ในกระบวนการพัฒนาของระบบไฟส่องสว่างยานยนต์การวนซ้ำของเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสงได้หมุนรอบเป้าหมายหลักเช่นการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานการเพิ่มประสิทธิภาพประสิทธิภาพและการเพิ่มประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือ เป็นหนึ่งในโซลูชั่นแสงกระแสหลักในปัจจุบัน หลอดไฟไฟหน้าลำแสงลำแสงขนาด 30W แสดงความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับไฟหน้าฮาโลเจนแบบดั้งเดิม ความแตกต่างนี้ไม่เพียง แต่สะท้อนให้เห็นในระดับประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกพื้นฐาน แต่ยังขยายไปถึงหลายมิติเช่นประสิทธิภาพการทำงานจริงการกระจายการใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายในการใช้งานที่ครอบคลุมของระบบแสงทั้งหมด
กลไกการใช้พลังงานขั้นพื้นฐานของแหล่งกำเนิดแสงและความแตกต่างในการแปลงประสิทธิภาพแสง
ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของแหล่งกำเนิดแสงนั้นขึ้นอยู่กับความสามารถในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสง กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับกลไกทางกายภาพพื้นฐานเช่นประสิทธิภาพการแปลงพลังงานและลักษณะการกระจายสเปกตรัม หลักการทำงานของไฟหน้าฮาโลเจนแบบดั้งเดิมนั้นขึ้นอยู่กับการเรืองแสงของการแผ่รังสีความร้อนซึ่งทำให้ความร้อนของเส้นใยทังสเตนสู่สถานะอุณหภูมิสูง (โดยปกติจะสูงถึง 2500-3000K) ผ่านกระแสไฟฟ้าเพื่อให้เส้นใยทังสเตนปล่อยสเปกตรัมต่อเนื่อง อย่างไรก็ตามพลังงานไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย (ประมาณ 5% - 10%) จะถูกแปลงเป็นแสงที่มองเห็นได้ในระหว่างกระบวนการนี้และพลังงานที่เหลืออยู่ส่วนใหญ่จะกระจายไปในรูปแบบของรังสีอินฟราเรด (พลังงานความร้อน) ลักษณะการสูญเสียความร้อนสูงนี้ทำให้ประสิทธิภาพการส่องสว่าง (ฟลักซ์เรืองแสงผลิตต่อหน่วยพลังงาน) ของไฟหน้าฮาโลเจนโดยทั่วไปต่ำโดยทั่วไปในช่วง 15 - 25 lm/w
หลอดไฟไฟหน้าลำแสงลำแสงขนาด 30W ใช้กลไกการเปล่งแสงเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นแกนกลางซึ่งเป็นเอฟเฟกต์อิเล็กโทรไลต์ของทางแยก PN เมื่อกระแสผ่านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กตรอนและหลุมรวมตัวกันอีกครั้งเพื่อปลดปล่อยพลังงานและสร้างโฟตอน การแปลงพลังงานของกระบวนการนี้โดยตรงมากขึ้นโดยไม่มีการเชื่อมโยงระดับกลางของการแผ่รังสีความร้อน ประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกของชิป LED ที่ทันสมัยสามารถเข้าถึง 30% - 40% และประสิทธิภาพการส่องสว่างที่สอดคล้องกันโดยทั่วไประหว่าง 80 - 120 lm/w ยกตัวอย่างพลังงาน 30W หลอดไฟหน้าไฟ LED คุณภาพสูงสามารถสร้างฟลักซ์เรืองแสงที่ 2400-3600 LM ในขณะที่ไฟหน้าฮาโลเจนที่มีกำลังเดียวกันสามารถส่งออกฟลักซ์เรืองแสง 450-750 LM ความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในประสิทธิภาพการแปลงแสงนี้เป็นพื้นฐานของช่องว่างลำดับชั้นระหว่างทั้งสองในแง่ของประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ
องค์ประกอบการใช้พลังงานและผลกระทบด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบการจัดการความร้อน
ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่แท้จริงของแหล่งกำเนิดแสงไม่เพียง แต่ถูกกำหนดโดยประสิทธิภาพของแสงของแหล่งกำเนิดแสงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการกระจายการใช้พลังงานและกลไกการจัดการความร้อนของระบบแสงทั้งหมด เนื่องจากการสูญเสียความร้อนสูงมากของไฟหน้าฮาโลเจนแบบดั้งเดิมจึงมีพลังงานความร้อนจำนวนมากที่เกิดขึ้นระหว่างการดำเนินการจะต้องกระจายไปตามการกระจายความร้อนตามธรรมชาติของตัวเรือนหลอด แม้ว่าโครงสร้างการจัดการความร้อนของหลอดฮาโลเจนนั้นค่อนข้างง่าย แต่ลักษณะการสร้างความร้อนสูงนี้ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานที่ซ่อนอยู่โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อระบบเครื่องปรับอากาศของยานพาหนะกำลังทำงานความร้อนที่ปล่อยออกมาโดยหลอดไฟอาจเพิ่มภาระของเครื่องปรับอากาศในรถยนต์ นอกจากนี้เส้นใยของหลอดฮาโลเจนจะค่อยๆอ่อนตัวลงในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและอะตอมทังสเตนจะถูกสะสมไว้บนผนังด้านในของหลอดไฟส่งผลให้การส่งผ่านแสงลดลง ปรากฏการณ์การสลายตัวของแสงจะทวีความรุนแรงมากขึ้นด้วยการขยายเวลาการใช้งานซึ่งจะลดประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่แท้จริงในการใช้งานระยะยาว
แม้ว่าประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกของหลอดไฟไฟหน้าลำแสงลำแสงขนาด 30W นั้นสูง แต่พลังงานบางอย่างยังคงถูกปล่อยออกมาในรูปแบบของความร้อนดังนั้นระบบการจัดการความร้อนที่ตรงกันจึงจำเป็นต้องใช้เพื่อรักษาอุณหภูมิการทำงานของชิป ไฟหน้า LED ที่ทันสมัยมักจะใช้โครงสร้างการกระจายความร้อนแบบคอมโพสิตซึ่งประกอบด้วยอ่างล้างมือความร้อนซิลิโคนนำความร้อนและพัดลม (ผลิตภัณฑ์ระดับไฮเอนด์บางอย่าง) แม้ว่าระบบการจัดการความร้อนจะใช้ไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อย (ตัวอย่างเช่นการใช้พลังงานของพัดลมมักจะอยู่ที่ประมาณ 1-3W) การออกแบบการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสามารถควบคุมอุณหภูมิของชิป LED ในช่วงการทำงานในอุดมคติ 60-80 ℃เพื่อหลีกเลี่ยงการลดทอนประสิทธิภาพของแสงที่เกิดจากอุณหภูมิสูง ข้อมูลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขการจัดการความร้อนที่สมเหตุสมผลอัตราการสลายตัวของไฟหน้าไฟ LED หลังจากการทำงาน 3,000 ชั่วโมงมักจะน้อยกว่า 10% ในขณะที่อัตราการสลายตัวของหลอดฮาโลเจนสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 30% หลังจากเวลาใช้งานเดียวกัน ความเสถียรของประสิทธิภาพแสงในระยะยาวนี้ช่วยให้ไฟหน้าไฟ LED สามารถรักษาประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพที่สอดคล้องกันตลอดวงจรชีวิตของพวกเขาหลีกเลี่ยงการลดลงของแสงที่แท้จริงและการสูญเสียพลังงานที่อาจเกิดขึ้นจากการสลายตัวของแสง
