电力电子技术在绿色照明中的应用*

申　康,周昌元

(钦州学院　机械船舶与海洋工程学院,广西　钦州　535011)



电力电子技术在绿色照明中的应用*

申康,周昌元

(钦州学院机械船舶与海洋工程学院,广西钦州535011)

随着传统能源的逐渐减少，现代绿色能源的需求迫在眉睫，通过研究改造光源，研究光纤照明技术、太阳能光伏发电系统等绿色新能源的工作原理、应用现状、发展趋势，指出了绿色照明行业的发展方向。把电力电子技术与绿色照明技术相结合，对于提升能源的利用率，提高灯具照明的转换率，节约能源具有重要意义。电力电子技术的创新与绿色照明技术的发展为全球低碳经济提供了坚实基础。

电力电子技术；光纤；光伏发电；LED；绿色照明

随着人类科技的进步，照明趋向于健康节能的绿色照明发展。现代新能源的快速发展得益于电力电子技术的先进性研究，以太阳能光伏发电和光纤照明为代表的绿色照明在人们生活中扮演着重要的角色，推动了新能源的不断研究发展。

LED的发展在绿色照明中起着重要的作用。太阳能电池、光导纤维、光纤散光材料等技术的研究，把绿色照明推向一个更加节能、高效、环保的方向。

一、绿色照明电路的实现方法

目前想要改变传统的照明器具，实现绿色照明，有两种方法，一是改进电路，另一个是改造光源。

(一)改进电路

以前我们生活中常用的白炽灯、日光灯能耗大，亮度暗，并且不稳定，容易烧坏，要实现节能、绿色的照明灯具，则需要改进照明电路，提高电能利用率。

随着电力电子技术的快速发展，高频交流电子镇流器取代电感镇流器来改变照明电路，在照明电路中加入高频交流电子镇流器，使得电路始终保持高频交流状态，并且能够实现低压稳定启动和限流节能的效果。

(二)改造光源

能源的紧缺及电力电子技术的发展，迫使人们探究和寻找新的适合照明的光源，光纤照明技术和太阳能光伏发电系统的研究具有广阔的发展前景。光纤照明最早被应用于建筑照明和景观照明。光纤照明技术越来越成熟，在绿色照明领域中发展最为迅速，被广泛运用在室内照明、珍贵物品展柜照明、商场照明灯等照明领域。太阳能光伏系统也得到大力推广，现代光伏蓄电池、光伏功率优化器等性能大幅度提升，太阳能光伏发电已经在全球得到应用。利用清洁、绿色的光源来实现照明，对于缓解供电不足等现象具有重要的作用。

二、新能源在绿色照明中的发展应用

传统的照明灯具有白炽灯、荧光灯和蒸汽灯等，但这些灯具能耗大，电能的转化率只有5%左右，其余的都是线路耗损等以热能方式损耗。此外灯具中含水银蒸汽，一旦破损将会严重污染环境，而且灯光亮度、色彩单一，容易造成光污染，因此推广绿色、高效节能、环保、健康的照明光源非常重要。

(一)光纤照明技术

光纤照明是一种新型的绿色照明，光纤照明直接利用太阳光作为光源，不发热导电，无辐射，能够随意变换色彩，使用寿命长，光损耗小。绿色节能环保，被广泛运用于各种办公室照明装饰，建筑照明、博物馆、展览馆等文物照明，防水、防爆、防电的油库，煤矿区严禁火种入内的危险场合照明。光纤照明可以节省电力资源、减少环境污染、提高能源的利用效率，因此光纤绿色照明的发展前景不可估量。

光纤照明系统直接利用太阳光接入光纤引入室内进行照明，光纤照明系统包括反光镜、光源、滤色片和光纤构成，光纤照明系统结构图如下图1所示[2]。

图1　光纤照明系统结结构图

如图1所示，太阳光照射到反光镜时，会产生一束相似的平行光，平行光照射到滤色片，滤色片运用其功能将平行光转化为彩色光，彩色光经过光纤进行传递，沿着光纤的路线进入到室内进行照明。采用透镜和反光镜等光学元件使光的传播方向发生改变，使得光可以进行柔性传播，使得光纤照明得到大规模发展。

