مقدمة
مع تحسن معايير كفاءة الطاقة العالمية، من المتوقع أن يتجاوز سوق إضاءة (ليد) $127.2 مليار دولار في عام 2028.
بالمقارنة مع الإضاءة التقليدية، أصبحت أنظمة (ليد) الخيار الأول في المجالات التجارية والصناعية نظرًا لمزاياها المتمثلة في استهلاكها الأقل للطاقة 70% وعمرها الأطول 5 مرات. ومع ذلك، يختلف أداء الأنواع المختلفة من أنظمة LED بشكل كبير، ويؤثر اختيار تقنية التجديد بشكل مباشر على كفاءة الإضاءة وتجربة المستخدم. ستحلل هذه المقالة بعمق الاختلافات الجوهرية بين أنظمة إضاءة LED ذات الإضاءة المتطورة وأنظمة الإضاءة المباشرة، وستقوم بتفكيك تقنيات التجديد الثمانية الرئيسية بشكل منهجي، بالإضافة إلى البيانات والحالات الموثوقة، لتزويد الممارسين باستراتيجيات ترقية مجدية.
إضاءة الحواف والإضاءة المباشرة: الاختلافات في التقنيات الأساسية والسيناريوهات القابلة للتطبيق
- مقارنة تصميم المسار البصري
يعتمد نظام الإضاءة على الحافة على مصدر ضوء LED على حافة لوحة دليل الضوء لتحقيق انتشار الضوء بشكل موحد من خلال مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي (TIR) (الشكل 1)، بينما يقوم نظام الإضاءة المباشرة بإسقاط الضوء مباشرةً إلى أسفل من خلال مصفوفة LED، مما يقلل من فقدان الضوء بأكثر من 30%.
الحالة: يستخدم تلفزيون سامسونج فائق النحافة نظام إضاءة الحافة لتحقيق سمك 5 مم، بينما تستخدم الإضاءة عالية السقف في الصالات الرياضية بشكل عام تصميم الإضاءة المباشرة لضمان كثافة الضوء.
- تحليل القدرة على التكيف المكاني
يمكن ضغط سمك نظام إضاءة الحواف إلى أقل من 3 مم، وهو ما يناسب شاشات العرض فائقة النحافة والإضاءة الزخرفية المعمارية؛ ويتطلب نظام الإضاءة المباشرة مساحة تبديد حرارة تتراوح بين 10 و20 سم، وهو أكثر ملاءمة للمستودعات والمصانع وغيرها من المشاهد التي تتطلب إضاءة عالية (الشكل 2).
- التوازن بين كفاءة الطاقة والتكلفة
وتصل كفاءة الإضاءة الأولية لنظام الإضاءة المباشرة إلى 120lm/W، ولكن هناك حاجة إلى المزيد من وحدات LED؛ حيث إن نظام الإضاءة الحافة يعيد استخدام مصدر الضوء من خلال لوحة توجيه الضوء، مما يقلل من تكلفة المواد بمقدار 40%.
تقنية العدسات: مبضع دقيق للتحكم في الشعاع
- تحويل تركيز العدسة المحدبة إلى عدسة محدبة
- إضاءة جانبية: يمكن للعدسات شبه الكروية زيادة كفاءة اقتران ضوء الحافة إلى 92% وتقليل التشتت الداخلي للوحة توجيه الضوء.
- إضاءة مباشرة: تضيّق عدسة المصفوفة ذات المنشأ الدقيق زاوية الشعاع من 120 درجة إلى 15 درجة، وهي مناسبة للمشاهد عالية الدقة مثل مصابيح غرف العمليات بدون ظل.
- محلول نشر العدسة المقعرة: يقلل النظام المباشر لأسفل باستخدام عدسات الأكريليك المقعرة من مؤشر التوهج UGR من 25 إلى 16، وهو ما يتوافق مع معيار الاتحاد الأوروبي EN 12464-1 (الشكل 3).
الكوب العاكس: حل تحسين الاتجاه منخفض التكلفة
- تحسين انعكاس حافة الضوء الجانبي
يمكن لكوب عاكس القطع المكافئ زيادة معدل استخدام ضوء LED عالي الزاوية من 65% إلى 88%، مع تقليل البقعة الساخنة على الوجه النهائي للوحة توجيه الضوء (انظر الجدول 1 للاطلاع على البيانات التجريبية).
- تصميم توزيع الضوء الثانوي المباشر إلى الأسفل
يجعل الكوب العاكس على شكل قرص العسل تجانس الضوء (UI) يصل إلى 0.85، متجاوزًا المعيار القياسي في الصناعة وهو 0.7، وتبلغ التكلفة ثلث عدسة TIR فقط.
