照明的节能技术ppt.ppt

1 照明的节能技术 复旦大学光源照明工程系刘跃群 2 是当今世界各国普遍关注的三大社会问题 并直接影响到人类社会的可持续发展 人口 节能和保护环境 3 绿色照明的定义 旨在节约能源和保护环境的照明的一种通俗而形象的描述 其内涵是选用光效高的优质节能的照明产品 再用科学方法经精心的照明设计 从而创造出一个功能合理 经济适用 节约能源的优良照明环境 4 各种光源种类的能耗使用比例 5 能耗趋势 6 道路照明节能途径 光源例如LED微波硫灯节能镇流器LC镇流器光源运行方式例如变功率过电压保护电抗法系统管理例如智能控制集中管理 7 现代传统照明采用光源 白炽灯 效率低 15lm W气体放电灯 效率高 平均75lm W 显色性差 二十一世纪的崭新光源 LED 效率高 期望达到200lm W 其独特的技术优势其他光源无法比拟 色彩范围可以覆盖色度坐标的80 90 优于NTSC电视标准 显色性很高 利用三基色原理 可以得到几乎全部色彩 色彩艳丽 在夜景照明中极为醒目 LED的技术优势 8 高效率 输入电能转换光能效率最 长寿命 是普通灯具的十数倍乃至几十倍以上 低能耗 与同照度镀内胆漆灯相比 耗电仅1 8 1 10 一灯七色 色泽稳定 不受使用年限影响色差 安全可靠 LED灯属冷光源类 不产生热量 操作方式多样 既可与PC联机 又可与普通灯泡一样使用 新技术 发光方式为电子跃迁辐射复合发光 9 科学使用 1 在夜景 标识 小光通照明方面 LED已经牢固确立技术优势 2 大光通照明方面 LED代表了技术方向 实际应用还有很多具体问题 性价比总体光效现在还不很高 约65Lm W 光度分布与灯具效率灯具造型与传统审美观念 10 微波硫灯 11 无极荧光灯大功率节能灯 近期的热点 12 节能电感镇流器 13 在绿色照明工程中 镇流器是一个极为重要的光源电器配件 它的发展受到许多方面的关注 是电子镇流器还是电感镇流器 这是各方面人士存在较大分歧的一个问题 我们认为 根据这两类镇流器的原理 技术依据 历史发展和使用统计来看 小功率气体放电光源 40W以下 应该坚持以电子镇流器为主 因为它节能效果明显 一体化程度高 而对于高强度气体放电光源 100W以上 目前还是应该以电感镇流器为主 因为它节能效果与电子镇流器相当 电路可靠度高 14 电感镇流器必须是节能型的 即节能型电感镇流器 国内大量的电感镇流器仍是传统型老产品 其性能稳定 价格便宜 但功率损耗大 从我国的国情出发 如果把传统电感镇流器更新为节能型的 将会取得可观的节能效果 而且在技术上 经济上皆是可行的 根据预测 如果将目前中国传统电感镇流器年产量100 转为节能电感镇流器 每年可以节电9亿千瓦小时 这相当于节省11 16亿元新建电厂投资 减排100万吨二氧化碳 15 节能型电感镇流器的技术特性 节能电感镇流器与一般传统电感镇流器区别在于三个基本参数 镇流器功耗限定的上限值 系统功率因素的最小值符合要求的启动电流 16 节能要求 17 对镇流器的技术要求 正常使用 灯的电压电流值符合国家标准 初始启动电流不超过规定值的上限 电流谐波总值不影响灯的寿命 电流谐波总值不影响功率因子调整至0 8以上 温升不超过120度 18 对镇流器的技术要求 非正常使用 电源电压提高10 243V 电流有规定值 在200度烘箱中 能连续工作7昼夜 电气绝缘能耐压3000V一分钟 不发生击穿 19 初始启动电流超过规定值的上限 将缩短灯的寿命 大部分传统镇流器由于这时工作在铁心的饱和区 初始启动电流较大 节能型镇流器由于这时工作在铁心的线性区 启动电流不会很大 20 电流谐波总值太大使灯的寿命缩短 以电容镇流为例 21 电流波形因子与灯寿命的关系 22 电流谐波总值太大使灯的功率因子无法用电容补偿 灯电压是基波 50Hz 灯电流包括基波和高次谐波 