WPE不是衡量UVC-LED发展唯一指标，这家国际大厂表态

UVLED风向 · 2023-09-16

行家说UV 导读：

日前，Crystal IS总裁兼首席执行官EOIN CONNOLLY以及全球应用工程总监RAJUL RANDIVE是发表了关于UVC-LED的一些看法，行家说UV翻译梳理如下：

在过去五年中，UVC-LED性能的进步不断加快，再加上 COVID-19 的流行和人们对无接触消毒的认识，紫外线杀菌领域的活动导致了更多关于UVC-LED 和汞灯之间的比较，目前的一个争论焦点是UVC-LED 与传统消毒技术两者之间的WPE相比。

市场利益者认为在紫外线杀菌灯（GUV）应用中采用UVC-LED将受到限制，直到UVC-LED性能可以与现有的商用汞灯相媲美。

WPE不是衡量UVC-LED技术进展的唯一指标

Crystal IS表示，UVC-LED 是否已准备就绪并得到广泛应用，这一点以前曾在功率和使用寿命方面引起过争论。但是，随着越来越多的原始设备制造商对该技术进行评估，并充分利用其在设计灵活性和按需运行方面的固有优势，市场可以看到该技术实际上已经准备就绪，尤其是在低流量水消毒应用方面。

通过智能设计，比如优化LED位置、水流量和占空比参数，可以间接的推动基于UVC-LED的商用消毒反应器超越了性能要求。

为什么会有关于WPE的争论？Crystal IS表示简单地说，UVC- LED的WPE仍然相对较低，在 3%到10%之间。事实上，安装到设备上的大部分能量仍然转化为热量。然而，与功率和寿命一样，对紫外灯和UVC- LED的WPE进行比较仍然没有意义。尽管WPE是一项重要指标，但它并不是衡量这项技术进步的唯一标准。

采用不同衬底材料对WPE有影响

目前UVC-LED的WPE为个位数，大多数市售UVC-LED的WPE在3%至6%之间，具体取决于产品。LED效率的提高可以从器件内部的多个环节实现，通常分为内部效率和外部效率。内部效率可通过减少基底材料外延层中的缺陷和位错来提高，外部效率可通过重新设计器件来提高光提取率。

图1. UVC-LED器件效率损失示意图。

目前许多UVC-LED 制造商都在蓝宝石这种低成本、透明的基底上制造结构。然而，蓝宝石与氮化物层之间存在晶格和热膨胀失配，导致材料中的位错数量增加，从根本上限制了基于蓝宝石的UVC器件的内部效率。为此使用块状蓝宝石作为基底的制造商主要致力于提高萃取效率，以改善器件的整体WPE。

而使用块状AlN衬底的制造商具有固有的内部效率优势--更具体地说，内部量子效率（IQE），即电子-空穴重组产生光子的百分比，而不是电子遇到位错缺陷时产生的热量。与生长在蓝宝石衬底上的器件相比，生长在氮化铝上的器件在UVC波长下的IQE高出一倍多。因此，使用块状AlN作为其UVC-LED基础的制造商寻求通过提高内部效率和萃取效率来提高WPE。

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当前WPE不影响在水消毒采用率

Crystal IS介绍，在过去几年中的水消毒中UVC-LED采用率有增加，基于使用点 (POU) 水系统的技术，运行流量高达每分钟 5 加仑，进入点 (POE) 系统通常定义为流量为每分钟5至 50 加仑 (gpm)，可以看到UVC-LED正被低流量系统所采用。

而工业、废水和市政处理的传统定义是流量超过50加仑/分钟，POU和POE系统通常以较低的占空比运行，而大流量系统则具有更强的连续性。

Crystal IS指出，WPE和占空比密切相关，POU和POE的低占空比意味着3%到6%之间的WPE 就足够了。较高的WPE有利于较高的流量以减少热负荷，因为这些系统需要更多LED达到适当的消毒剂量要求。