国外已经大力普及并且推广利用光导纤维的方法来使用光纤照明，它结合太阳追踪，透镜聚焦等专利技术，通过滤光镜来滤光，由传播速度很快的光导纤维来进行传输，将光线照射到室内需要光照的位置。

塑料光纤照明以其低能量衰减、安全可靠、色彩丰富、安装维修简便，耐用性和可塑性良好等独特的优势被广泛用于景观照明和汽车装饰照明，未来的塑料光纤照明将趋向于低损耗、低成本、高带宽、高耐热方向发展。随着光纤照明灯具的品种不断涌现，制造成本不断降低，光纤照明将会走到千家万户，其市场前景非常广阔。

(二)太阳能光伏发电系统

太阳能光伏发电系统是一种采用“光伏效应”原理直接把太阳能转化成电能的绿色照明系统。其中包含太阳能电池方阵、蓄电池组、逆变器、太阳能控制器装置，太阳能光伏发电系统原理图如图2所示。

图2　太阳能光伏发电系统结构图

太阳光直接照射到太阳电池方阵，电池方阵由光电效应将光能转变成电能，控制器把电能传送给蓄电池进行蓄电，电能经过控制器与蓄电池组成的光伏装置供给直流负载，也可以经过逆变器交变或者提升交变电压，根据电量的需求而控制交变电量的输出，实现合理运用资源的目的。

图3　我国未来光伏装机量和光伏发电量占总发电量的比例

我国的太阳能光伏产发展迅速， 2008年在我国举办奥运会的体育馆“鸟巢”上方建造太阳能光伏并网发电站，供应整个体育馆一半的灯光照明用电，达到绿色奥运、节约能源的目的。从2003年开始，国家大力推广光伏发电产业，其中新增光伏装机容量一直呈直线式增长，装机容量速度超过10GW，到2015年底，我国光伏装机容量已超过43GW，成为世界上规模最广阔的光伏市场。据预计，我国未来光伏装机量和光伏发电量占总发电量的比例如图3所示。

据估测，在21世纪30年代，全球绿色清洁新能源将占总消耗能源产能的30%，太阳能光伏发电量超过全球总发电量的10%。在21世纪40年代，全球清洁绿色新能源将占总能源产能的50%，太阳能光伏发电量超过全球总发电量的20%。太阳能光伏发电的发展前景极为广阔。

三、 绿色照明电路相关研究发展

(一)绿色照明应用的发展历程

在1990年，美国率先提出绿色照明的概念和绿色照明计划，提升转换效率，减少照明电量，降低环境污染，推行绿色环保的照明产品[1]。在1996年美国推出“能源之星”计划；2000年提出“半导体照明研究计划”。欧盟在1991年以提高能源效率为契机提出“能源SAVE计划”；1998年制定照明光源能效标识和实施准则；2000年，正式实施并启动“绿色照明计划”。其他的国家也相继制定并实施绿色照明计划，如日本的“半导体照明计划”、俄罗斯的“绿色照明计划”等。

我国在1993年实行“绿色照明计划”，1995年正式实行“中国绿色照明计划”，推行高效节能型照明用电。2001年中国与全球环境基金会合作实行“中国绿色照明促进项目”，建立绿色照明产品体系、推行高效节能的产品、减少环境的污染。2006年在“十一五”期间提出重点节能计划，重点改造照明生产技术，推广使用照明节能产品，采用LED节能产品，宣传绿色照明、提高绿色照明意识，加强政府扶持和补贴政策。

(二)国内绿色照明的发展及应用现状

自2004年起，我国大力组织和实施“绿色照明工程”相关项目，先后批准了一批“国家半导体照明工程产业化基地”，开展并推广“十城万盏”的绿色照明试点行动，制定一系列的政策措施来推进照明领域的节能减排。中科院成功研发白光LED用稀土材料，成功突破国际上白光LED荧光粉专利垄断的局面，改善荧光粉耐热、耐辐射的性能，具有光效高、稳定性好、改善光质的特点。据估计，我国绿色照明节能灯具在2020年将占全部照明灯具的30%，若按照“十三五”规划全力推广绿色照明，节能产品甚至可以达到50%。