高次谐波与基波的乘积的平均值为零 所以高次谐波电流不作有用功 此高次电流无法用电容补偿 23 电源电压提高10 243V 电流有规定值 传统镇流器往往作不到这一点 这是引起事故的重要原因 烧毁 火警 在200度烘箱中 能连续工作7昼夜 也是为了防止意外事故的发生 传统镇流器往往在这一点上过不了测试检验 24 传统型镇流器与节能型镇流器的比较 25 电流波形比较 节能镇流器 传统镇流器 结论 节能镇流器能有效防止波形失真 提高灯的寿命 26 功率因子补偿比较 节能镇流器 传统镇流器 结论 由于节能镇流器的电流波形失真小 功率因子补偿很容易补偿至最大值 27 电压增加10 电流增幅比较 节能镇流器 传统镇流器 结论 在异常情况下 传统镇流器电流增幅极大 容易引起事故 而节能镇流器不存在这个问题 28 镇流器自身能耗比较 29 镇流器寿命比较 镇流器寿命取决于镇流器的温度 温度与寿命的关系呈对数关系 温度低10度 寿命增加一倍 节能镇流器的温度比传统镇流器低40度左右 因此它的寿命是传统镇流器的16倍 理论寿命可以达到50年 30 节能镇流器外形 31 EC型镇流器外形 32 EC型镇流器尺寸 33 OM型镇流器外形 34 OM型镇流器尺寸 35 OG型镇流器外形 36 OG型镇流器尺寸 37 环型镇流器 38 节能镇流器的理论依据 39 节能设计原则 40 设计方法 令j为电流密度 则线圈导线的截面积为 线圈导线截面积之和 即铜的截面积为 引入铁芯的占空系数kc和铜线的占空系数km 得 41 节能镇流器常用铁心 42 交流电感镇流器的几个实用公式 43 系统功率因数是节能型镇流器的重要参数 一般情况下将系统功率补偿到0 85以上 44 环型镇流器的技术优势 45 电感镇流器的自身能耗 磁滞损耗 材料涡流损耗 材料与工艺铜阻损耗 材料与磁路结构漏磁损耗 工艺与磁路结构介质损耗 材料延迟损耗 材料 46 与其他形状相比较 环形的周长最短 所需要的励磁电流最小 47 按照电磁场理论 磁场强度 磁力线 的散度等于零 也即磁力线呈平滑封闭状 不可能出现拐点 环形利于磁力线分布 使铁芯体积最小 减少了铁损 48 环形铁芯由铁片卷绕而成 易于大幅度提高紧密度 因而把漏磁减少到最小 漏磁损失和工频基本可以消除 49 铁心损失 50 智能控制照明节能产品 时间预置型单灯节能器适用于新道路工程适用于老道路改造时间预置型多灯节能器扩频载波式集中控制节能系统无线遥控式集中控制节能系统 51 时间预置型单灯节能器 适用于新道路工程 原理 虽然目前节能型照明器具发展很快 但仍难以获得大幅度降低能耗的效果 时间预置变换式节能电感镇流器 除了优化镇流器本身的结构外 在光源运行的方式上还作了改进 即在不降低道路交通的安全性前提下 根据道路交通的车流与人流统计情况 预置时间进行功率变换 通俗地讲 就是在交通繁忙的时候 灯运行在大功率状态 在车少人稀的时候 镇流器能自动变换 使灯能在60 的额定功率处运行 由此达到节能的目的 其运行图如下 52 53 组成 时间预置变换式节能电感镇流器由三部分组成 节能电感镇流器专门设计 合理的磁路机构和铁磁材料使镇流器的自身能耗减少50 节能电感镇流器的设计将在后面详述 时间预置变换电路电路设三个时间预置端口 使镇流器按照预置条件 变换电感量 使灯功率也随着发生变换 电子启动器输出符合所接光源的触发脉冲 幅度和宽度 54 特点 整套装置运行稳定 可靠性高 节能效果达到30 以上 而且价格低廉 一次性投资的增加 不到五个月就能回收 由于减少了光源和镇流器满负荷运行的时间 使它们的有效寿命也得到提高 55 适用于老道路改造 原理 基本原理与新道路工程的相同 就是把串联电感与控制电路作成一个整体 独立于原来的照明系统 运行图 56 特点 不需要对原来的灯系统进行改动 