一般来说，大多数考虑开发基于 UVC-LED 的产品的原始设备制造商都不会仅仅将光源从灯泡换成 LED。他们通常会重新设计应用，以充分利用 LED 的优势，如更小的占地面积、即时开关和波长有效性。在设计此类消毒产品时，他们可以优化系统运行，从而降低WPE参数对能耗的影响。

图2. 水消毒应用中常见目标微生物的吸收曲线。

WPE对POE水消毒系统的影响

Crystal IS解释，可以使用住宅 POU水消毒系统设计进行WPE和运营成本比较。对总拥有成本的影响是消费者POU应用的共同优势，因为LED只在消毒时工作，汞灯系统将以空闲模式或灯管循环模式运行，以减少灯管预热时间对用户的影响。

如使用 11W灯泡的系统在空闲模式下可能只消耗5.5W。该系统有可能在10%的时间里全功率运行，其余90%的时间处于空闲模式。按此计算，该系统每年从大楼供电系统中消耗的电量将略高于53kWh。

如果采用基于LED的设计来考虑相同的系统性能，就可以评估几种不同WPE的LED的年能源成本（见下表），可以假设相同的工作时间-----10% 开启/90% 空闲-----但通常情况下，当基于LED的系统处于空闲状态时，光源不会消耗电能。

这意味着从灯管系统转向UVC系统，可为最终用户节省30%至70% 的能源成本，具体取决于所采用的 UVC LED。然而，将WPE从5% 提高到 6%，每年节省的费用还不到1 美元。虽然从灯泡改用LED具有其他可持续发展优势，但分立式LED的WPE对最终用户的影响微乎其微，尤其是在目前市售 UVC-LED的WPE范围内。对于5至12加仑/分范围内的低流量 POE市场而言，5%的WPE似乎是更广泛市场应用的门槛。

Crystal IS指出，有关WPE的设计讨论通常围绕减少LED数量和降低热负荷，以降低原始设备制造商的整体系统成本。这与WPE的关系不大，更多的是所采用的消毒功率的效率，即在目标波长下总UVC功率对目标微生物的影响。

回到表中，因为UVC-LED的B和C具有非常接近的WPE，然后可以比较使用这些LED的两种系统设计的消毒性能和成本。具有5% WPE的LED B在265nm的功率输出为160mW，而具有6% WPE的LED C在275nm处功率输出为140mW。针对大肠杆菌的系统需要LED C封装多20%的功率才能满足与使用LED B的系统相同的消毒性能。尽管WPE和最终用户的年度运营成本可能有好处，但当考虑整个系统中的LED预算，LED B是更具吸引力的选择。

图3.UVC-LED 尺寸保持不变，但输出功率和WPE在过去几年中性能有所提高。

UVC-LED扩大到大流量连续消毒的注意点

在当前围绕使用点、分配点和低流量POE应用的可处理应用中，现有的商用UVC-LED性能符合原始设备制造商的要求，包括WPE性能。但在工业水处理领域，特别是在间歇运行的饮料和药品加工及分配设备中，已有一些早期应用，这些行业希望利用LED的其他主要优势，如减少计划外维护，从而抵消系统成本的增加。

Crystal IS认为，随着对市政和污水处理应用中更高流量使用案例的关注，WPE可能会变得更加重要。传统的大型系统使用大量灯管，消耗大量能源，因此在开发此类系统时，能效可能比其他参数更重要。

目前业界才刚刚开始将基于UVC- LED的设备用于市政和污水处理等应用，而早期的采用者已经开始重新设计典型的反应器。例如，新的LED系统正在采用外部冷却方法，而不是像传统系统那样使用工艺水。该领域的领导者将继续挑战传统的污水和市政反应器设计，以利用UVC-LED就像POU和POE OEM目前所做的那样，随着系统部署服务于更多的人口，将发挥更大的效益。

来源：ledsmagazine、行家说UV翻译整理

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