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在照明这个行业中，专业的照明计算软件一般有照明计算类软件、灯具设计类软件和专业类软件这三种类型。一些三维渲染软件如Lightscape、3DMax等常常被误认为照明计算类软件，其实它们只是一种绘图工具，并不是根据准确的数据计算照明设计的结果，它们只能够向人们展示照明设计的感性视觉效果[2]。因此，它们不是照明计算软件。
真正的照明计算软件是一种能够计算并分析照明设计的工具，可以辅助用户客观地对照明设计进行前期预测、中期指导和后期评价的工作。因此，有大量的数据和计算结果作为依据的照明计算类软件对于照明设计才具有真正的意义。
近年来计算机技术发展的快速步伐也带动了照明计算类软件的飞速发展，涌现出了AGI32、DIALux等一批专业的照明计算软件，这些软件界面美观，具有人性化的设计，最重要的是它们的计算结果比较准确，而且具有开放的数据平台（即在付费的前提下可以导入各个厂商的灯具数据）。但是这一类的软件需要高额的费用才能使用，如AGI32软件的购买费用就需要每年1.3万人民币；DIALux是免费的软件，但是如果要将高频无极灯加入它的光源数据库则需要支付每年4000欧元。另外还有一些知名的灯具厂商针对自己的产品开发了计算软件，如Philips，Lithonia Lighting，Sitec等，这些软件在对自己的产品进行计算时能够做到准确，但是对其他产品进行计算时误差就比较大。
1.3 高频无极灯照度计算模型研究的意义
进入21世纪以来，环保成为热门话题。2006年建设部印发了《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》，在纲要中明确指出城市绿色照明工程的重要性[1]。目前电能在所有的能源使用中是必不可少的，但是随着煤炭、石油的日益短缺，电力供应日益紧张，人们在尝试寻找新能源，开发新技术以供应电力系统，而节约用电则成为了保障人类社会可持续发展的一种有力手段。照明用电在电力消耗上也占有一定的比重，节约照明用电也是节约电能的途径之一，因此采用节能环保的电光源是非常必要的。而在众多的电光源中，绿色环保的高频无极灯无疑是{zj0}的选择。
针对电光源开发的照明计算软件是对整个空间的照明情况进行预估。以前，需要通过一系列的公式，进行繁冗复杂的手工计算，才能得到照明计算的结果。随着计算机技术的发展与应用，许多软件开发人员对照明计算软件进行研究和开发，使得照明计算无需繁复的手工计算过程，在计算机中用极短的时间就可以得出计算结果。这些照明计算软件无疑是照明设计者和使用单位的福音。通过这些软件，用户可以专注于照明的设计方案，十分便捷地通过计算结果不断调整方案，使得设计更有根据，更具科学性[2]。
然而在众多照明计算软件中，没有一个软件是针对高频无极灯的照明计算。对于可以扩展电光源计算范围的软件，它们收取的费用又太过昂贵，超出了能力范围。因此，对于适应市场需求的绿色环保的高频无极灯，有必要为其量身定做一个合适的照度计算软件来弥补这方面的空白，满足照明设计师、生产企业和使用单位等的需求，使得高频无极灯能够更有效的被市场接受，进而为全球的节能降耗尽一份绵薄之力[6]。
照明计算包括亮度计算、眩光计算、照度计算等效果的计算，是照明设计的基础。在一般的情况下，照明环境相对比较稳定，即墙面、顶棚、地面等被照表面的反射特性不变，且大多数场所内的反射多是漫反射，因此照明的亮度取决于入射光在单位面积上投射的光通量，即照度。由于计算和测量照度相对简单一些，目前在国际上和国内的照明标准主要是以照度值作为工作面上照明量的标准，所以照明计算通常情况下主要指的是照度计算。因此，对于要解决本文中提出的高频无极灯照明计算软件方面的缺失问题，最重要的是建立高频无极灯的照度计算模型。只有将模型建好了，才能够对高频无极灯的照度计算软件进行设计和实现，也能够保证所设计的照度计算软件具有一定的可用性。
高频无极灯作为一种高发光效率、高显色性、高发光稳定性、无频闪、长寿命并符合环保要求的绿色新光源，能够为我们的工作环境和生活环境制造更加舒适、愉悦的照明，能够更好地改善学生和员工的视觉条件，提高工作效率，降低对人眼的伤害，减少近视等眼疾的发病率，并能够收到节约电能消耗、降低人工维护费用的目的。然而对于在综合性能上有着突出表现的电光源，无极灯在其推广道路上却步履艰难，没有一个合适的照度计算软件作为它的好帮手。因此，设计实现一个针对高频无极灯的照度计算软件是非常必要的，具有重要的现实意义。
1.4 本文的工作和章节安排
照明场所的多样性决定了照度计算软件的开发是一个浩大的工程，单凭作者个人的能力无法完成，因此本文只对高频无极灯的照度计算模型进行分析和建立，设计实现一个简化计算过程的照度计算软件系统。
根据上述对高频无极灯照度计算模型研究意义的分析，确定本文的工作主要有：
1）分析照度计算的各种方法，找出最适合高频无极灯的计算方法；
2）分析高频无极灯的特点，建立高频无极灯的照度计算模型；
3）通过2）中建立的模型用MATLAB实现场所内各点的照度计算，并用数字和图像两种形式将计算结果显示出来；
4）分析其它电光源的特点，建立其它电光源的照度计算模型，计算出在同一场所内的照度值，给出无极灯与其它电光源比较的数据和等照度分布图；
5）通过实验验证本文建立的高频无极灯照度计算模型的可行性和系统的可用性。
本文共分为六章，具体安排如下：
{dy}章，绪论。介绍课题研究的背景和意义，针对高频无极灯在照度计算方面存在的软件空白，提出建立高频无极灯照度计算模型的必要性，确定本文的工作安排。
第二章，高频无极灯、数学建模和照度计算简介。介绍高频无极灯的特点和照度计算理论，进而对照度计算的方法进行分析和比较，明确本文解决问题的方法。
第三章，高频无极灯的配光曲线及其测量。介绍了配光曲线在照度计算中的作用，对高频无极灯的配光曲线进行测量和绘制，为建立高频无极灯的照度计算模型奠定基础。
第四章，高频无极灯照度计算模型的建立。分析各种照度计算的方法，建立高频无极灯的照度计算模型。并分析日光灯、高压钠灯和LED灯的特点和不足，建立它们的照度计算模型。
第五章，高频无极灯照度计算系统的设计及实现。对高频无极灯的照度计算系统进行设计和实现，并通过实验检验系统的计算结果，验证计算方法的有效性。
第六章，总结与展望。总结本文的研究成果以及存在的不足，提出下一步的工作重点。
1.5 本章小结
在本章中首先介绍了课题的背景，通过分析高频无极灯照度计算模型研究的意义，提出课题的必要性，{zh1}对本文工作和组织结构做了详细的安排。

