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照明的发展趋势


   住宅与商业照明要消耗美国今天电力的20%。虽然CFL是提高效率和降低功耗的*佳选择,但HB LED技术也在取得进步。不过两种技术各有缺陷,而且都有赖于电子电路、制造和热量管理的改进。
  要点
  CFL灯泡早期有提前失效的记录,必须将它们与应用小心配合。
  有些用户担心CFL灯泡使用的水银,它对环境有影响,并且灯泡的破碎有可能产生危害。
  CFL制造商已减少了灯泡中的水银用量,他们开发了一种填充灯管的粒化方法,能够更**地控制水银的添加量。他们还开发了能防止水银黏附的磷光涂层。
  
SSL中的HB LED要对抗热量管理的挑战,并且价格过高。
  白炽灯泡长期内仍会使用。
  DORS在数秒内用快速开/关动作调光,实现100%亮度至66%和33%亮度的调节,*多能调到5%。该技术是控制智能从建筑结构向照明灯泡迁移的例证。

  消费者和企业都渴望能削减能源成本与降低能源的使用,因而在探索更高效的照明方案。到2012年,美国将开始执行由2007年EISA(能源独立与**法案)规定的**阶段能效标准,并开始分阶段结束白炽灯的使用(参考文献1)。短期内,CFL(微型荧光)灯泡将成为白炽灯*普遍的替代品,而卤素灯泡是未来的**选择。制造商也开始部署采用HBLED(高亮度发光二极管)的SSL(固态照明),面向可以用SSL的高价换取效率和耐用性的应用。

  不过,CFL和SSL都有缺点。CFL以前就有过早失效的历史,并且必须小心地与应用相配合,包括开灯时间和灯泡方向。另外,有些用户担心灯泡中使用的水银,它对环境有影响,担心灯泡的破损会带来危害。另一方面,SSL中的HBLED则要应对热量管理的挑战,以及总体上高昂的价格。所幸,这两种照明光源都可以通过新电路、芯片和散热器件以及制造的进步而获得好处。

  关注成本的消费者*近转向CFL以缩减自己的能源账单。CFL现在占用户所购家用照明灯泡的20%,这个数字会继续增长,因为EISA设定了*低照明能效标准。关于EISA的一个普遍误解是它会在2012年后禁止白炽灯的销售。能源之星照明计划经理AlexBaker解释说:“(EISA)并未明确地禁止白炽灯……它设定了性能门槛。如果你能做出满足这些性能门槛的白炽灯,那么就可以继续销售它们。”

  Baker给出了更高能效光源的分阶段时间表:2012年,EISA要求100W白炽灯的每瓦流明数增加约25%。2013年这个要求将适用于75W灯泡,而到2014年适用于60W灯泡。

  这些限制只适用于中号螺口的传统爱迪生式灯泡。EISA并不限制很多其它灯泡的销售,如采用烛台型灯座的白炽灯、用于浴室盥洗台的球形灯泡、一般照明灯泡或改变光谱的灯泡,如GE公司的Reveal系列。Baker说:“白炽灯的大规模退出仍要很多年”

  美国于2007年通过EISA以后,GE曾发誓要开发一种符合标准的HEI(高能效白炽灯)灯泡。然后,在2008年11月,该公司宣布暂停了HEI灯泡的开发,把注意力集中在LED和OLED(有机LED)照明,因为这两种技术有超越其它能效技术如荧光灯的潜能,并且还有寿命长和耐用等额外好处(参考文献2)。

GE公司*近放弃了开发一款满足EISA能效要求白炽灯的努力。考虑到审美问题,它*新的Energy Smart CFL硬是将常见的CFL螺旋管塞入了更为熟悉的白炽灯外壳中

  尽管专注于LED和OLED照明,GE公司仍看好CFL的未来,并由其推出的EnergySmartCFL系列产品所证明(图1)。CFL具有一个压倒性的优势,即它们价格低且容易得到。不过,CFL也有自己的反对者,主要分为两大类:一些人反对CFL的原因是它们含有少量水银,还有一些人置疑它的性能。

  水银问题很复杂。CFL使用一种充有加压水银蒸气的管子。CFL的内部镇流器转换交流电压,产生一个通过水银蒸气的电弧,电弧导致UV(紫外)辐射,撞击管子内壁的磷光涂层。磷光涂层将UV光转换为可见的“白”光。早期CFL使用相对较多的水银,每只灯泡水银量经常超过10mg。向管中注入自然水银的给料办法相对粗糙:能源之星的Baker把它比作用一支医用滴管加液体。这个过程很难控制,制造商宁可多加。另外过一段时间后,水银蒸气会与管内壁上的磷光粉粘结在一起,而只有蒸气形式的水银才能辐射UV光。

  CFL制造商开发了一种向管中注水银的颗粒方法,减少了管中需要的水银量,并可以更**地控制加入量。他们还开发了能防止水银粘结的磷光涂层。据Baker说,有些CFL制造商已表示1.5mg的水银接近于理论*低值。能源之星现在的标准是CFL*大水银量为5mg。

  欧洲照明制造商Megaman公司称它的“无液态水银”系列CFL能在100℃大气压下保持一种汞合金态。一般情况下,由于管中是加压的,水银在室温下呈蒸气态。Megamn公司称汞合金不会污染水或垃圾填埋场。