在进线处增加一个节能器就可以 节能器全封闭型 能防潮防水 温升45度以下 能有效提高灯寿命一倍以上 57 时间预置型多灯节能器 利用线性电抗器 接入灯电路中 使电路的总阻抗可以进行变换 从而使灯的功率随之发生变化 如果变化次序是根据照明环境的需要而设定 即在正常情况下 灯按设计要求在额定功率下运行 在一些特殊情况下 例如道路照明的深夜 火车站无火车通过时 亮化工程的非重大节日时等等 灯不能熄灭 但不必照度很大 而且又要兼顾均匀性 这时可以使灯降功率运行 具体方法是串联接入电抗器 增大电路阻抗使灯功率下降 这种方法称之为电抗器法 考虑技术工艺和市场等因素 一般而言 电抗器法的变换设为两挡 即满功率与降功率 换档通过机电器件或电子电路来实现 具体电路原理图如下 常规的灯电路在图后 58 59 60 实际应用是一个电器设备 61 特点 节能效果显著 可达30 以上 线路可靠 基本不需要维修 寿命为20年以上 一次性投入成本很小 不必对原有线路进行大量的改造工作 延长灯 灯具与附属电器的寿命2 4倍 62 扩频载波式集中控制节能系统 系统原理图 63 单灯原理图 64 特点 用中央集中控制的方法 对所有灯具实施轻松自如调控 可对系统内任意一套灯实现开 关和降功率运行三种状态的调控 既可程序化自动运行 也可人工操作 节能效果达到40 而且使光源及附件的寿命延长三至四倍 65 系统的创新点 与一般控制系统只控制开 关两种状态不同 增加了降功率运行的控制 使节能效果 光源及附件寿命延长的优点明显突出 与一般调控装置 例如西班牙塞里克鲁公司的NE智能调控装置 不同 通过降低灯电流的方法实现降功率 使灯能使用至极限寿命 此项技术已经通过上海市科委鉴定 而不是通过降低灯电压的方法实现降功率 由于降低了二次启动电压 灯后期无法点燃 采用节能型电感镇流器 能耗下降50 寿命可达20年以上 系统特点 舒适的操作性能 可以简单地同时开启及关闭一个区域内所有的照明灯具 并且按计算机的几个键 就能切换到一个合适灯光情境的场面 创造有效率的照明环境 实现节约能源的功能 整个系统的照明状态可以在监控室 管理室来做集中控制与监视 将可以有效的做到集中监控管理 以节省更多的能源 施工简单化 因为采用无线遥控和扩频载波多重传送方式 所以不管是1个路或100个路皆无需另外敷设讯号线 所以较以往的传统配线器具在配之特性方面可以节省更多的线路 成本简化了许多 同时兼具低电压安全 容易设定的方便性 提高了系统设计 成本估算的速度 而材料准备 安装和系统更改也变得简单且更具经济效益 可变更设定的经济性 当照明控制范围需要变更时 只需要重新在程序中增设新的地址即可 非常快速与容易 并且不用重新配线 由于系统的弹性设计 只要选用必要的元件 就能做出一个满足需求的最佳系统 66 无线遥控式集中控制节能系统 67 中心系统通讯及管理功能 统计查询功能 资料维护及管理功能 故障报警功能 打印报表功能 系统维护功能等 68 电子地图辅助管理统计查询功能 报表打印功能 69 智能执行终端智能执行终端以单片机为核心 配以各种功能模块组成 具有智能化的执行能力 可根据调度端的命令完成现场信息的收集 路灯开关灯控制 降功率控制等功能 70 71 72 双功率镇流器 与功率转换器结合使用 所谓双功率镇流器实际是一种节能型的电感镇流器 它的电感量可以进行变换 从而使灯的功率随之发生变化 如果变化次序是根据照明环境的需要而设定 即在正常情况下 灯按设计要求在额定功率下运行 在一些特殊情况下 例如道路照明的深夜 火车站无火车通过时 亮化工程的非重大节日时等等 灯不能熄灭 但不必照度很大 而且又要兼顾均匀性 这时可以使灯降功率运行 具体方法是变换镇流器的电感量 增大电感量能使灯功率下降 这种镇流器称之为双功率镇流器 73 常规点灯电路 74 常规高压钠灯运行时间 75 