(三)国外绿色照明行业的发展及应用现状

日本绿色照明市场规模最大，其研发的LED蓝光技术、荧光粉封装技术一直走在世界的前沿，占据绝大部分的绿色照明市场。芯片、光学材料等绿色照明核心技术被三菱化工、丰田等大型国际公司垄断。日本同时制定实施绿色照明“半导体计划”，大力改进绿色照明技术，加大推广节能型产品，预计2020年节能的半导体照明产品占市场照明产品的100%。日本深紫外光ICT器件尖端开发中心一直研发LED的特性，希望能够打造一款具有特殊供能的LED器件，深紫外在2015年12月成功研制出一款深紫外LED照明器件，打造出全球输出功率最高，超过90mW功率的深紫外LED器件，比普通的紫外线杀菌强了几十倍，未来将会广泛运用于餐饮消毒、室内消毒灯等领域。还有LED植物照明技术、全新覆晶技术、可调色石墨烯、镁合金新一代散热材料等新技术，推动着LED在各个领域快速发展。

飞利浦研发的最新智能互联LED照明系统，将飞利浦ActiveSite和CityTouch云端远程监测系统融入一个控制终端，为LED的智能化、互联网+技术提供了基础，未来的LED将会实行网络智能化发展，可以随意在终端控制LED灯光、色彩等技术。

澳大利亚实施“绿色照明计划”，提高本国绿色照明用电的效率,从2008年10月开始禁止进口光效低于151m/W的白炽灯产品。从2010年开始逐步淘汰白炽灯的使用，并且大力发展水上太阳能光伏发电，光伏建筑等产业。此外荷兰、美国、韩国等国家大力发展农业绿色照明技术，智能绿色照明技术，实现现代农业高效、优质、安全的现代化农业生产。节能环保、健康绿色的照明产品正在快速地推广，绿色照明行业在全球范围内得到广泛应用。

四、电力电子技术的发展趋势及对绿色照明行业的影响

(一) 电力电子技术的发展趋势

电力电子器件的性能不断提高，一些高转换效率、控制稳定、高效节能的器件在照明电路和电力系统中应用广泛，今后的电力电子技术将具备以下特点。

第一是隐身集成模块化。集成、聚合电源在电源家族中占据着重要成分，其集成模块化使得电源的体积逐渐减少，是电力电子器件智能集成化的核心。由于软开关技术的不断成熟，器件开关工作频率不断提高，使得器件体积不断减小，同时和其他种类的功能器件进行集成模块，增强器件的功能性。因此，隐身化集成模块技术化将会得到快速发展，增强绿色照明系统的性能，为绿色照明的发展提供有力的保障。

第二是高频高速化。随着电力电子器件的现代化，电力电子器件的工作频率不断提升，集成化速度持续加快，转换效率持续增强，可控制关断型等器件的诞生，电力电子器件的结构功能不断增强，体积不断减少，电力电子技术将趋向于高速高频化。

第三是全控数字智能化。为了改变传统的照明器件能耗高、控制方式单一、安全系数低等缺点，现代电力电子技术将信息处理器件和电力变换集中在一起，改善器件的安全性，降低制造成本。并且结合全控性器件，形成智能模块，用数字信号取代传统模拟信号，实现预定的功能，此类器件在使用中方便、灵活、准确，智能化程度高，将会受到广泛的使用。

第四是绿色化、新能源化。随着现代科学技术的不断提高，电力电子器件性能不断完善，电力电子技术和绿色照明技术不断朝着高效节能、绿色无污染方向发展。

(二) 绿色照明行业的发展趋势及影响

电力电子技术与绿色照明技术相互发展、相互融合、推进电力电子技术的革新，在未来将会有着强大的生命力，大大促进绿色照明行业的快速发展，对绿色照明行业将会产生深远的影响:

第一是从光污染到节能环保、绿色健康照明方向发展。现代城市的照明五花八门，有些地方照明单调，造成了极大的光污染和电能的浪费。传统的照明光照单调、不能控制光照强度，不能根据特定的环境需求设计光源，片面追求光照亮度，造成了频闪、紫外线辐射、热辐射和眩光等光污染。光污染危害人们的正常生活，因此未来照明将要合理运用光源，节约电力，减少光污染，创造一个绿色健康、节能环保的美好环境。

