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蠡蓬
7 years ago
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1 綠色照明授課老師 : 陳金嘉博士綠能光電實驗室國立彰化師範大學電機工程學系

2 簡報大綱 1. 照明基本概念 2. 照明光源介紹 3. LED 節能照明 4. 晝光照明 5. 節能照明小撇步 2

3 照明基本概念 3

4 歷史人物班傑明富蘭克林 Benjamin Franklin ( ) 湯瑪斯阿爾瓦愛迪生 Thomas Alva Edison ( ) 4 資料來源 : 維基百科

5 富蘭克林 (B. Franklin, ) 美國著名的政治家科學家, 同時亦是出版商印刷商記者作家慈善家 ; 更是傑出的外交家及發明家曾經進行多項關於電的實驗, 並發明避雷針雙焦點眼鏡蛙鞋等等愛迪生 (T. A. Edison, ) 美國發明家商人, 擁有眾多重要的發明專利改良很多東西, 包括對世界極大影響的留聲機電影攝影機和鎢絲燈泡等 5

6 電量的單位伏特 (Voltage, V): 電位差焦耳 (Joule, J):1 焦耳 = 1 伏特 x1 安培 x1 秒瓦特 (Watt, W): 每秒有一焦耳的能量電力 (Power, P): 度 (kwh), 表示一個功率為 1000 瓦的電器, 使用 1 小時所消耗的能量, 相當於 3.6x10 6 焦耳 ( 台灣電力的價格 1 度電約 2~5 元 ) 6

7 電價 7 資料來源 : 台灣電力公司

8 家庭用電比例夏季時段空調電器的大量使用造成尖峰用電負載屢創新高, 以家庭用電量及比例來看 : 夏季時段, 空調 :40.0 % 照明:18.0 % 主要家電:42.0 % 非夏季時段空調 :6.0 % 照明:30.0 % 主要家電: 64.0 % 年平均耗電量每台冷氣約為 1,320 度, 電冰箱為 864 度, 客廳 20Wx4( 支 ) 照明日光燈為 138 度, 而每天觀看電視也需要消耗 288 度左右的電力 8

9 節能的基本概念節能的理由 : 台灣地狹人稠資源有限, 自有化石燃料能源稀少而比例不足 1% 化石能源終有一天會枯竭而且能源過度消耗造成全球暖化能源使用效率的概念 : 能源效率比定義國家減碳目標發展環保及再生能源 9

10 台灣之電力結構 101 年底裝置容量占比圖 101 年底發電量占比圖 10 資料來源 : 台灣電力公司

11 能源使用效率的概念能源效率比(Energy Efficiency Ratio,EER) 之定義: EER (W/W) = 有效輸出功率 (W) / 有效輸入功率 (W) 以冷氣為例 EER (W/W) = 總冷氣能力 (W) / 有效輸入功率 (W) EER 值每提升 0.1 就能節省 4% 國家減碳目標 : 全國二氧化碳排放減量, 於 2020 年回到 2005 年排放量, 於 2025 年回到 2000 年排放量, 排放基線預估將要從 467 百萬噸減少到 257 百萬噸 11

12 節能照明的發展趨勢 1991 年 1 月, 美國環保局 (EPA) 提出綠色照明 (Green Lights) 和推動綠色照明工程 (Green Lights Program) 的概念兼具環保與節能台灣自 2008 年起推動 585 白熾燈汰換計畫 5 年時程 (2008 至 2012) 汰換白熾燈泡達到節約用電 8 億度減少 50 萬公噸 CO 2 排放 2012 年起針對未符合能源效率基準之白熾燈泡, 將禁止進口或製造銷售 12

13 節能照明的七大基本策略符合工作要求的照度水準使用高效率的光源照明器具的選擇天然光的利用對照明環境的考慮有效的配線設計與照明控制系統益於維護管理之設計 13

14 高效能照明設備趨勢提高發光效率提高光源的使用壽命有效壽命期內之光束衰減率低朝高演色性的光源發展相對演色性評價係數 (CRI) 色的多樣性, 自低色溫 (2800K) 至高色溫 (7500K) 發光穩定性高, 低閃爍受電壓變動影響輕微合理而高效率的照明品質應是兼顧環保與節能的必須策略 14

15 色溫標準黑體被加熱時, 隨著溫度的升高, 其顏色由深紅至淺紅, 至橙黃至白至藍色而變化根據此一特徵, 當某光源的光色與黑體在某一溫度下的光色相同時, 就以黑體的當下的絕對溫度為該光源的色溫名稱暖色冷白色光冷色光說明色溫在 3300K 以下, 與白熾燈相近,, 能給人以溫暖, 健康, 舒適的感受適用與家庭, 住宅, 宿舍, 賓館等場所或溫度比較低的地方色溫在 3300K 到 5300K 之間, 光線柔和, 使人有愉快, 舒適, 安詳的感受適用與商店, 醫院, 辦公室, 飯店, 餐廳, 候車室等場所色溫在 5300K 以上, 光源接近自然光, 有明亮的感覺, 使人精力集中適用與辦公室, 會議室, 教室, 繪圖室, 設計室, 圖書館的閱覽室, 展覽櫥窗等場所 15