 
第二章 高频无极灯、数学建模和照度计算简介
2.1 高频无极灯简介
由最开始的钻木取火，到爱迪生的白炽灯，再到卤钨灯、荧光灯、钠灯、汞灯、金卤灯等各式各样的照明光源，人类照明经历着一次又一次的飞跃。而高频无极灯的出现，使人类的照明技术又翻开了新的一页[44]。
在现代化生产和生活高速发展的时代，对照明的需求飞速增长，要求也越来越高，而能源问题却越来越突出。为了能够使工作环境和生活环境有着更加舒适、愉悦的照明，为了能够改善人们的视觉条件，提高工作效率，为了能够节约能耗，降低维护费用，人们一直在寻找一种高显色性、高发光率、高稳定性、无频闪、寿命长并且环保的新光源[14]。高频无极灯的发明，集合了现代多种电光源的优点，解决了照明需求与能耗问题之间的矛盾。
 
图2.1 高频无极灯
早在100余年前，由于白炽灯是通过钨丝通电加热而发光的，存在光效低、寿命短等问题，泰勒斯(Tesla)、汤普森（J．Thomson)等人认识到可以避开采用灯丝而改用电磁感应的方法使荧光物质发光，灯的寿命就不受灯丝的限制[30]。1927年，汤普森发表了有关无极感应灯工作原理的文章，由于灯泡内没有电极，该灯被人们称为“Electrodeless Discharge Lamp”，即“无电极放电灯”的意思。但是由于高频电子元器件的制约，该灯一直停留在实验室中。在最近十几年来，高频电子元器件功率密度的大大提高，无极灯所需要的高频电源的设计达到体积小、可靠性高和价格低廉的要求，无极灯才开始进入市场。现在成型的高频无极灯如图2.1所示。
高频无极灯是在电磁感应和荧光气体放电这两个原理的基础上结合而成的国际第四代节能环保新光源。它是通过将高频电磁能耦合到灯泡内，使灯泡内的气体电离成等离子体，这些等离子体受到激发原子返回基态时会辐射出波长为253.7nm的紫外线，紫外线激发灯泡内壁的荧光粉，荧光粉就会发出可见光。其工作原理如图2.2所示[41]。
 
