Комплексная оценка оптимальности энергетической и светотехнической характеристик в осветительных устройствах

Цель и задачи исследования
Задачи:
Цель:
Развитие научно–методических основ повышения энергетической эффективности холодно-белых светодиодов
– проанализировать и оценить взаимосвязи между основными параметрами мощных холодно-белых светодиодов, определяющие оптимальный режим работы светодиодных устройств;
– разработать методику определения оптимального режима работы светодиодов светотехнических устройств путем анализа оптических, тепловых и энергетических характеристик;
– разработать метод и конструкции устройств для определения рассеиваемой мощности, светового излучения, температуры «p-n» перехода и теплового сопротивления мощных холодно-белых светодиодов;
– разработать методику определения остаточного ресурса светодиодных светотехнических устройств путем анализа тепловых и энергетических характеристик;
– разработать методику определения энергетических и оптических характеристик светодиодов при возбуждении постоянным и импульсным током для определения оптимального режима работы светодиодных светотехнических устройств при их проектировании;
– исследовать синтезированные люминофорные покрытия для создания перспективных конструкций светодиодных осветительных устройств.

Объект и предмет исследования
Объект исследования:
мощные холодно-белые СД, светодиодные модули, люминофорные покрытия, используемые для производства осветительных приборов.
Предмет исследования:
энергетические и оптические характеристики (потребляемая, рассеиваемая, излучаемая мощности СД, световой поток, тепловая энергия, температура «p-n» перехода, тепловое сопротивление, энергия светового и теплового излучения, энергетический выход) мощных холодно-белых СД и светодиодных матриц (СДМ), спектрально-люминесцентные свойства новосинтезированных люминофорных материалов.

Положения, выносимые на защиту:
2.
3.
4.
Методика определения оптимального режима работы светодиодов светотехнических устройств по уточненному критерию минимума стоимости световой энергии, отличающаяся синтезированием измеренных токов, напряжений, температур «p-n» переходов светодиодов, излучаемых и рассеиваемых мощностей, что позволяет повысить долговечность и коэффициент полезного действия светодиодов в светотехнических устройствах более чем на 10% по сравнению с их КПД при номинальном режиме работы.
Метод определения рассеиваемой мощности холодно-белыми светодиодами, отличающийся использованием в качестве средств измерения калориметра, что позволяет определять температуру «p-n» перехода, тепловое сопротивление, энергию светового излучения, энергетический выход и удешевить измерения более чем в 2,3 раза по сравнению с действующими аналогами.
Методика учета остаточного ресурса светодиодных светотехнических устройств работы, отличающаяся непрерывным контролем электрических и тепловых параметров светодиодов в процессе эксплуатации и использованием зависимости срока службы светодиодов от этих параметров, что позволяет своевременно выявлять износ светодиодов и предотвращать ущерб от несвоевременного выхода из строя светодиодных осветительных устройств.
Методические основы создания высокоэффективных светодиодных устройств с удаленными преобразователями с использованием впервые установленной закономерности влияния на квантовый выход люминесценции новосинтезированных люминофорных покрытий, полученных с применением наноструктурированного порошка иттрий-алюминиевого граната, легированного церием при возбуждении на длине волны λ=440…460 нм, от размера и количества частиц диффузно-рассеивающей компоненты: с увеличением размеров частиц от 0,15 до 0,4 мм и уменьшением количества рассеивающих частиц (массы) кварца в составе покрытия от 60 до 20% - квантовый выход люминесценции возрастает на 10-15 %.
1.

Прогнозируемая экономия электроэнергии в 2030 году по типам источников света и потребителям

Схема расчета уточненного критерия оценки составляющей
стоимости световой энергии светодиодного устройства
Методика определения оптимального режима работы светодиодов светотехнических устройств по уточненному критерию минимума стоимости световой энергии
Первое положение,
выносимое на защиту:

Методика определения оптимального режима работы светодиодов светотехнических устройств по уточненному критерию минимума стоимости световой энергии
Зависимости составляющих стоимости световой энергии от режима работа макета светодиодного устройства с холодно-белыми светодиодами ARPL-1W White 6000
Первое положение,
выносимое на защиту:
Схема рассчитанного МСУ на основе СД
ARPL-1WWhite 6000

Первое положение, выносимое на защиту
Методика определения оптимального режима работы светодиодов светотехнических устройств по уточненному критерию минимума стоимости световой энергии
Зависимости излучаемой и тепловой мощности от режима работа макета светодиодного устройства с холодно-белыми светодиодами ARPL-1W WHITE 6000
>10%

Метод определения рассеиваемой мощности холодно-белыми светодиодами
Второе положение,
выносимое на защиту:
Структурная схема тепловых процессов светодиодного устройства

Метод определения рассеиваемой мощности холодно-белыми светодиодами
Второе положение,
выносимое на защиту:
Тепловая схема замещения светодиодного устройства: схема для нестационарных тепловых режимов (а); схема для стационарных тепловых режимов (б).
(а
(б

Метод определения рассеиваемой мощности холодно-белыми светодиодами
Второе положение,
выносимое на защиту:
Блок - схема экспериментальной установки для измерения тепловых характеристик СД и СДМ

Метод определения рассеиваемой мощности холодно-белыми светодиодами
Второе положение,
выносимое на защиту:
Принципиальная схема сухого калориметра

Основные технико-экономические показатели сравниваемых установок
Второе положение, выносимое на защиту
Метод определения рассеиваемой мощности холодно-белыми светодиодами

коэффициент оптического и теплового износа
остаточный ресурс светодиодной осветительной установки
Результаты расчета остаточного ресурса светодиодной осветительной установки
Структурная схема СДС с контролем остаточного ресурса
Методика учета остаточного ресурса светодиодных светотехнических устройств
Третье положение,
выносимое на защиту:

1– интегрирующая сфера; 2 – экран; 3 – СД (СДМ); 4 – эталонный СД с радиатором; 5 – фотометрическая головка люксметра «ТКА-Люкс; 6 – блок обработки сигналов люксметра «ТКА-Люкс; 7 – блок стабилизации заданного температурного режима СД; 8 – коммутационное устройство с усилителем мощности; 9 – источник постоянного тока; 10 – генератор Rigol DG 4062; 11 – осциллограф Rigol DS 2072; 12 – фотодиод ФД-7К; 13 – персональный компьютер (ПК)
ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЩНЫХ ХОЛОДНО-БЕЛЫХ СД И СДМ

Осциллограммы светового сигнала макета светодиодного устройства при импульсном токе прямоугольной и треугольной форме сигнала возбуждения
мкс
мкс
о.е.
о.е.

Методические основы создания высокоэффективных светодиодных устройств с удаленными преобразователями
Четвертое положение,
выносимое на защиту:
РЭМ- изображение люминофорного покрытия: покрытия, содержащие кварцевый порошок со средним размером частиц 20 мкм (а) и 40 мкм (б); покрытие без добавления кварцевого порошка (в).

Методические основы создания высокоэффективных светодиодных устройств с удаленными преобразователями
Четвертое положение,
выносимое на защиту:
РЭМ- изображение
люминофорного покрытия
светопреобразователь
Макет светодиодного светильника с полукруглым фотолюминесцентным преобразователем на стеклянной подложке

Методические основы создания высокоэффективных светодиодных устройств с удаленными преобразователями
Четвертое положение,
выносимое на защиту:
1 – образец; 2 – монохроматор МДР-6; 3 – блок питания источника света; 4 – ИС (синий СД LED-003W-07C-020-030LM-EL-P); 5-6 – светофильтры; 7 – фокусирующая система; 8 – фотоумножитель ФЭУ-100; 9 – усилитель постоянного тока; 10 – микроконтроллер Arduino Uno R3 и персональный компьютер.
Блок - схема экспериментальной установки для измерения спектров люминесценции

Методические основы создания высокоэффективных светодиодных устройств с удаленными преобразователями
Четвертое положение,
выносимое на защиту:
Спектры люминесценции образцов в зависимости от размеров частиц диффузно-рассеивающего компонента – кварцевого порошка: 0,15 мм (№1), 0,25 мм (№2), 0,4 мм (№3).
Зависимость квантового выхода (энергии излучения) люминесценции от размера частиц диффузно-рассеивающего компонента – кварцевого порошка: 0,15 мм (№1), 0,25 мм (№2), 0,4 мм (№3)
Зависимость квантового выхода (энергии излучения) люминесценции от количества диффузно-рассеивающего компонента – порошка кварцевого стекла: 0,2 г (№1), 0,3 г (№2), 0,6 г (№3)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ ЛЮМИНОФОРНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЛЕГКОПЛАВКОГО СТЕКЛА
20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана новая методика определения оптимального режима работы светодиодов светотехнических устройств по уточненному критерию стоимости световой энергии. Разработанная методика позволяет увеличивать срок службы СД за счёт улучшения теплового режима во время эксплуатации и повысить КПД светодиодов светотехнических устройств. Определение оптимального режима работы светодиодов светотехнических устройств предполагает проектирование и эксплуатацию готовых осветительных установок с учетом экономии электроэнергии при минимальных инвестициях и позволяет оценивать создаваемые светотехнические устройства с учётом перспективы их улучшения.
2. Предложен новый метод и разработаны конструкции жидкостного и сухого калориметров для определения рассеиваемой мощности холодно-белыми СД. Предложенный метод и разработанные калориметры позволяют определять температуру «p-n» перехода, тепловое сопротивление, энергию светового излучения, энергетических выход и удешевить измерения. Полученные методом измерительного и вычислительного эксперимента данные могут применяться для контроля качества светодиодов, а также при проектировании светодиодных осветительных установок для определения оптимального режима работы.
3. Предложена новая методика учета остаточного ресурса светодиодных светотехнических устройств работы с непрерывным контролем электрических и тепловых параметров светодиодов в процессе эксплуатации и использованием зависимости срока службы светодиодов от этих параметров. Полученные данные на основе созданных алгоритмов позволяют рассчитывать потребляемую мощность светильника; контролировать физический износ светодиодов по сравнению значений их температуры и потребляемой мощности; фиксировать время нахождения во включенном состоянии и количество коммутаций; предотвращать ущерб от несвоевременного выхода из строя светодиодных осветительных устройств.
21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
4. Разработана методика определения энергетических и оптических характеристик светодиодов при возбуждении постоянным и импульсным током, отличающаяся возможностью оценивать эффективность светодиодов при различных видах и параметрах возбуждения и стабильном тепловом режиме их работы, позволяющая определять рассеиваемую и излучаемую мощности излучения для определения оптимального режима работы светодиодных светотехнических устройств при их проектировании.
5. Разработаны методические основы создания высокоэффективных светодиодных устройств с удаленными преобразователями с использованием впервые установленной закономерности влияния на квантовый выход люминесценции новосинтезированных люминофорных покрытий, полученных с использованием наноструктурированного порошка иттрий-алюминиевого граната, легированного церием. Экспериментально подтверждено, что квантовый выход люминесценции возрастает с увеличением размеров частиц и уменьшением количества рассеивающих частиц кварца в составе покрытия. Что позволит создавать стеклокерамические образцы люминесцентных покрытий для использования в качестве эффективных светопреобразователей, перспективных для создания новых источников белого света и светотехнических устройств с улучшенными характеристиками.
22