ความแตกต่างของประสิทธิภาพการใช้พลังงานในสถานการณ์การใช้งานจริง
ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่แท้จริงของระบบไฟส่องสว่างยานพาหนะจำเป็นต้องได้รับการประเมินร่วมกับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกันเนื่องจากสถานะการทำงานของแหล่งกำเนิดแสงภายใต้สภาพการทำงานที่แตกต่างกันจะส่งผลโดยตรงต่อระดับการใช้พลังงาน ไฟหน้าฮาโลเจนแบบดั้งเดิมสามารถเข้าถึงแสงไฟเต็มได้อย่างรวดเร็วในระหว่างการเริ่มต้นเย็นซึ่งทำให้สะดวกในสถานการณ์การใช้งานระยะสั้น อย่างไรก็ตามเนื่องจากประสิทธิภาพแสงต่ำและการสร้างความร้อนสูงพวกเขาจะยังคงสร้างการใช้พลังงานสูงเมื่อใช้อย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน (เช่นการขับรถบนทางหลวงในเวลากลางคืน) และการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของอุณหภูมิหลอดไฟอาจทำให้อายุการใช้งานของเส้นใยลดค่าใช้จ่ายในการใช้งานต่อไป
หลอดไฟไฟหน้าลำแสงลำแสง 30W สามารถเข้าถึงฟลักซ์เรืองแสงได้อย่างรวดเร็วในช่วงเริ่มต้นของการเริ่มต้นและเวลาตอบสนองของพวกเขามักจะน้อยกว่า 0.1 วินาทีซึ่งไม่แตกต่างจากหลอดฮาโลเจนอย่างมีนัยสำคัญ ในสถานการณ์ที่มีจุดเริ่มต้นและเริ่มต้นบ่อยครั้งเช่นถนนในเมืองข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานของไฟหน้า LED ส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในการใช้พลังงานต่ำ-แม้ว่าจะถูกปิดและเปิดอีกครั้งความผันผวนของการใช้พลังงานนั้นค่อนข้างเล็ก ในสถานการณ์แสงระยะยาวเช่นทางหลวงข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานของไฟหน้า LED นั้นชัดเจนยิ่งขึ้น: ในอีกด้านหนึ่งลักษณะของแสงที่มีประสิทธิภาพสูงช่วยให้พลังงาน 30W สามารถให้ความสว่างของแสงสว่างเทียบเท่ากับหลอดฮาโลเจน 55W หรือ 70W แบบดั้งเดิมลดความต้องการพลังงานโดยตรง ในทางกลับกันระบบการจัดการความร้อนที่เสถียรช่วยให้สามารถรักษาประสิทธิภาพของแสงที่มั่นคงในระหว่างการทำงานระยะยาวหลีกเลี่ยงการใช้พลังงานเพิ่มเติมที่เกิดจากการชดเชยพลังงาน
เป็นที่น่าสังเกตว่าภายใต้อุณหภูมิโดยรอบอย่างรุนแรงประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพของทั้งสองจะผันผวนถึงองศาที่แตกต่างกัน ประสิทธิภาพแสงของหลอดฮาโลเจนแบบดั้งเดิมอาจได้รับการปรับปรุงเล็กน้อยในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิต่ำ (เช่น -20 ℃) แต่ความทนทานต่ออุณหภูมิสูงนั้นไม่ดี เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเกินกว่า 40 ℃ความเร็วการระเหิดของเส้นใยจะถูกเร่งและการสลายตัวของแสงจะทำให้รุนแรงขึ้น ประสิทธิภาพแสงของไฟหน้า LED ได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญจากอุณหภูมิโดยรอบ: ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิต่ำแรงดันไปข้างหน้าของชิป