العناصر الضوئية TIR: التقنية الأساسية لانتقال كفاءة الضوء
- نظام استرداد الضوء الشارد للضوء الجانبي يمكن لعدسات TIR المخصصة التقاط 80% من الضوء الهارب. بعد الدمج مع فيلم النقطة الكمومية، تزداد تغطية التدرج اللوني NTSC إلى 110%.
- تحويل الضوء الموازي المباشر إلى الأسفل تحقق وحدة TIR متعددة التركيز البؤري دقة تحكم في الشعاع بزاوية 5 درجات ± 1 درجة وتم تطبيقها على المصابيح الأمامية المصفوفية للسيارات (الشكل 4).
العاكس: لعبة مزدوجة من الكفاءة والجماليات
- مقارنة أداء المرآة/العاكس المنتشر
- عاكس الألومنيوم العاكس المرآة يجعل كفاءة خرج ضوء نظام الإضاءة الجانبية تصل إلى 93lm/W، ولكن يجب أن يتطابق مع لوحة توجيه الضوء الرفيعة جدًا مقاس 0.5 مم.
- عاكس منتشر مطلي بالسيراميك يحقق مؤشر تجسيد اللون Ra>95 في نظام العرض المباشر لأسفل، وهو مناسب لإضاءة المعارض الفنية.
- حل مبتكر لانعكاس شبه المرآة يحسّن الفيلم العاكس المتدرج المطبوع بالنانو من تباين المنتج بنسبة 30% في إضاءة متاجر التجزئة.
ناشر الهواء: تحقيق التوازن بين التوحيد وكفاءة الطاقة
- تقنية غشاء ناشر البنية المجهرية يجعل غشاء الناشر المنشوري PET المنشوري من البولي إيثيلين تيريفثاليت المنشوري نفاذية نظام الضوء الجانبي تصل إلى 90%، مع الحفاظ على نفاذية 85% (الشكل 5).
- تحسين مسافة الخلط المباشر إلى الأسفل عندما يكون الناشر ≥1.5 ضعف المسافة من الصمام الثنائي الباعث للضوء، يمكن التخلص من 99% من الحبيبات التي تناسب إضاءة مرنة في قاعات المؤتمرات.
نظام التحكم الذكي: الاتجاه المستقبلي لإدارة كفاءة الطاقة
- التعتيم الديناميكي لبروتوكول DALI
يمكن لنظام الإضاءة المباشرة المدمج مع رادار الموجات الدقيقة تحقيق الإضاءة عند الطلب وتوفير 451 تيرابايت 3 تيرابايت من الطاقة الشاملة (مجلة إنترنت الأشياء IEEE، 2023).
- تقنية قابلة للتعديل الطيف الترددي
تم تجهيز نظام إضاءة الحافة بمصابيح RGBW LED وشبكات بلوتوث الشبكية لتحقيق ضبط مستمر لدرجة حرارة اللون من 2700 كلفن إلى 6500 كلفن.
الإدارة الحرارية: حجر الزاوية للاستقرار على المدى الطويل
- تقنية تبديد الحرارة بمواد تغيير الطور
يقلل المشتت الحراري القائم على الجرافين من درجة حرارة الوصلة لنظام الإضاءة المباشرة بمقدار 18 ℃ ويطيل عمر النظام إلى 80,000 ساعة (الشكل 6).
- تعويض التمدد الحراري للوحة التوجيه الضوئي
يعتمد نظام إضاءة الحواف على هيكل PMMA على شكل قرص عسل لتحمل البيئات القاسية التي تتراوح درجة حرارتها بين -30 درجة مئوية و85 درجة مئوية.
الخاتمة
تحتاج ترقية نظام إضاءة LED إلى اتباع المسار التقني المتمثل في "تكييف المشهد ← التصميم البصري ← التحقق من كفاءة الطاقة" (الشكل 7). تُظهر البيانات التجريبية أن التطبيق الشامل للعدسة + TIR + حل تحويل التحكم الذكي يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة لإضاءة المساحات التجارية بمقدار 62%، ويقصر دورة عائد الاستثمار إلى 1.8 سنة. مع نضج تكنولوجيا مصابيح LED الصغيرة/المتناهية الصغر، ستتطور أنظمة LED في اتجاه النمذجة والذكاء في المستقبل. يجب على الممارسين الاستمرار في الاهتمام بتحديث المعايير مثل IEC 62722-2 لإيجاد أفضل توازن بين الابتكار التكنولوجي والامتثال.