16 演色性演色性是指光源光線使被照物體呈現出原有真實顏色的能力 16

17 演色係數 (Color Rendering Index) 1. CRI= Excellent color rendering properties 2. CRI=80-90 Good color rendering properties 3. CRI=60-80 Moderate color rendering properties 4. CRI<60 Poor color rendering properties 17

18 評價指數與用途範圍評價指數 Ra > > Ra 80 用途範圍顏色檢查色彩校正臨床檢查畫廊美術館印刷廠紡織廠飯店商店醫院學校精密加工辦公大樓住宅等 80 > Ra 60 一般作業場所 60 > Ra 40 粗加工工廠 40 > Ra 20 一般照明場所 18

19 常用照明用語光通量光源每秒鐘所發出的光量, 即發光量, 單位為流明 (lm) 發光強度光源在某一給定方向單位立體角內發出的光通量, 單位為坎德拉 (cd) 照度光源照射在被照物體單位面積上的光通量, 單位為勒克斯 (lx) 或流明平方米 ( lm/m 2 ) 輝度或亮度光源在某一方向單位投影面積所發出的光強度, 單位 cd/ m 2 發光效率光源每消耗一瓦電能所發出的光通量, 數值越高表示光源的效率越高, 單位為流明每瓦 (lm/w) 眩光由輝度較高的光源燈具或窗戶等所造成, 會使眼睛產生不舒服的感覺, 或是造成眼睛對物體辨識力的下降 19

20 照明光源介紹 20

21 各種照明光源特性的比較特性效率 (Lm/W) 壽命 (Khr) 演色性 (%) 光色適用處所白熾燈泡 8~ 暖和客廳鹵素燈 15~ 暖和展畫傳統日光燈 ( 含安定器 ) 三波長日光燈 ( 含安定器 ) 70~ ~75 清涼房間 40~ 溫暖房間低壓鈉氣燈 80~ ~30 燥熱公路高壓鈉氣燈 45~ ~70 清涼庭園發光二極體 180~ ~80 暖和房間 21 資料出處 : 經濟部能源局

22 白熾燈白熾燈是靠發熱體通電流並加熱至白熱化狀態, 通常是使用高熔點 ( 約 3400 ) 的鎢絲做成的鎢絲所產生紅外線大於可視光, 電力之 80% 以紅外線 ( 熱 ) 消耗, 僅約 20% 以可視光消耗使用時間 :500~1,000hr 22

23 各國白熾燈泡禁產 / 禁售時間 23

24 螢光燈螢光燈是利用燈絲加熱以產生游離電子, 游離電子受燈管兩端所加電場 ( 或點火電壓 ) 產生高速的運動並和管內的水銀蒸氣相互撞擊, 而游離出更多的電子和離子並釋放出來肉眼無法看見的紫外線, 紫外線再激發管壁的螢光物質轉化成可見光使用時間 :2,000~3,000hr 24

25 螢光燈管之演進 T5 燈管主要原材料玻璃和螢光粉僅為 T8 燈管的 43.8%, 其含汞量約為 T8 燈管之 60% 類型 ( 直徑 ) T17(54mm) T12(38mm) T10(32mm) T8(26mm) T5(16mm) 資料來源 :PHILIPS Lighting Design and Engineering Center 25

26 省電燈泡省電燈泡是屬於螢光燈系的一種, 與日光燈管一樣, 以氣體放電產生的紫外線照射管壁的螢光粉而發光它和傳統的鎢絲燈泡相比, 省電 3 至 5 倍, 壽命提高 5 至 6 倍, 所以才冠上省電兩個字, 但它與一般日光燈相比, 則是更短命更耗電的 26

27 LED 發光原理 LED 為 Light-Emitting Diode 之英文字頭的縮寫 LED 的發光原理是外加電壓, 讓電子與電洞在半導體內結合後, 將能量以光的形式釋放資料來源 :Wikipedia 27

28 LED 研發歷史 1950 年 : 以 Si 為主, 無發光元件 1964 年 : 第一顆紅色 III-V 族 GaAsPled 問世, 不久橙色黃色黃綠色相繼產生 1968 年 :HP 首先用 GaAs 製成黃色 LED 應用在手錶上 1970 年 : 以 GaAs InP 的出現, 促進了光纖通訊及微波通訊的基礎 1972 年 : 美國廣播公司 Pankove 成功研製氧化鎵藍光發光二極體 1981 年 : 日本名古屋大學 Akasaki 教授成功研製 PN 接面的氧化鎵發光二極體 1990 年 :GaN( 氮化鎵 ) 的產生, 使得藍光紫外光的誕生更促進白光 LED 的發展 1993 年 : 第一顆藍光 GaN-LED( 中村修二研發 ) 綠光 AlGaN-LED 問世 1996 年 : 以藍光為基礎發展出白光 LED 28

