通用照明的發(fā)展趨勢

    住宅與商業(yè)照明要消耗美國今天電力的20%。雖然CFL是提高效率和降低功耗的最佳選擇，但HB LED技術(shù)也在取得進步。不過兩種技術(shù)各有缺陷，而且都有賴于電子電路、制造和熱量管理的改進。

　要點

　CFL燈泡早期有提前失效的記錄，必須將它們與應(yīng)用小心配合。
　有些用戶擔心CFL燈泡使用的水銀，它對環(huán)境有影響，并且燈泡的破碎有可能產(chǎn)生危害。
　CFL制造商已減少了燈泡中的水銀用量，他們開發(fā)了一種填充燈管的粒化方法，能夠更精確地控制水銀的添加量。他們還開發(fā)了能防止水銀黏附的磷光涂層。
　SSL中的HB LED要對抗熱量管理的挑戰(zhàn)，并且價格過高。
　白熾燈泡長期內(nèi)仍會使用。
　DORS在數(shù)秒內(nèi)用快速開/關(guān)動作調(diào)光，實現(xiàn)100%亮度至66%和33%亮度的調(diào)節(jié)，最多能調(diào)到5%。該技術(shù)是控制智能從建筑結(jié)構(gòu)向照明燈泡遷移的例證。

　消費者和企業(yè)都渴望能削減能源成本與降低能源的使用，因而在探索更高效的照明方案。到2012年，美國將開始執(zhí)行由2007年EISA（能源獨立與安全法案）規(guī)定的第一階段能效標準，并開始分階段結(jié)束白熾燈的使用（參考文獻1）。短期內(nèi)，CFL（微型熒光）燈泡將成為白熾燈最普遍的替代品，而鹵素燈泡是未來的第二選擇。制造商也開始部署采用HB LED（高亮度發(fā)光二極管）的SSL（固態(tài)照明），面向可以用SSL的高價換取效率和耐用性的應(yīng)用。

　不過，CFL和SSL都有缺點。CFL以前就有過早失效的歷史，并且必須小心地與應(yīng)用相配合，包括開燈時間和燈泡方向。另外，有些用戶擔心燈泡中使用的水銀，它對環(huán)境有影響，擔心燈泡的破損會帶來危害。另一方面，SSL中的HB LED則要應(yīng)對熱量管理的挑戰(zhàn)，以及總體上高昂的價格。所幸，這兩種照明光源都可以通過新電路、芯片和散熱器件以及制造的進步而獲得好處。

　關(guān)注成本的消費者最近轉(zhuǎn)向CFL以縮減自己的能源賬單。CFL現(xiàn)在占用戶所購家用照明燈泡的20%，這個數(shù)字會繼續(xù)增長，因為EISA設(shè)定了最低照明能效標準。關(guān)于EISA的一個普遍誤解是它會在2012年后禁止白熾燈的銷售。能源之星照明計劃經(jīng)理Alex Baker解釋說：“（EISA）并未明確地禁止白熾燈……它設(shè)定了性能門檻。如果你能做出滿足這些性能門檻的白熾燈，那么就可以繼續(xù)銷售它們。”

　Baker給出了更高能效光源的分階段時間表：2012年，EISA要求100W白熾燈的每瓦流明數(shù)增加約25%。2013年這個要求將適用于75W燈泡，而到2014年適用于60W燈泡。

　這些限制只適用于中號螺口的傳統(tǒng)愛迪生式燈泡。EISA并不限制很多其它燈泡的銷售，如采用燭臺型燈座的白熾燈、用于浴室盥洗臺的球形燈泡、一般照明燈泡或改變光譜的燈泡，如GE公司的Reveal系列。Baker說：“白熾燈的大規(guī)模退出仍要很多年”

　美國于2007年通過EISA以后，GE曾發(fā)誓要開發(fā)一種符合標準的HEI（高能效白熾燈）燈泡。然后，在2008年11月，該公司宣布暫停了HEI燈泡的開發(fā)，把注意力集中在LED和OLED（有機LED）照明，因為這兩種技術(shù)有超越其它能效技術(shù)如熒光燈的潛能，并且還有壽命長和耐用等額外好處（參考文獻2）。