功率转换型高压钠灯运行电路1 76 功率转换型高压钠灯运行电路2 77 功率转换型高压钠灯运行时间1 红色部分为节电部分 78 功率转换型高压钠灯运行时间2 红色部分为节电部分 79 转换后的光效变化 80 转换后的安全性 符合DIN5044 静止交通照明 的要求 81 双功率镇流器的功率变换时间方法 可以通过简单的时基电路实现可以通过智能化集中控制系统实现由于节能效果明显 30 以上 又能有效地延长灯与电器的寿命 两倍以上 所以双功率镇流器是一种市场前景很好的产品 82 时间控制功率转换器分频 编码电路CPU电路RC充电型 83 可靠型电子启动器的研制 要求 长寿命 高可靠性 体积小 分类 二端型 三端型 84 整体运行电路 85 创新点 与一般控制系统只控制开 关两种状态不同 增加了降功率运行的控制 使节能效果 光源及附件寿命延长的优点明显突出 与一般调控装置 例如西班牙塞里克鲁公司的NE智能调控装置 不同 通过降低灯电流的方法实现降功率 使灯能使用至极限寿命 而不是通过降低灯电压的方法实现降功率 由于降低了二次启动电压 灯后期无法点燃 采用节能型电感镇流器 能耗下降50 寿命可达20年以上 此项技术已经通过上海市科委鉴定 86 效益分析 87 节能效果 250WHPS节能效果表 88 400WHPS节能效果表 89 我国目前道路照明中高压钠灯的应用情况 当前我国大陆道路照明和室外照明约有600万套HPS装置在运行 预计年增量为100万套 99年生产HPS600万支 电感镇流器150万个 其中2 3用于道路照明 因此 2000年道路和室外照明约有700万套HPS装置在运行 若其中10 的传统型HPS镇流器由节能型功率变换镇流器替代 则节电效果明显 90 节电效果年节电为 700万x10 x250Wx5小时 天x365天x50 1 597亿度年节电费 1 597亿度x0 4元 度 6388万元 91 投资回报期 传统型电感镇流器250W价格为80元 预制变换HPS250W节能型电感镇流器价格约为150元 每换一个镇流器需增加初始费用70元 然而 每天可节约电费为 250W 5小时 0 4元 度 0 5元 每天则投资回收期 70 0 5元 天 140天 92 技术特性 功率转换档数 400W 250W 250W 150W 150W 100W 100W 70W磁路结构 插片式单或双磁路镇流电路结构 串或并联镇流器能效值 符合国家有关标准时间转换档数 3档 24小时电路输出执行电平 0V6V电路负载电流 10A 400W 250W 电路自身能耗 5W 400W 250W 93 双功率镇流器的设计 假如满功率时的灯的功率为P灯1 降功率时的功率为P灯2 双功率镇流器的结构为单铁心抽头式 设计可分为四个步骤 l满功率镇流器的设计l根据降功率的幅度作线圈修正l几何尺寸的确定l镇流器自身能耗的计算 94 满功率镇流器的设计 求镇流器工作电压选择铁芯截面计算线圈匝数计算所需导线直径 95 根据降功率的幅度作线圈修正 计算降功率时的线圈圈数N需要增加的线圈圈数N2计算所需导线直径为 96 几何尺寸的确定 计算线圈厚度铁心窗口尺寸铁心迭厚空气隙长度 97 镇流器自身能耗的计算 由硅钢片的比耗求铁心损耗 主要由涡流损耗与磁滞损耗构成 由公式I2R计算铜耗 98 双功率镇流器的设计举例 设计高压钠灯400W 250W双功率镇流器 已知 型号电源电压 V 功率 W 灯管电压 V 工作电流 A NG400 22050Hz400110 203 00NG250 22050Hz250110 201 80 99 满功率镇流器的设计 求镇流器工作电压 选择铁芯截面 计算线圈匝数 线径D 100 根据降功率的幅度作线圈修正 计算降功率时的线圈圈数N 需要增加的线圈圈数N2 N2 N N1 517 409 