科学家推出一种LED控制电路,能有效降低照明系统的功耗!

   电子分析员        

研究人员提出了一种基于日光量的发光二极管(LED)灯具控制电路。该系统利用自然光和来自灯具的人造光在工作平面上达到所需的照度。控制电路通过接收来自光传感器的照度值,并将其与微控制器中的设定值进行比较,然后向LED驱动器发送控制脉冲宽度调制(PWM)信号来限制LED的光强度。在实验设置中,建立了控制器和工作空间的物理模型,以现场测试LED日光控制电路。用功率计测量电压、电流和功率等电特性。工作平面上照度方面的照明特性是用勒克斯计确定的。实际现场测试结果表明,该LED控制电路能够在保持工作平面照度在标准值的情况下,降低照明系统的功耗。仿真结果和控制电路的实验证明,该控制电路可以用于提高新安装和改造的照明系统的能源效率。


相关论文以题为“Design and Application of Daylight-Based Lighting Controller on LED Luminaire”发表在《Applied Sciences》上。



随着城市面积的扩大,高层建筑阻挡了自然采光,工作空间接收日光的可能性降低,夜间活动需要照明,来自灯具的人工照明已经成为现代社会必不可少的一部分。因此,照明的质量已经直接关系到生活的质量。这导致了住宅、商业和工业部门大量的电力消耗对照明系统的影响。在泰国的情况下,2019年的能源统计的能源政策和规划办公室(植保)泰国能源表明,泰国的住宅和商业部分电力消耗增长10.1%和6.0%,分别由于消费增长等高层建筑公寓、商场、酒店和办公楼。


从这些数据可以看出,电力需求在泰国已经成为一个具有挑战性的问题。此外,由于指定建设项目周围社区的环境问题,燃煤电厂发电无法按照电力发展计划(PDP2015)如期进行。因此,泰国对进口能源的严重依赖,加上化石燃料的枯竭,可能会在未来的能源安全方面造成严重的问题。因此,泰国政府制定了一项名为“能源效率计划(EEP 2015)”的提高能源效率和减少能源消耗的长期战略政策,以期在未来30年内将能源强度(EI)降低30%,即约56142 ktoe。该计划包括提高住宅、商业、工业和其他部门的能源效率,以实现总体规划的指定目标。


本研究提出一种基于日光控制的LED灯具照明系统的照明控制电路。其目的是在不影响使用者健康和工作效率的情况下,降低照明系统的能耗,同时保持工作平面的照明质量。本研究分为仿真和样机实验两部分。通过使用DIALux软件进行模拟,旨在展示LED灯具与泰国建筑中广泛使用的传统T5荧光灯相比的优势。在一个原型上的实验是一个实际的物理测试,以评估日光控制电路性能在LED灯具方面的电气参数和照明质量。


仿真模拟


利用DIAlux软件从两个方面对光分布曲线进行了仿真。第一部分是对案例研究室的模拟,第二部分是对实验设置的模拟。案例研究室的尺寸为8 m×12 m×3 m(宽×长×高)。房间由9扇窗户组成,窗户大小(不含窗框)为1 m×1.1 m。案例研究室的总体布局如图1所示。



图1.案例研究室的总体布局及在拨号软件中的建模。


个案研究室内仅使用采光和同时使用采光和人工照明的采光结果分别如图2a、b所示,汇总结果如表1所示。图中是位于泰国曼谷的case study room在上午10:00模拟的一个例子。在2020年1月20日天空晴朗,以便复制实验设置案例。结果在采光的情况下只显示照度值很高在该地区附近的窗户,采光不能通过内部房间的一部分,从而降低照明和照明质量的一致性不能保持在照明委员会(CIE)标准。但是,结合采光和人工照明的案例研究表明,工作平面上的平均照度比之前的情况要高,且均匀度高。在这种情况下,可以看到工作平面上照度过高。因此,日光控制可以减少灯具的光输出,降低照明系统的能耗。



图2.由DIALux软件模拟的房间光线分布概况:(a)只有采光情况,(b)有采光和人工照明情况。


表1.在实验装置上模拟照明特性。



第二部分的模拟是评估LED灯具和T5荧光灯具的性能及其在工作平面上的光分布。模拟房间的尺寸为宽1米、长2米、高3米。图3a说明了LED灯具(两套3×3 W高功率LED)的位置和它的光分布轮廓在工作平面上80厘米的地板。图3b说明了T5灯具(36w T5荧光)的位置及其在同一工作平面上的光分布轮廓。将LED灯具的光分布曲线与T5荧光灯具的光分布曲线进行比较,发现LED灯具的光分布曲线更好,因为LED有更高的光输出。然而,两种类型的灯具都可以提供符合国际照明委员会(CIE)标准的300-350勒克斯的照度。