    盡管專注于LED和OLED照明，GE公司仍看好CFL的未來，并由其推出的Energy Smart CFL系列產(chǎn)品所證明（圖1）。CFL具有一個壓倒性的優(yōu)勢，即它們價格低且容易得到。不過，CFL也有自己的反對者，主要分為兩大類：一些人反對CFL的原因是它們含有少量水銀，還有一些人置疑它的性能。

　水銀問題很復雜。CFL使用一種充有加壓水銀蒸氣的管子。CFL的內(nèi)部鎮(zhèn)流器轉(zhuǎn)換交流電壓，產(chǎn)生一個通過水銀蒸氣的電弧，電弧導致UV（紫外）輻射，撞擊管子內(nèi)壁的磷光涂層。磷光涂層將UV光轉(zhuǎn)換為可見的“白”光。早期CFL使用相對較多的水銀，每只燈泡水銀量經(jīng)常超過10mg。向管中注入自然水銀的給料辦法相對粗糙：能源之星的Baker把它比作用一支醫(yī)用滴管加液體。這個過程很難控制，制造商寧可多加。另外過一段時間后，水銀蒸氣會與管內(nèi)壁上的磷光粉粘結(jié)在一起，而只有蒸氣形式的水銀才能輻射UV光。

　CFL制造商開發(fā)了一種向管中注水銀的顆粒方法，減少了管中需要的水銀量，并可以更精確地控制加入量。他們還開發(fā)了能防止水銀粘結(jié)的磷光涂層。據(jù)Baker說，有些CFL制造商已表示1.5 mg的水銀接近于理論最低值。能源之星現(xiàn)在的標準是CFL最大水銀量為5 mg。

　歐洲照明制造商Megaman公司稱它的“無液態(tài)水銀”系列CFL能在100℃大氣壓下保持一種汞合金態(tài)。一般情況下，由于管中是加壓的，水銀在室溫下呈蒸氣態(tài)。Megamn公司稱汞合金不會污染水或垃圾填埋場。

　現(xiàn)在對于多少含量水銀才算有毒并沒有正式定義。研究人員的大多數(shù)研究主要是針對甲基汞，甲基汞是水銀在水中的一種最終形態(tài)，最終會存在于魚體內(nèi)。由于胎兒正在發(fā)育的神經(jīng)系統(tǒng)對水銀特別敏感，因此美國FDA（食品與藥物管理局）與EPA（環(huán)境保護署）已發(fā)布了針對孕婦的警告，限制她們食用特定水域中某些種類的魚。不過，即使對這些限制也有爭論：鑒于吃魚有利于總體健康，因此FDA最近放松了對孕婦應(yīng)食用多少魚的立場。反對者稱FDA是受到了來自農(nóng)業(yè)方面的壓力。這些觀點的沖突突顯出一個事實，即現(xiàn)在對甲基汞、元素汞或汞蒸氣都不存在嚴格和持久的規(guī)定。如果你關(guān)心CFL破碎后的水銀危害，能源之星的網(wǎng)站提供了詳細的清理指導方法（參考文獻3）。

使用CFL確實可以減少釋放到環(huán)境中的水銀量嗎？也許吧。煤是美國和其它多數(shù)國家發(fā)電的來源；燃煤發(fā)電會向大氣釋放汞。為一只白熾燈整個生命周期提供電能會釋放10mg汞，相比之下一只CFL的含汞量最大為4 mg。有些地區(qū)（如加州）采用水力發(fā)電和天然氣發(fā)電，因此加州轉(zhuǎn)換到CFL不會減少汞的排放。另一方面，當加州的電力需求超出其發(fā)電能力時，該州會通過北美電網(wǎng)從外面幾個州獲得能源，包括煤炭。CFL較高能效所帶來的節(jié)能效果依然保持：假設(shè)CFL的壽命為1萬小時，電力價格為每小時13美分，則CFL用戶在一支CFL的生命周期內(nèi)可以節(jié)省15美元~60美元以上。節(jié)省15美元的前提是只有2千小時壽命。