  现在对于多少含量水银才算有毒并没有正式定义。研究人员的大多数研究主要是针对甲基汞,甲基汞是水银在水中的一种*终形态,*终会存在于鱼体内。由于胎儿正在发育的神经系统对水银特别敏感,因此美国FDA(食品与**管理局)与EPA(环境保护署)已发布了针对孕妇的警告,限制她们食用特定水域中某些种类的鱼。不过,即使对这些限制也有争论:鉴于吃鱼有利于总体健康,因此FDA*近放松了对孕妇应食用多少鱼的立场。反对者称FDA是受到了来自农业方面的压力。这些观点的冲突突显出一个事实,即现在对甲基汞、元素汞或汞蒸气都不存在严格和持久的规定。如果你关心CFL破碎后的水银危害,能源之星的网站提供了详细的清理指导方法(参考文献3)。
使用CFL确实可以减少释放到环境中的水银量吗?也许吧。煤是美国和其它多数国家发电的来源;燃煤发电会向大气释放汞。为一只白炽灯整个生命周期提供电能会释放10mg汞,相比之下一只CFL的含汞量*大为4mg。有些地区(如加州)采用水力发电和天然气发电,因此加州转换到CFL不会减少汞的排放。另一方面,当加州的电力需求超出其发电能力时,该州会通过北美电网从外面几个州获得能源,包括煤炭。CFL较高能效所带来的节能效果依然保持:假设CFL的寿命为1万小时,电力价格为每小时13美分,则CFL用户在一支CFL的生命周期内可以节省15美元~60美元以上。节省15美元的前提是只有2千小时寿命。

  虽然有这些优点,但该技术的反对者通常会抱怨这种灯泡达不到宣称的长寿命,还有它发出的“冷色”荧光。CFL过早失效的主要原因是与应用配合不当。灯泡垂直向上的台灯是维持CFL长寿命的的一种理想应用,台灯基座内的电路处在上升热气流之外,灯泡不被封闭,这样热量就不会聚集,而且灯泡每次点亮会持续数分钟。在某种**应用环境中,灯泡会装在天花板上的封闭灯罩内,用户会频繁开关灯。为解决有关CFL寿命短的问题,能源之星建立了一个灯泡查找指南,帮助用户为自己的应用找到正确的灯泡(参考文献4)。

  标准CFL不适用于家用的调光开关控制灯,因为这些开关一般采用可控硅切相调光电路。可控硅调光开关很适用于阻性负载,如白炽灯,但对容性负载则性能**,如CFL。将可控硅调光开关与普通CFL结合使用,会立即损坏灯泡,或大大缩短灯泡的使用寿命。多数主要CFL制造商现在都提供一种专门的可调光CFL灯泡。

  国际整流器公司(IR)的DIM8镇流器控制半桥驱动器减少了CFL调光控制电路的元器件数量,这些电路必须装入空间有限的CFL灯底座。DIM8增加了一个微控制器,起价为1.09美元(1万片批量),可以作为CFL内的调光控制器。它使用户能用一个标准的电灯开关调整光线,而不需要增加接线或修改接线。这种DORS(随机调光开关)方案是在很短时间内用快速开/关动作调光,可从100%亮度调到66%、33%,*终达5%。关灯3秒以上再打开就重置为全亮。DORS表明控制智能在从建筑结构向灯泡迁移。

  CFL兼有省钱、符合政府规定以及高效等优点,吸引了住宅和办公用光源的购买者转向更高效的照明。不过,CFL不是**高效的光源。SSL采用的HB LED效率可以与CFL相同;它有丰富的色彩,有寿命及封装潜力,已开始进入办公室、影剧院、家庭和城市街道等照明应用领域。

  标准中小功率LED用作指示灯:它们的发光量只足以吸引对系统状态的注意,一般耗电在20mA~40mA。HBLED的耗电一般在350mA~1.5A。例如,Cree公司的XlampXP-E冷白色HBLED在350mA时提供114流明~122流明亮度。SSLHBLED的寿命超过25000小时,如以每天开3小时计算,大约是22年。对要求坚固或更换灯泡比较困难以及成本高的应用(如路灯),它们是很好的选择。美国德州Austin、阿拉斯加州Juneau以及纽约州的Raleigh都已转而采用LED路灯,以缩减能源账单和维护成本。

  SSL器件中的几个部分—— HB LED,AC/DC和DC/DC电源转换电路,它会降低效率10%~15%,以及冷却部件——它们都会降低光效,用每瓦流明表示。在空间不紧张的应用(如路灯)中,可以将一个HBLED芯片置于一个大铝块上,用于芯片的被动式散热。不过,家庭和办公室照明都有空间限制,因此SSL的散热是一个重要问题。

  LED中电子与空穴的结合有两种结果:辐射复合和无辐射复合。辐射复合产生一个光子,其能量是空穴电子对的带隙。无辐射复合不发光,而只是振荡LED晶格产生热量。

  虽然LED制造商不断调整自己的生产工艺,尽可能减少杂质以及所产生的无辐射复合,但杂质总是LED的一个主要发热源,尤其是当HBLED芯片尺寸增加时;较大芯片上缺陷的概率也加大。与白炽灯不同,LED不能以红外能量辐射热量。IR公司(红外)LED是一个例外,它的效率相对较高。还有一个问题,普通白炽灯泡插座的作用是绝缘体,而不是散热器。
另外,当LED温度升高时,它的每安培流明数与总能效会下降。长期运行在高温下的HBLED效率会降低,至少会出现少许颜色漂移,以及预期寿命的整体下滑。采用小型机电风扇是一个主动消除HBLED热量的方式,但它们需要额外的能量,降低了照明效率,带来了噪声,并且机械运动部件容易损坏,从而降低�%B

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