106计算所需导线直径为 101 几何尺寸的确定 计算线圈厚度 铁心窗口宽度为 铁心窗口高度为 铁心迭厚 空气隙长度 102 镇流器自身能耗的计算 铁耗 铜耗 总损耗为31 7W 103 三 LC镇流器 利用LC镇流器特有的镇流特性 能够设计出节能型 适合高管压气体放电光源的镇流器 这里介绍了这种镇流器的设计原理及方法步骤 104 LC镇流器的特性 优点 稳流特性好功率因数比一般的电感镇流器高 电路处于准谐振状态时 可以输出较高的工作电压 适合于灯管电压较高的光源 105 稳流特性 106 LC镇流电路的稳流特性较好 当电源电压增加10 时 W灯110 W灯比值可以计算 以400瓦高压汞灯为例 采用电阻镇流时 W灯110 W灯 1 25采用电感镇流时 W灯110 W灯 1 17采用LC镇流时 W灯110 W灯 1 12 107 短路电流控制 短路电流 两者之比 如果400瓦高压汞灯 采用LC镇流可以从上式计算短路电流 取P2 2 108 功率因数校正 LC镇流电路的矢量图如图 从图可以看出 LC镇流电路的功率因数比普通的电感镇流高的多 从图中也可以看出LC镇流电路为什么能用于高灯管电压的光源 109 利用漏磁变压器的漏磁电感进行工作 图18这种LC电路可以利用C很方便地校正电路的功率因数 线路电流由三部分组成 初级线圈的电流 滞后 灯管的电流 超前 和次级线圈的反射电流 线路电流所包含的三部分中 两部分超前 一部分落后 只要初级线圈的电感和电路中C设计适当 电路的功率因数可得到校正 110 重复着火的能力 在LC镇流中 重复电离电压Vb与 L有关 为了使重复电离增高 必须增大电感量L 因此LC镇流的重复电离的能力不如电感镇流 如400W高压汞灯 镇流器 L 45 则 111 LC镇流器的设计原理 已知电源电压V 灯电压VP 灯电流iP 计算L C值 确定P值 112 计算L值 113 计算C值 根据P2 1 2LC 求未知量C计算功率因子 校正 由于LC镇流器的二次启动电压Vb值不是一个精确的值 在一定的范围内随灯管不同而不同 在整个寿命期间也会发生变化 因此 合理地选取此值很重要 L C值确定后 必须根据实验进行验证 校正 114 四 光源变功率运行的电抗法原理 概论电抗器法的原理电抗器法的技术优点与降电压法的比较电抗器的设计各类光源降功率的幅度控制值 115 概论 近几十年来 为了提高照明的质量 也即提高安全性 降低事故率 设计者在进行照明设计时把照明亮度提得越来越高 高强度气体放电灯被大量广泛地使用 伴随而至的是能耗大幅度提高 特别是近年来 能源价格大幅度提升 使电力耗费成为负担 因此 有必要加强技术改进 以期减缓能耗上升的趋势 虽然目前节能型照明器具发展很快 但仍难以获得大幅度降低能耗的效果 我们设计的电抗器法控制变换灯功率 除了优化镇流器本身的结构外 在光源运行的方式上还作了改进 即在不降低安全性的前提下 根据车流与人流统计情况 或自动或手动进行功率变换 通俗地讲 就是在繁忙的时候 灯运行在大功率状态 在车少人稀的时候 能自动变换 使灯能在60 的额定功率处运行 由此达到节能的目的 116 电抗器法的原理 所谓电抗器法实际是利用线性电抗器 接入灯电路中 使电路的总阻抗可以进行变换 从而使灯的功率随之发生变化 如果变化次序是根据照明环境的需要而设定 即在正常情况下 灯按设计要求在额定功率下运行 在一些特殊情况下 例如道路照明的深夜 火车站无火车通过时 亮化工程的非重大节日时等等 灯不能熄灭 但不必照度很大 而且又要兼顾均匀性 这时可以使灯降功率运行 具体方法是串联接入电抗器 增大电路阻抗使灯功率下降 这种方法称之为电抗器法 考虑技术工艺和市场等因素 一般而言 电抗器法的变换设为两挡 即满功率与降功率 换档通过机电器件或电子电路来实现 117 原理图 118 控制方法 有线控制无线遥控扩频载波 