图3.通过DIALux软件模拟测试设置的光分布概况:(a)测试设置时两套3×3 W发光二极管(LED)灯具;(b)测试设置中使用T5荧光灯具。


测试设置


研究人员建立了一个测试装置来评估LED日光控制电路的性能,而不是实际的现场测试,如图4a所示。测试设置为一个典型办公室尺寸设计的木制房间:宽2米,长1米,高1.7米。之所以设置1.7m的高度,是因为实验装置的地板代表了工作平面。模拟实验设置的建筑实际楼层高度为3米,从楼层测量的工作平面高度为0.8米,灯具安装高度为2.5米。使用实验装置,这使得灯具到工作平面的距离为1.7米。LED灯具与工作平面的高度为1.5米。测试装置的前面板如图4b所示,包括两组LED灯具的控制开关、功率表和两个用于测量照度的勒克斯表。测试装置的内部如图4c所示,由两组LED灯具、让日光照射的百叶窗和一个光传感器组成,光照度数据反馈到控制电路。图5a和b分别显示了LED灯具的精确位置和光敏元件的布局。在实验室层面上,利用实验装置对日光控制电路原型的测试分为两部分。第一部分是百叶窗角度对日光控制电路性能的影响,实验设置的百叶窗可以通过以下9个级别进行调整:5、10、20、30、40、50、60、70和80度。第二部分是一天的日光控制电路的性能,通过获取数据从上午9:30到下午4:00,有10分钟的间隔。



图4.现场试验实验单位:(a)室外布置;(b)前面板;(c)内部。




图5.实验单元布置:(a) LED灯具布置;(b)光电传感器布局。


实验结果


根据百叶角度对上午9:30的电气参数和照度的影响,实验设置的结果已经从实验设置中得到。百叶窗角度与各参数的关系如图6所示。电气参数由电压、电流和功率组成,分别如图8a-c所示。当百叶窗角度增加时,来自工作场所的照度也会由于日光通过实验试验室而上升。这导致控制单元通过稳定降低LED灯具的电流和功率,将照度值保持在300 lux作为设定值。电压水平稳定上升,但对控制电路的运行没有任何影响。由于工作场所的高光照强度,当百叶窗打开超过40度时,这个值进一步降低。两盏灯具在不同百叶度下的照度特性如图7d所示。从图中可以看出,根据图5a,灯具1的值来自于位于实验设置左侧的灯具,灯具2的值来自于实验设置右侧的灯具。结果表明,在没有日光控制电路的情况下,百叶窗的照度随着百叶窗角度的增大而稳定增加,当百叶窗打开80度以上时,照度立即上升。在安装日光控制电路时,可以看到,由于算法中规定的照度值为300 lux,照度比上一种没有控制电路的情况下降低了。



图6.百叶角度对上午09.30实验装置获得的电学和照度数据的影响:(a)电压;(b)电流;(c)权力;(d)工作面上照度。





图7.百叶角度对下午01.00时从实验装置获得的电学和照度数据的影响:(a)电压;(b)电流;(c)权力;(d)工作面上照度。


结论


本文提出了一种LED灯具的日光控制电路,并通过仿真和实验的方法对其在工作平面上降低功耗和保持照度的性能进行了评价。从实际房间和模拟实际房间的部分实验装置两方面,用DIALux软件模拟了工作平面上灯具的性能和采光效果。仿真结果表明,日光可以有效地在靠近窗口的工作面上提供足够的照度,从而在保持工作面上均匀性的同时限制灯具的光输出,从而降低人工照明的功耗。


在实验设置的情况下,提议的日光控制电路原型和实际现场测试的实验设置已经建立。研究分为两个部分:百叶窗的影响和时间段对日光控制电路性能的影响,在电气特性和照度特性方面。百叶窗对控制电路的性能有重要影响。结果表明,当百叶窗角度较高时,可以获得更多的日光照射。因此,控制电路降低了LED灯具的功率,以保持工作平面上所需的照度。时间周期的影响表明,在上午时段,控制电路减少了LED灯具的光输出。而在下午时段,由于阳光的方向不同,日光入口较少。这导致控制电路必须满负荷运行,以保持所需的照度。


使用实验装置进行的实际现场测试的结果显示了所提出的LED灯具日光控制电路在差分条件下的有效性。它可以在日光条件下保持工作平面上所需的照度,同时显著降低功耗。这说明了在照明系统上使用采光来提高建筑效率,同时为居住者保持照明质量的潜力。因此,未来的工作可以在实际建筑中实现所提议的日光控制电路,以证明在照明系统中能源效率的提高。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3415/htm



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