/W,计入典型灯具损耗后,紧凑型荧光灯具的效率在20-50 lm/W之间)。

  2,对于四种SSL作业灯/台灯,所有SSL灯具的效率都超过使用白炽灯泡的作业灯/台灯,且只有一种的光输出未达到20W和35W卤素灯的水平,并达到类似CFL灯具的二分之一至四分之三。

  3,对于06-06平面安装灯具来说,一个使用36颗LED的2英尺SSL产品可提供 960lm的光输出,但将其与荧光平面安装灯具作比效时却需要谨慎。市面上有多种类型的平面安装灯具,其灯具效率各有不同并可选择不同效率的荧光灯管作为光源,灯具不同所得的比较结论不同。考虑两个例子:1)使用2根T12荧光灯管的4英尺长包围式(Wrap Around)平面安装灯具;2)一系列平面安装荧光橱柜灯具(某些灯具已在楼梯照明等类似应用中达到商业化)。

  4英尺长、集成90颗LED的06-06产品的光通量大约为2400lm,是例1(4600lm )的一半多一点,效率是其三分之一;而与橱柜平面安装灯相比,06-06比23款商业荧光橱柜灯的平均光输出要高,其效率也高于效率最低的荧光橱柜灯,达到荧光橱柜灯平均效率的三分之二。

  4,对于06-05室外照明灯,任何一款产品的光输出为2638lm,而灯具效率达到24 lm/W。由于市面上有多种类型的室外照明灯(如卤素灯、金属卤化物灯、高压钠灯)且特定的应用有不同的方向和白光要求,这使得比较SSL与传统室外灯的光输出和效率变得困难或不适当。

  5,壁灯/踏板灯是测试产品中的“异类”,光效仅为4lm/W。尽管光效仍高于白炽灯,却与SSL产品当前的水准相差很多,对这一应用的期望值比测量值高了2-4倍。

  制造商在大部分测试产品的产品资料中提供了LED的光效,并基于这一数据推断灯具的流明输出水平。这可能造成误解,因为实际测量的灯具光效比LED的光效低得多(平均为LED光效的三分之一)。在某些产品资料中,制造商通过提供比较(如相当于35W卤素灯)来暗示输出水平。如果这一比较是基于LED芯片的光效而不是实际的灯具输出,这一信息将对消费者产生极大的误导。在第一轮测试中,仅有一种产品的输出和效率值与测试结果相符。

二、颜色质量的测量

  第一轮分光放射测试提供了每种灯具的色坐标(chromaticity coordinates )、相关色温(CCT)、显色指数(CRI)和光谱功率分布(SPD)。相关色温最小为 2724K(属于CCT最热的范畴,与白炽灯相似)最大为7000K(属于CCT最冷的范畴),总跨度达4200K。除一只未使用荧光转换LED技术外,其他SSL灯具的整体平均显色指数为75。

  值得注意的是,对某些特定应用来说,光源的CRI相对较低也同样会得到用户的认可。另外,CRI不能作为比较不同相关色温的灯具的尺子。读者最好对颜色质量评估的复杂性及CRI在SSL产品上的局限性有一定的理解。替代CRI的衡量标准正在制定,但在其未出台之前,DOE仍将使用CRI评定灯具的显色性。

  SSL灯拥有相对温暖的色温和可接受的CRI数值,表明其有潜力为通用照明应用提供合适的颜色质量。但一些的产品的色温相对较冷,就不太适用大部分通用照明了。在这一阶段,观察员的定性视觉评估可为灯具颜色质量在特定应用中的适应性提供重要的深入理解。

三、电子及热量设计

  1,关闭状态的功耗

  第一轮测试对所有装有开关的灯具的关闭状态功耗进行了测量。结果显示,每种作业灯(包括CFL作业灯)和一种橱柜灯在关闭状态时消耗了能量,其范围介于 0.36-2.0W之间。

  数据表明,即使开关打到关闭状态产品依旧消耗能量,从而使产品的实际功效下降。解决办法之一就是在灯具上安装占用感应器(occupancy sensor),当无人占用空间时,感应器将关闭墙上插座的电力供应,而最终的解决方案是开关的电子设计需要关掉电源线路端(墙上插座端)的电力供应。真正的灯具效率(有效平均效率)取决于灯具每天使用的小时数,具体数值如表2所示:

       表 2. 有效的平均功效

 

工作状态

时的测量

功效(lm/W)

关断状态时的测量功率(W)

有效的平均功率 (lm/W)

每天运行1小时

每天运行3小时

每天运行5小时

CPTP 06-04作业灯

11.6

0.88

3.8

7.1

8.7

CPTP 06-09 作业灯/台灯

15.3

0.98

7.4

11.6

13.0

CPTP 06-10 橱柜灯

32.8

0.36

12.4

21.9

25.8

CPTP 06-11作业灯/台灯

17.0

1.96

3.7

8.2

10.7

CPTP 07-02作业灯/台灯

CFL

24.2

1.14

6.6

13.3

16.8

CPTP 07-03作业灯/台灯

LED

18.4

2.00

3.9

8.6

11.4

注意:灯具每年工作的时间越短功效就越低,但耗能也越少

  无论是CFL还是SSL产品,如果每天仅使用几个小时的话,平均功率均要低于某些白炽灯,这显示了关闭状态下功率消耗的重要性。这一问题在使用遥控镇流器或电源的产品上尤其普遍。