119 附加设备 智能执行终端 智能执行终端以单片机为核心 配以各种功能模块组成 具有智能化的执行能力 可根据调度端的命令完成现场信息的收集 路灯开关灯控制 降功率控制等功能 120 电抗器法的技术优点 1 节能效果显著 可达30 以上 2 线路可靠 基本不需要维修 寿命为20年以上 3 一次性投入成本很小 不必对原有线路进大量的改造工作 4 延长灯 灯具与附属电器的寿命2 4倍 121 与降电压法的比较 122 电抗器的设计 1 确定铁心的截面2 几何尺寸的确定3 镇流器自身能耗的计算 123 各类光源降功率的幅度控制值 124 五 智能化集中控制 125 节能型智能照明控制系统 126 目前现状 作为高效光源 气体辉光 弧光放电灯已经广泛地应用于户内 户外照明 由于气体放电光源工作过程复杂 传统的控制节能方案根本无法进行 因此 目前状况是 包括街灯 集中照明区域等 一旦灯具安装 则几乎永久地保持着恒定甚至超量的功耗 不管交通是繁忙还是寥落 照明不能按需调控 仅电费一项每年就会多支出不少 127 本项节能型智能照明控制系统特点 用中央集中控制的方法 对所有灯具实施轻松自如调控可对系统内任意一套灯实现开 关和降功率运行三种状态的调控既可程序化自动运行 也可人工操作节能效果达到40 而且使光源及附件的寿命延长三至四倍 128 系统的创新点 与一般控制系统只控制开 关两种状态不同 增加了降功率运行的控制 使节能效果 光源及附件寿命延长的优点明显突出 与一般调控装置 例如西班牙塞里克鲁公司的NE智能调控装置 不同 通过降低灯电流的方法实现降功率 使灯能使用至极限寿命 此项技术已经通过上海市科委鉴定 而不是通过降低灯电压的方法实现降功率 由于降低了二次启动电压 灯后期无法点燃 采用节能型电感镇流器 能耗下降50 寿命可达20年以上 129 系统特点 舒适的操作性能 可以简单地同时开启及关闭一个区域内所有的照明灯具 并且按计算机的几个键 就能切换到一个合适灯光情境的场面 创造有效率的照明环境 实现节约能源的功能 整个系统的照明状态可以在监控室 管理室来做集中控制与监视 将可以有效的做到集中监控管理 以节省更多的能源施工简单化 因为采用无线遥控和扩频载波多重传送方式 所以不管是1个路或100个路皆无需另外敷设讯号线 所以较以往的传统配线器具在配之特性方面可以节省更多的线路 成本简化了许多 同时兼具低电压安全 容易设定的方便性 提高了系统设计 成本估算的速度 而材料准备 安装和系统更改也变得简单且更具经济效益 可变更设定的经济性 当照明控制范围需要变更时 只需要重新在程序中增设新的地址即可 非常快速与容易 并且不用重新配线 由于系统的弹性设计 只要选用必要的元件 就能做出一个满足需求的最佳系统 130 系统模式分类 模式1无线遥控中央控制室模式 结合扩频载波 131 每个灯具的框架原理 132 控制中心 系统通讯及管理功能 统计查询功能 资料维护及管理功能 故障报警功能 打印报表功能 系统维护功能等 133 电子地图辅助管理 134 统计查询功能 报表打印功能 135 智能执行终端 智能执行终端以单片机为核心 配以各种功能模块组成 具有智能化的执行能力 可根据调度端的命令完成现场信息的收集 路灯开关灯控制 降功率控制等功能 136 智能执行终端RTU 137 技术参数如下 输入量 8路模拟量 其中3路电压 3路电流 2路备用 1路脉冲量 用于脉冲电度表计量用电量 3路开关量 用于检测交流接触器触点开关状态 输出量 3路开关量 用于控制交流接触器触点开关状态 1路模拟量 用于同步遥调三相电压 138 节能型路灯前端控制器 路灯开关控制功能路灯降功率及节能运行控制功能可构成联网控制的分布式路灯运行状态远程监控系统独立应用时 可按预定时序进行降功率运行 139 模式2扩频载波式中央控制室