LED เพิ่มขึ้นซึ่งอาจนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของการใช้พลังงานเล็กน้อย แต่วงจรไดรฟ์ที่ทันสมัยมักจะมีฟังก์ชั่นการชดเชยอุณหภูมิซึ่งสามารถควบคุมความผันผวนของการใช้พลังงานภายใน 5%; ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูงหากระบบการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพสามารถควบคุมอุณหภูมิชิปภายในช่วงที่เหมาะสมไฟหน้า LED ยังคงสามารถรักษาแสงที่เสถียร แต่เมื่อการกระจายความร้อนล้มเหลวอุณหภูมิชิปเกิน 100 ° C และประสิทธิภาพของแสงอาจลดทอนลงอย่างมาก ดังนั้นในการเปรียบเทียบประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่แท้จริงความสามารถในการปรับตัวด้านสิ่งแวดล้อมของไฟหน้า LED จำเป็นต้องได้รับการประเมินอย่างละเอียดเมื่อใช้ร่วมกับระดับการออกแบบของระบบการจัดการความร้อนและไฟหน้าไฟ LED ลำแสงเดียวที่มีคุณภาพสูงมากขึ้นสามารถรักษาประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพในช่วงกว้าง
เศรษฐกิจประหยัดพลังงานในระยะยาวและต้นทุนการใช้งานที่ครอบคลุม
อีกมิติที่สำคัญของการเปรียบเทียบประสิทธิภาพการใช้พลังงานคือเศรษฐกิจในการใช้งานระยะยาวซึ่งเกี่ยวข้องกับปัจจัยหลายอย่างเช่นต้นทุนการใช้พลังงานค่าบำรุงรักษาและวัฏจักรการเปลี่ยน สมมติว่ายานพาหนะเดินทาง 20,000 กิโลเมตรต่อปีและสัดส่วนของการขับขี่กลางคืนคิดเป็น 30%เวลาแสงประจำปีประมาณ 200 ชั่วโมง (คำนวณด้วยความเร็วเฉลี่ย 60km/h) พลังของไฟหน้าฮาโลเจนแบบดั้งเดิมมักจะ 55W และประสิทธิภาพการส่องสว่างจะคำนวณที่ 20 lm/w และการใช้พลังงานประจำปีคือ 55W × 200H = 11 kWh; การใช้พลังงานประจำปีของไฟหน้าไฟ LED ลำแสงเดียว 30W คำนวณที่ 100 lm/w และการใช้พลังงานประจำปีคือ 30W × 200h = 6 kWh คำนวณที่ราคาไฟฟ้าที่อยู่อาศัย 0.6 หยวน/kWh ไฟหน้าไฟ LED สามารถประหยัดค่าไฟฟ้า (11 - 6) × 0.6 = 3 หยวนต่อปี แม้ว่าการออมจะมีขนาดเล็กจากมุมมองของต้นทุนไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว แต่ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจโดยรวมนั้นชัดเจนมากขึ้นเมื่อพิจารณาถึงการเปลี่ยนแปลงต้นทุนอื่น ๆ ที่เกิดจากความแตกต่างของประสิทธิภาพการใช้พลังงาน
ในแง่ของค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและการทดแทนอายุการใช้งานเฉลี่ยของหลอดฮาโลเจนแบบดั้งเดิมคือประมาณ 500-1000 ชั่วโมง คำนวณที่ 200 ชั่วโมงของการใช้งานต่อปีพวกเขาจะต้องถูกแทนที่ทุก 2-5 ปีและค่าใช้จ่ายของการทดแทนแต่ละครั้งคือประมาณ 20-50 หยวน ชีวิตทางทฤษฎีของไฟหน้าลำแสงลำแสงเดี่ยว 30W สามารถเข้าถึง 30,000-50,000 ชั่วโมง ภายใต้การใช้งานปกติสามารถตอบสนองความต้องการการใช้งานของยานพาหนะมานานกว่า 10 ปีและแทบจะไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่ นอกจากนี้การลดลงของเอฟเฟกต์แสงที่เกิดจากการสลายตัวของหลอดฮาโลเจนอาจทำให้ผู้ใช้สามารถเปลี่ยนได้ล่วงหน้าและเพิ่มค่าบำรุงรักษาเพิ่มเติม จากมุมมองของวงจรชีวิตทั้งหมดค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนยานพาหนะสามารถบันทึกได้โดยใช้ไฟหน้า LED ในช่วงอายุการใช้งาน (คำนวณเป็น 10 ปี) ซึ่งเมื่อรวมกับ 30 หยวนที่บันทึกไว้ในค่าไฟฟ้ามีข้อได้เปรียบที่สำคัญในประสิทธิภาพการใช้พลังงานและเศรษฐกิจที่ครอบคลุม