　雖然有這些優(yōu)點，但該技術(shù)的反對者通常會抱怨這種燈泡達不到宣稱的長壽命，還有它發(fā)出的“冷色”熒光。CFL過早失效的主要原因是與應(yīng)用配合不當。燈泡垂直向上的臺燈是維持CFL長壽命的的一種理想應(yīng)用，臺燈基座內(nèi)的電路處在上升熱氣流之外，燈泡不被封閉，這樣熱量就不會聚集，而且燈泡每次點亮會持續(xù)數(shù)分鐘。在某種不良應(yīng)用環(huán)境中，燈泡會裝在天花板上的封閉燈罩內(nèi)，用戶會頻繁開關(guān)燈。為解決有關(guān)CFL壽命短的問題，能源之星建立了一個燈泡查找指南，幫助用戶為自己的應(yīng)用找到正確的燈泡（參考文獻4）。

　標準CFL不適用于家用的調(diào)光開關(guān)控制燈，因為這些開關(guān)一般采用可控硅切相調(diào)光電路。可控硅調(diào)光開關(guān)很適用于阻性負載，如白熾燈，但對容性負載則性能不良，如CFL。將可控硅調(diào)光開關(guān)與普通CFL結(jié)合使用，會立即損壞燈泡，或大大縮短燈泡的使用壽命。多數(shù)主要CFL制造商現(xiàn)在都提供一種專門的可調(diào)光CFL燈泡。

　國際整流器公司（IR）的DIM8鎮(zhèn)流器控制半橋驅(qū)動器減少了CFL調(diào)光控制電路的元器件數(shù)量，這些電路必須裝入空間有限的CFL燈底座。DIM8增加了一個微控制器，起價為1.09美元（1萬片批量），可以作為CFL內(nèi)的調(diào)光控制器。它使用戶能用一個標準的電燈開關(guān)調(diào)整光線，而不需要增加接線或修改接線。這種DORS（隨機調(diào)光開關(guān)）方案是在很短時間內(nèi)用快速開/關(guān)動作調(diào)光，可從100%亮度調(diào)到66%、33%，最終達5%。關(guān)燈3秒以上再打開就重置為全亮。DORS表明控制智能在從建筑結(jié)構(gòu)向燈泡遷移。

　CFL兼有省錢、符合政府規(guī)定以及高效等優(yōu)點，吸引了住宅和辦公用光源的購買者轉(zhuǎn)向更高效的照明。不過，CFL不是唯一高效的光源。SSL采用的HB LED效率可以與CFL相同；它有豐富的色彩，有壽命及封裝潛力，已開始進入辦公室、影劇院、家庭和城市街道等照明應(yīng)用領(lǐng)域。

　標準中小功率LED用作指示燈：它們的發(fā)光量只足以吸引對系統(tǒng)狀態(tài)的注意，一般耗電在20mA~40mA。HB LED的耗電一般在350mA~1.5A。例如，Cree公司的Xlamp XP-E冷白色HB LED在350mA時提供114流明~122流明亮度。SSL HB LED的壽命超過25000小時，如以每天開3小時計算，大約是22年。對要求堅固或更換燈泡比較困難以及成本高的應(yīng)用（如路燈），它們是很好的選擇。美國德州Austin、阿拉斯加州Juneau以及紐約州的Raleigh都已轉(zhuǎn)而采用LED路燈，以縮減能源賬單和維護成本。

　SSL器件中的幾個部分—— HB LED，AC/DC和DC/DC電源轉(zhuǎn)換電路，它會降低效率10%~15%，以及冷卻部件——它們都會降低光效，用每瓦流明表示。在空間不緊張的應(yīng)用（如路燈）中，可以將一個HB LED芯片置于一個大鋁塊上，用于芯片的被動式散熱。不過，家庭和辦公室照明都有空間限制，因此SSL的散熱是一個重要問題。