第二是从单调性照明向生态人文艺术绿色照明多样化方向发展。现代人们追求的照明景观更多强调的是照明景观的规范性、图案对称、线形齐整等，缺乏了自然美感。绿色照明遵循生态文化艺术设计，利用大自然的光色效果来模仿照明，强调人与自然、人与光照和谐相处的绿色照明，而不是过分追求照明的亮度和色彩鲜艳的照明。生态文化艺术化照明设计在景观照明中相互辉映，重现大自然活跃生机，给人一种自然、舒适的感觉。

第三是从单一体建筑电力照明到整体性建筑绿色照明。传统的建筑照明通过灯光色彩来衬托城市建筑景观照明，这些建筑结构单一，电能浪费严重，布线繁杂，成本高昂。在建筑中大力推广光伏发电系统，并在建筑顶端装设太阳能光伏发电站，把建筑、照明和光伏发电相互融合，再现自然、绿色的景观照明。因此城市绿色照明建设、光伏建筑相结合是未来绿色照明行业的一个潮流。

第四是照明LED产业化、智能化、数字化、绿色化。随着LED封装、外延芯片技术不断发展，高效、节能、绿色、环保LED照明产品不断诞生，并大规模化生产。LED照明产品色彩丰富，可以调整光照，得到了广泛的应用。LED灯功率不断提高，用于园林景观照明、泛光照明灯具LED已经出现，根据高工LED产业研究所的统计LED照明产值的发展趋势如图4所示。

图4　全球LED照明产值

从图4可以看出，2015年全球LED照明产值比2010年提升了4倍，达到了4 363亿元，未来两年全球LED照明产业将会继续大幅度提升，到2017年有望超过6 000亿元，比2015年增长1.5倍，LED照明产品将会实现跨越式发展，形成大规模产业化。

从电力电子技术的先进性态势看，LED技术照明产品将会以高度节能环保、更加绿色健康的特点朝着数字智能化方向发展，色彩可控性更高，危害更小。未来会逐步出现不同的照明器具形式和照明领域，如LED植物照明、农业生态照明、家居绿色照明智能化、建筑绿色照明的一体化等。照明产品的结构和功能也会发生较大的变化，将逐步走向产业化、智能化、数字化，同时也将集成众多其他功能，如通讯、感应等。

第五是从普通的光照照明到智能绿色照明系统。随着人类社会文明的发展，能自动调节光照亮度，控制灯光的色彩、温值，能够在不同环境满足需求的智能绿色照明系统受到了人们的青睐。智能化绿色照明系统连接互联网，根据编程随意控制各个环境的光照，合理利用光照，改进人们的生活工作环境，提升人们的生活质量。智能绿色照明系统还能利用太阳光照来实现节能效果，实行智能化管理，节省能源。

第六是从电力照明到无电光导照明自然化、智能化、网络化。光导绿色照明系统直接利用光照照明，实现了无电照明，是一种健康绿色、无污染的新型照明系统。光导绿色照明系统经过采光罩采集太阳光，同时将太阳光传递到光导系统，由光导系统进行分配经过导光管进行传递，利用导光管慢散射把光照射到预定的位置，即使是阴雨天气，室内的环境光照亮度也可以满足照明。光导绿色照明系统是一种智能、绿色、清洁无污染的照明系统，在未来的绿色照明市场将会拥有广阔的发展前景。

五、展望与总结

综上所述，电力电子技术无论从器件性能提高、器件的安全可靠、工艺的完善，还是从市场的规模和应用领域来看，都推动着绿色照明的发展。光伏转换器、光伏蓄电池、光导法纤维、电感镇流器、LED封装技术，LED外延芯片等等技术为新能源和绿色照明节能环保的应用提供了基础。现代以光纤照明和太阳能光伏照明为代表的新能源受到了全球的关注，是一种清洁、绿色、环保的新能源。

绿色照明将会以人为本，尊重自然，促进人与自然、照明之间的和谐关系。绿色照明技术的应用会变得更加规范而合理，逐渐的趋于广泛化的方向发展，今后照明节能的发展方向将是健康节能化、功能多样化、环保化、绿色化。

[1]刘虹，高飞.近年国内外绿色照明新进展[J].照明工程学报，2006，17(2).

[2]蔡加星.太阳能光纤照明系统的设计[D].淮南:安徽理工大学,2014.

2095-4654(2016)06-0004-05

2016-03-21

钦州学院校级科研项目“绿色照明光源LED的智能控制研究”(2013XJKY-12B)

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