ความสัมพันธ์เสริมฤทธิ์กันระหว่างประสิทธิภาพการใช้แสงและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน
ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของแหล่งกำเนิดแสงไม่เพียง แต่สะท้อนให้เห็นในระดับการใช้พลังงาน แต่คุณภาพของประสิทธิภาพการใช้แสงจะส่งผลกระทบต่อเอฟเฟกต์แสงจริงและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน เนื่องจากข้อ จำกัด ของหลักการเปล่งแสงแสงการกระจายสเปกตรัมของไฟหน้าฮาโลเจนแบบดั้งเดิมนั้นค่อนข้างกว้างรวมถึงการแผ่รังสีอินฟราเรดและรังสีอัลตราไวโอเลตจำนวนมากในขณะที่การกระจายพลังงานสเปกตรัมของส่วนแสงที่มองเห็นได้นั้นค่อนข้างสม่ำเสมอ ลักษณะแบบเต็มสเปกตรัมนี้ทำให้สีอ่อนของหลอดฮาโลเจนสีเหลือง (อุณหภูมิสีอยู่ที่ประมาณ 2800-3200K) แม้ว่าการเจาะเป็นสิ่งที่ดี แต่อัตราการใช้งานของฟลักซ์เรืองแสงอยู่ในระดับต่ำโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบการกระจายแสงจะต้องมีการกระจายแสงจำนวนมากผ่านการสะท้อนและการหักเหและการสูญเสียพลังงานแสงจำนวนหนึ่งจะเกิดขึ้นในกระบวนการ
การกระจายสเปกตรัมของหลอดไฟไฟหน้าลำแสงลำแสงขนาด 30W มีความสามารถในการควบคุมได้ดีขึ้น ผ่านการเลือกวัสดุชิปและฟอสเฟอร์อุณหภูมิสี (โดยปกติจะอยู่ในช่วง 4000-6500K) และการกระจายพลังงานสเปกตรัมสามารถปรับได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่นสำหรับความต้องการไฟถนนไฟหน้า LED สามารถเพิ่มส่วนประกอบแสงสีน้ำเงินสีเขียวในช่วงความยาวคลื่น 450-550Nm ปรับปรุงความสามารถของดวงตาของมนุษย์ในการระบุรายละเอียดถนนและทำให้เกิดเอฟเฟกต์แสงที่ดีขึ้น นอกจากนี้ในฐานะแหล่งกำเนิดแสงจุดทิศทางการปล่อยแสงของ LED นั้นง่ายต่อการควบคุม ด้วยเลนส์ออปติคัลที่ออกแบบโดยความแม่นยำและแสงสะท้อนแสงฟลักซ์แสงสามารถเข้มข้นในพื้นที่แสงที่มีประสิทธิภาพ (เช่นพื้นผิวถนนและขอบถนน) เพื่อลดการกระเจิงของแสงที่ไม่ถูกต้อง ข้อมูลทดสอบแสดงให้เห็นว่าอัตราการใช้ฟลักซ์เรืองแสงของไฟหน้าไฟ LED ลำแสงเดี่ยวขนาด 30W คุณภาพสูงสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 85%ในขณะที่อัตราการใช้ฟลักซ์ส่องสว่างของไฟหน้าฮาโลเจนแบบดั้งเดิมมักจะอยู่ระหว่าง 60%และ 70% ความได้เปรียบด้านประสิทธิภาพการใช้แสงนี้ช่วยให้ไฟหน้าไฟ LED สามารถบรรลุเอฟเฟกต์แสงที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นด้วยพลังงานจริงที่ต่ำกว่าซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความได้เปรียบด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานจากมุมมองอื่น