图2.2 高频无极灯的工作原理
高频无极灯的光效目前可以达到80lm/W以上，其功率因数至少大于0.98。与其它电光源相比，它有着很大的优势，其具体特点如下：
1）长寿命
高频无极灯没有灯丝或电极，其灯泡的玻璃壳内填充的是稀土三基色荧光粉，因此它的寿命不会因为电极材料的化学性质而受限，其寿命仅取决于电子元器件的质量、电路设计和泡体制造工艺，一般可使用5万小时到10万小时，这是其他电光源无法比拟的。
2）节能
目前高频无极灯的光效可以达到80lm/W以上，与白炽灯相比可节能75%以上，与金卤灯相比可节能65%左右。在实际使用中120W无极灯的光照度就相当于250W高压钠灯或金卤灯的光照度。而且165W的高频无极灯启动电流只有0.75A，而金卤灯的启动电流要在3A以上，LED灯每1W的启动电流就有350mA。
3）环保
高频无极灯的灯泡内采用的是固体汞齐，即使灯泡被打破也不会污染环境，并且里面的固体汞齐和辅助汞齐都是可以回收的，有99％以上的回收率。高频无极灯工作时灯泡体内的温度约为1500C左右，打破后温度会立即下降，不会引起周边可燃物品的燃烧，使用安全。而其他电光源若达到比较高的照度，其泡体温度都非常高，如金卤灯工作时其灯泡周围的环境温度至少有300度。
4）受电网影响小
高频无极灯在电路设计的工艺上引入了功率因素电路，使得电路功率因数比一般电光源要高，可以达到0.98，性能稳定，可以维持输出稳定的电压，即使在输入端电压变化的情况下，也可以保证高频无极灯的正常使用，不影响光通量的输出。另外提高高频发生器的功率因素还可以减少交流线路上的无功损耗和降低电流谐波，减少资源浪费，这也是衡量绿色光源的标准之一。其他光源的功率因素一般都比较低，如金卤灯只有0.7。
5）启动快
高频无极灯可以立即启动和再启动，时间都在0.5秒之内，并且多次开关不会引起光通量的衰退。照明的即时性在发生突发事件的时候是非常重要的，如突然断电数秒或1分钟，则无极灯可在通电后马上启动，而金卤灯则需要先休息几分钟才可以再启动。
6）无频闪
高频无极灯的工作频率是2.65MHZ，波动深度约为0，符合国家照明电器≤5%的设计标准，xx不会产生频闪效应。而且与其它电光源相比，其眩光指数也比较低，因此长时间使用不会对人眼造成伤害。教室里安装的一般都是日光灯，虽然日光灯在发光强度和显色性上比较好，但是其产生的频闪效应非常严重，对学生的身心健康影响很大。而高频无极灯的无频闪就不会对学生的身心健康有影响。
7）显色性好
高频无极灯的显色指数大于80，能够还被照物体的本来面目，对于服装店、装饰店等颜色要求高的场所是非常重要的。
8）光衰小
高频无极灯的光通量衰退比较小，在60000小时以内其光衰只有72%，在120000小时内的光衰也只有50%，如图2.3所示。
 
图2.3 高频无极灯光衰图
9）色温可选
将标准黑体加热时黑体会随温度按深红?浅红?橙黄?白?蓝的顺序逐渐改变，光源的色温是黑体与光源颜色相同时黑体的{jd1}温度。高频无极灯的色温范围比较广，可以从2700K到6500K，包含了暖色、中色和冷色，可以应用于装饰性照明。色温的范围直接影响了电光源的使用范围，如LED灯目前{zx1}的技术也只能做到3500K到10000K，暖色光不全，深红色的光几乎没有。
10）适应性强
高频无极灯具有强大的抗震能力，可在任意方位上安装，不受限制。
另外高频无极灯在其输入端引入了净化电路和防辐射处理，其电磁干扰EMCxx符合国家检测标准。在价格上，与其他光源相比，无极灯的价格只在中等，400元左右即可购买一只100W的裸灯。
综上所述，可以知道高频无极灯的突出优点使得它在市场上具有一定的竞争优势。如韩国的南山市室内体育馆，2004年将原来安装的68套400W金属卤化物灯拆掉，更换为66套200W的无极荧光灯，每年节约用电约50％以上，而且眩光有很大的降低；2005年上海外滩的照明设计采用了200多套23W无极荧光灯，很受人们的欢迎。

表2.1高频无极灯与金卤灯性能对比
序号 比较项目 400W金卤灯 165W无极灯
1 电压（V） 220 220
2 启动电流（A） 3.6 0.75
3 初次启动时间（S） >200 <0.5
4 再启动时间（S） >360 <0.5
5 工作电流（A） 3.5 0.75
6 功率因素 0.7 >0.98
7 工作频率 50HZ 2.65MHZ
8 实际消耗功率（W） 550W 165W
9 电流谐波 大 小
10 灯表面温度（℃） >300 <100
11 光通量（LM） 31000 11500
12 显色指数（Ra） <50 >80
13 色温（K） 4000 3000~6500
14 频闪 有闪烁，但人眼无察觉 xx无频闪
15 寿命（h） 10000小时 60000小时
16 眩光 大 小
17 视觉流明* 31000×1.49=46190PLm 11500×1.62=18630PLm
表2.2 GL-85与250W汞灯（带灯具）实测比较
型号 额定功率(W) 工作电压(V) 工作电流(A) 功率因素(PF) 色温(K) 有功功率(W) 距离(m)/照度(lx)
       2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m 11m 12m
GL-85 85 231 0.36 0.99 5000 81 - - 280 179 124 91 70 55 45 37 31
汞灯 250 230 1.75 0.59 4000 240 - - 70 45 31 23 18 14 11 9 8
表2.1是高频无极灯与金卤灯的性能比较，表2.2和2.3分别是85W无极灯与250W汞灯和钠灯的实测数据比较。由这三张表中的数据可知，与其它光源相比，高频无极灯是{zj0}的选择。