29 氮化鎵 (GaN): 三五族元素之化合物, 可製作高亮度純藍光 LED 及純綠光 LED 磷化鎵 (GaP): 三五族元素之化合物, 可發光範圍函蓋紅色至黃綠色砷化鋁鎵 (AlGaAs):GaAs 和 AlAs 的混晶, 適用於製造高亮度紅光鋁磷化鎵 (AlGaP) : 綠色光源磷砷化鎵 (GaAsP) : 紅色橘紅色黃色等光源藍寶石 (Al2O3) ( 用作襯底 ) : 藍色 29

30 白光 LED 目前全球產業所發展出的不同種類 LED 能夠發出從紅外線到藍之間不同波長的光線, 近年來 LED 最吸引人的發展是在藍光 LED 上塗上螢光粉, 將藍光轉化成白光的白光 LED 產品 LED 之所以被稱為世紀新光源, 原因在於 LED 具備點光源與固態光源的特性, 能夠節省能源高耐震壽命長體積小反應快速環保且色彩飽和度高 30

31 白光 LED 的產生 31 資料來源 :

32 白光 LED 的光學特性 1. 輻射場型 32

33 2. 光譜分布 33

34 3. 色域分布 34

35 4. 相關色溫 (CCT) 35

36 LED 的優缺點 A. 優點發光 ( 能量轉換 ) 效率高, 即較省電反應 ( 開關 ) 快, 可達到很高的閃爍頻率使用壽命長, 在適當的散熱和應用環境下可達 50,000 ~ 100,000 小時堅固耐震盪體積小, 不佔空間, 廢棄物處理方便冷光束,LED 光束本身不含紅外或紫外線環保, 不含汞,LED 燈具部件可回收再利用 36

37 B. 缺點散熱問題, 如散熱不佳會大幅縮短壽命除非購買高級產品否則省電性還是低於螢光燈 ( 冷陰極管,CCFL ) 初期購置成本較高光源具方向性, 燈具設計需考量光學特性同一批次 LED 彼此間存在著光通量, 顏色和順向電壓的差別, 一致性差 37

38 LED 節能照明 38

39 白光 LED 的發展趨勢 39 資料來源 :DOE

40 Technology Efficacy (lm/w) SSL-LED SSL-LED Roadmap SSL-LED SSL-LED 2020 Incandesc. Fluoresc Lifetime(kh) 20 >20 >100 > Flux (lm/lamp) Input power (W/lamp) Lumens cost ($/klm) Lamp cost ($/lamp) SSL-LED 發展進程 ,000 1,500 1,200 3, ,7 6,7 7, <5 <2 0,4 1,5 5 4 <5 <3 0,5 5 CRI <80 < Market penetrated Low flux Incandesc. Fluoresc. All 40 資料來源 :OIDA

41 LED 的應用 LED 的應用 41

42 LED 二次光學設計提升光線使用率消除重影 LED 二次光學產生均勻照明消除眩光滿足各種照明需求 42

43 LED 光輻射場型 43 LED 光源場型分布圖

44 + LED 均光透鏡場型分布圖 44

45 LED 車頭燈發光二極體汽車頭燈照明單元裝置, 中華民國新型專利第 M 號光纖導光式車燈, 中華民國發明專利第 I 號導引式車頭燈裝置, 中華民國發明專利第 I 號本發明主要藉由一集光裝置及塑膠光纖, 將多顆高功率 LED 光源和投射式燈具作連結, 以縮小頭燈整體之體積, 並有利於 LED 散熱 45

46 LED 自行車燈本發明主要以高功率白光 LED 為光源, 結合多個拋物曲面並利用光機設計軟體設計出一個符合 K-mark 法規之複合式曲面自行車前燈, 以產生寬廣且具有清晰平坦之明暗截止線的光域 46

47 LED 均光照明燈具 ( 一 ) 光源反射罩與應用此光源反射罩之照明設備, 中華民國新型專利第 M 號本發明主要應用配光曲線的概念於 LED 照明模組之設計, 藉由所設計之反射罩並結合高功率 LED 來實現所欲達成之配光曲線分布, 以期在目標照射面產生均勻照度分布並符合 CNS 照度規範 47