　LED中電子與空穴的結(jié)合有兩種結(jié)果：輻射復合和無輻射復合。輻射復合產(chǎn)生一個光子，其能量是空穴電子對的帶隙。無輻射復合不發(fā)光，而只是振蕩LED晶格產(chǎn)生熱量。

　雖然LED制造商不斷調(diào)整自己的生產(chǎn)工藝，盡可能減少雜質(zhì)以及所產(chǎn)生的無輻射復合，但雜質(zhì)總是LED的一個主要發(fā)熱源，尤其是當HB LED芯片尺寸增加時；較大芯片上缺陷的概率也加大。與白熾燈不同，LED不能以紅外能量輻射熱量。IR公司（紅外）LED是一個例外，它的效率相對較高。還有一個問題，普通白熾燈泡插座的作用是絕緣體，而不是散熱器。

另外，當LED溫度升高時，它的每安培流明數(shù)與總能效會下降。長期運行在高溫下的HB LED效率會降低，至少會出現(xiàn)少許顏色漂移，以及預期壽命的整體下滑。采用小型機電風扇是一個主動消除HB LED熱量的方式，但它們需要額外的能量，降低了照明效率，帶來了噪聲，并且機械運動部件容易損壞，從而降低了可靠性。HB LED的理想冷卻產(chǎn)品必須具有小巧、高效、安靜和高可靠性的特點。

　　一種方法是Nuventix公司用于其SynJet無風扇冷卻器的合成射流（synthetic-jet）設(shè)計。SynJet需要的電流遠小于一只電機，采用5V電源工作。冷卻器使用一個電磁耦合的隔膜，通過極小的噴嘴脈動出高速空氣射流。一旦氣體離開噴嘴，就會裹挾周圍的空氣與它一起拉動空氣，這很像龍卷風拉動周圍的空氣。

　Nuventix公司提供用于HB LED裝置的標準SynJet產(chǎn)品，一種是MR-16結(jié)構(gòu)，另一種類似于PAR-38式燈座。MR-16和PAR式結(jié)構(gòu)的散熱量分別可達約20W和50W。據(jù)Avnet公司電子營銷公司SSL與LED業(yè)務(wù)部Lightspeed總監(jiān)Cary Eskow稱，發(fā)光效率為80流明/瓦的獨立式HB LED可以提供數(shù)千流明亮度。SynJet小批量起價約為15美元（圖2）。

　被動散熱器也在尋求創(chuàng)新。Cool Innovations公司的展開式鰭片散熱器性能超過等效的直立式鰭片散熱器（參考文獻5）。一個1.5英寸高、1 英寸2的直立式鋁制鰭片散熱器的熱阻為16.14°C/W，而展開式同等散熱器的熱阻為12.65°/W，改善了22%。一個2英寸高、5平方英寸的直立式散熱器的熱阻為0.74°C/W，相比之下，展開式為0.64°C/W，降低了14%（圖3）。

　對SSL來說，要替代年久的白熾燈，并最終替代CFL，是一個難以應(yīng)對的挑戰(zhàn)。因為這一任務(wù)太過艱巨，美國能源署在去年5月為SSL開發(fā)建立了L Prize大獎，稱SSL“必須提供與被替換白熾燈相近的性能，包括色彩表現(xiàn)、光輸出、光分布，以及燈的形狀、大小、外形尺寸、外觀，以及工作環(huán)境。它們必須可靠，能通過普通市場渠道獲得，并且具備有競爭力的價格。”業(yè)界觀察人士現(xiàn)在預計該獎價值1千萬美元。

    參考文獻

    1. Sissine, Fred, “Energy Independence and Security Act of 2007: A Summary of Major Provisions,” Congressional Research Service, Dec 21, 2007.
    2. Hamilton, Tyler, “GE suspends development of 'high-efficiency incandescent,’” Clean Break, Nov 26, 2008.
    3. Energy Star Frequently Asked Questions.
    4. “Choose a Light Guide,” Energy Star.
    5. Conner, Margery, “Flared-pin heat sinks use natural convection to cool 'green’ applications,” EDN, Jan 22, 2009, pg 22. ■