  2,功率因数

  目前测试的SSL产品的平均功率因数(PF)为0.7,一半产品的功率因数在 0.75以上,并有四分之一的产品的功率因数超0.9。对于SSL灯具来说,产品的瓦数与功率因数、功效与功率因数到目前为止并未显示出相关性来。

  高功率因数对SSL的早期市场进入可能是个好兆头,它预示着这一技术有潜力在替换一大部分照明产品的同时保持相对好的功率质量。随着SSL技术的进步,这一良好声誉可能会增加SSL技术被公用事业部分热情接受的机会。

  3,热量设计

  第一轮对每种灯具外壳的两个最热点进行了温度测量(使用热成像摄像机定位),测得灯具的平均外壳温度为47°C,最高温度为73°C。

  对于大部分产品来说,热量管理使用的散热装置可通过目测观察出来。在许多产品中,灯具本身就有散热功能,而一些灯具由于使用了不恰当的散热装置使得散热不充分(例如,将散热装置封装在塑料盖内阻挡了空气流,从而降低散热装置的效率)。

  不充分的散热可降低LED产品的功效并导致流明下降速度加快。CPTP的第二轮测试将包括流明下降测试,以便更好地评述热量管理及其他因素对SSL商品性能的长期影响。

  4,再现性和可变性

  分光辐射测试法和测角光度测量法都可用来测量灯具的流明输出和功效(lm/W)。第一轮测试使用两种方法测得的灯具输出的平均差异接近1%,只有一种筒灯的差异达到7%,而两种方法对某一特定灯具功效的测量差接近3%。一种产品在两家测试实验室接受同一测试,其测量结果的差异性非常小。

  为了对某特定产品中的个体差异性有更深入的理解,06-06 和06-07的产品测试中对来自相同厂家的两个单个个体进行了测量。尽管这一阶段的样品规模还太小不能进行分析,初步研究显示其中一种产品的个体差异可以可以忽略而另一种产品的单个个体在功率和输出上有出入。这可能是由于灯具损耗大及/或LED数量少(每种灯具使用3颗LED)所引起的。

  CPTP的第二轮测试将扩大对再现性和差异性的测试,内容包括由不同实验室使用一系列设备进行的测试,以及对某种产品多个个体的测试。

  5,CFL与SSL产品的直接比较

  07-02和07-03产品拥有相同的灯具设计,前者使用CFL做光源而后者使用LED ,这提供了直接、并行的比较。07-02的测试功率为9.8W,而07-03的功率为12.3W。两产品的流明输出几乎相同,CRI数值也都可以接受。SSL产品的灯具效率是CFL产品的四分之三,但却拥有高达0.92的功率因数(CFL的为0.54),CFL的色温更偏暖一些(3432K对5939K)。

  比较结果是SSL灯具的能效接近与CFL竞争的水平,而SSL的适合性则部分取决于特定应用的颜色要求。由于LED芯片设计在过去半年内有进步,下一代SSL灯具在许多性能上将超过CFL灯具。

四、第一轮测试结论

关键点:

  第一轮测试的12种SSL通用照明商品呈现了多种不同的性能。一些SSL商品的光输出达到可接受水平,光效也大大超过白炽灯,计入方向性和灯具损耗后,其效率甚至与一些荧光灯具相当。

  当今市场上一些产品的光输出比传统光源要低,大部分产品的测试值要低于产品资料中所提供的数值。但也有一些产品表现相对较好,其中一小部分的产品资料提供了可靠、准确的信息。随着业内专业人员对整个SSL光源性能评估重要性的认识的加深,新兴SSL市场将有更可靠的性能信息做支撑。

下一步测试:

  DOE SSL CPTP的下一轮测试将继续拓大产品测试种类(包括筒灯和替代灯泡),测试内容将包括更深入的性能测试和流明维持率测试(基于IESNA LM-80测试标准草案),对测试结果的再现性和可变性进行探求,得出更多的基准-为SSL产品与传统灯具、居家与商业产品提供更多的定量比较。测试总目标为提高人们对如何比较不同光源、不同灯具的认知水平。

行业下一步:

  在SSL技术持续快速发展的时刻,业内团体可使用这些测试数据为保护SSL的潜力做策划。业内团队正在不懈地发展SSL技术,标准组织与DOE正在制定SSL产品标准和测试流程。灯具制造商继续整合组件[局部]效率与新LED、LED光引擎新技术,进而提高整个灯具的效率和颜色质量。SSL灯具基本性能的提高可通过良好的热量管理和电能质量特性以及消除关闭状态功耗来实现。

  第一轮所测试的产品都为05年或06年初的产品,在光输出和效率上已经逼近 CFL灯具。而LED芯片和光引擎的性能在06年后期和07年初已获得显著提高,这预示着使用最新技术的下一代SSL商业灯具将与一大批通用照明产品形成实质的竞争。

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