48 LED 均光照明燈具 ( 二 ) 本發明主要利用 LED 光源與目標平面間能量的映射概念, 設計出一個自由曲面透鏡, 使具有朗伯 (Lambertian) 場型分布的 LED 光源所發出的光線經由此透鏡投射後, 光線可均勻分布在目標平面上, 以達到均光照明之目的 48

49 LED 準直透鏡具自由曲面之準直透鏡結構及其設計方法, 中華民國發明專利第 I 號 49

50 LED 廣告燈箱 Package, light uniformization structure, and backlight module using same, US Patent No B2 一種封裝體均光結構及應用彼之背光模組, 中華民國發明專利第 I 號本發明係主要涉及一種可發射高均勻度的 LED 背光光源結構, 該結構係為一正立方形且中間為一個挖空的半圓, 可使 LED 出射的光線經此結構及反射罩獲得均勻分布, 應用此種光源結構於直下式背光模組, 可獲得到高亮度高效能且高均勻性之背光分布 50

51 晝光照明 51

52 晝光照明示意圖 52

53 集光元件 53

54 導光元件 - 光纖最大可接受角 c a 1 sin (1/ n) 1 2 sin n 1 耦合效率 - 由光源的數值孔徑與光纖的數值孔徑決定 54

55 55

56 晝光照明應用 56

57 節能照明小撇步 57

58 改用省電燈具 58 資料出處 : 經濟部能源局

59 燈泡種類比較 59

60 時間長短是關鍵相同電費下, 不同瓦數的燈泡使用的時間也就不同以家庭平均六小時的夜間照明時間計算並持續一個月 (6hrs*30=180hrs) 的電費比較如下表 : 60

61 節能照明 - 螢光燈選擇之小技巧螢光省電燈泡優於白熾燈泡無外殼者優於有外殼者 ( 省電燈泡 ) 細管優於粗管, 長管優於短管, 直管優於彎曲管高演色性燈管優於低演色性燈管電子安定器優於傳統安定器高功因安定器優於低功因安定器低電流諧波的安定器較高電流諧波的安定器安全高額定功率燈管效率高於低額定功率燈管 61

62 節能照明 - 照明設計天花板及牆面儘量選用反射率較高的乳白色或淺色系列利用建築物的自然採光, 不但可以減少照明用電, 也可降低因照明器具散熱所需的空調用電全般照明可採用最低水平, 在較費眼力場合, 如書桌, 可用局部照明 ( 檯燈 ) 加強 40W 燈管 *76 支 =3040 W ( 全般照明 ) 80W 燈管 *20 支 =1600 W ( 局部照明 ) 62

63 節能照明 - 照明保養方法燈管及燈具應該定期擦拭清潔, 以提高反射率, 來維持室內的照明適時適所的使用調光設備, 不但可增進室內的氣氛, 也可節省電費的開銷日光燈管的兩頭若已經有黑化的現象, 及早更換燈管, 以保持室內充足的照度 63

64 校園照明用電校園裡照明的使用電量佔 30%, 且又屬於長時間使用的設備 64

65 學校教室照度標準作業種類教室名稱桌面照度 [lx] 地板面照度 [lx] 黑板面照度 [lx] 高級製圖縫紉中等普通教室實驗室教室普通舞蹈教室

66 住家建議照度標準 66

67 照明控制除了更換省能的 LED 燈管之外, 更可以利用 LED 可控制的特性, 配合人的行為模式發展出不同的控制模式來達到更佳的效果 : 1. 配合時序控制器, 可於預定的時間自動地對照明環境作模式切換, 或燈具的明滅控制, 避免因忘記關燈而浪費電能, 例如上班下班午休時間之照明自動點滅 2. 配合晝光感知器, 當太陽光線足夠時, 可自動地調降靠窗燈具的亮度或關閉燈具 3. 配合紅外線感測器, 宜裝置在辦公大樓的小型會議室會客室廁所等場所, 單獨使用熱感自動點滅, 有人時自動開燈, 沒人時自動關燈, 既方便又可避免浪費能源 67

68 照明節能重要概念除了更換大量的照明設備, 以及加入特殊的控制方式之外, 最重要的是在人的行為模式來做能源控管功能離開教室隨手關電燈靠近窗口且室外照明良好的情況下, 可以不開燈節能午休時間可以把燈關掉等等比起花大錢買節能設備, 人為管理更可以達到高節能省碳的效果 68

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投影片 1

投影片 1 電力電子產業趨勢與照明應用 Power Electronics Industry Trends 2013/10/11 林憲男 Outline 1. News 2. Introduction 3. Power Electronics Industry Trends 4. LED Lighting Application 5. Q & A Power Electronics Field 3 Micro