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现实中的照明技术
信息时代,人们生活在一个崭新的生存环境中,体现着绿色环保和高效快捷的鲜明特征。绿色工程环保思潮在全球范围内,深入社会生活的不同层面。“绿色照明工程”计划,旨在发展和推进高效照明,节约和控制照明用电,形成高效照明、环境舒适、减少污染的新型照明体系,这项工程从1992年开始着手、逐步实施,首先从欧洲开始,而后是美国和加拿大,进而发展到东亚地区。确实,随着经济发展和社会进步,人们对光源的要求逐渐以70年代的照明经济型,80年代照明的功能性,向90年代照明的舒适性、艺术性和环保性发展,人们对照明的要求不仅局限于足够的照度和明亮的光线,而且希望拥有理想的效果和轻松的感受。
在绿色照明工程的历程中,新一代光源——微波硫蒸气放电灯业已研制成功,正待进一步产业化和市场化。1994年硫灯一经问世,立即成为国际照明界关注的焦点。该光源的开发成功及真正步入商品市场,很可能使光源的研究、生产和应用,开创一个崭新的局面,从而引起划时代的革命性变革,在光源发展史上留下鲜明的标识。
1 新型高效节能硫灯的结构特征和工作原理
真正意义上的硫灯产品诞生于1994年10月,首先由美国能源部公开宣布,一种划时代的新光源及光学纤维网络照明系统开始投入使用。它的诞生,被称作21世纪电光源史上的重大变革。现在硫灯正工作于美国首都华盛顿林荫广场前的福里斯特大厦,以及史密森国立航空航天博物馆使用。此外,世界其它地方也都在积极策划和研究使用硫灯的具体方案,希望早出成果。
新一代硫灯结构新颖、小巧玲珑,外部呈球状,直径为30~50 mm,因功率不同而略有差别,很像一只乒乓球 ,又如一只豪华的高尔夫球。外壳由石英材料构成,内部充有惰性气体,如氩(Ar)、氪(Kr),同时还有精确计量的特殊化学成分,如硫(S)、硒(Se)。灯内不存在电极和灯丝,也不需要电子发射材料,因此其使用寿命极长,在原理上光源部分可以是无限长,而主要取决于微波射频系统的工作情况,即磁控管的寿命,综合而言,硫灯的寿命可达六万小时。
在工作机理上,硫灯具有划时代的变革意义,它以硫硒作为气体放电的工作介质,在微波射频的作用下,硫将发生电离现象,形成一种结构特殊的中间物质——双原子的硫分子或二聚物。此时,它处于能量很高的能级状态,这是一种结构不稳定的临时中介质,很快它便会向低能态跃迁,实现回复过程,其间可以辐射出一种宽阔而连续的能量,称之为分子辐射。与传统的原子辐射现象不同,它具有十分特殊之处,即硫分子的辐射能非常集中,几乎全部会聚于电磁波谱的可见光部分;辐射出一种均匀的类似太阳光的可见光线,光谱丰富、分布均匀,符合人眼的视觉灵敏度曲线,感觉的确好极了。
现在美国华盛顿的科学家们又研制成功了一种系列新品——射频(RF)硫灯,结构更加合理、性能更加优越,成为人们理想中的低功率光源,其成功在于采用射频代替微波,实现了系统的小型化和低功率化,使用更方便、性能更优越。
2 新型高效节能硫灯的技术参数和工艺特征
作为一种概念全新的光源,节能硫灯代表了当今世界照明工程和光源技术的最新成果,由于其独特的内部构造和新颖的工作原理,从而在技术性能上大大优于传统的白炽灯、荧光灯、高压汞灯、高压钠灯等光源,并具备以下特点:
2.1 绿色环保更加理想
硫灯内不再需要汞(Hg)蒸汽作为工作介质,而是选择了硫(S)、硒(Se),克服了液汞、汞蒸气对环境的严重污染,而且也避免了现场使用中因不慎造成的汞危害。同时,硫灯谱线分布均匀,成分合理,不含杂乱的紫外光线辐射。这样在照明燃点中,不再像传统光源,如荧光灯、高压汞灯那样存在明显的光污染,因而大幅度减少了环境中的紫外辐射。保护了人体,优化了工作环境、净化了生存空间。
2.2 节能效果更加明显
可以达到120 lm/W,甚至能超过200 lm/W,高出传统光源很多倍,从而在相同照明效果的前提下,消耗功率大幅度降低,光效是白炽灯的20倍,是普通荧光灯的10倍。一只
1 000 W硫灯的实际发光效果,可以替代400 只60 W白炽灯,或300 只40 W普通荧光灯。因而硫灯是光效最高的高品质光源。
2.3 显色性能更加良好
硫灯的显色指数Ra可以维持在90的水平,明显优于传统光源,其颜色模拟太阳光,发光谱线分布连续均匀,几乎没有任何失真。研究结果显示,随灯内硫蒸汽饱和气压的升高和功率的增加,硫灯输出光谱开始向红色区域移动,但光输出能量曲线形状保持稳定。峰值在500 nm附近,与自然光连续光谱重合,而呈现出纯正的白色光。
2.4 使用寿命更长久
由于硫灯内部不存在电极和灯丝,也不需要电子发射材料,因而它具有超长的寿命,可以达到60 000 h,是传统光源的20倍,显现极强的技术优势。这样就延长了照明光源的使用周期,节约了相应的维修更新的费用和时间,同时也从根本上加强了照明的可靠性和安全性,充分保证了现代化社会对照明的特殊要求。
2.5 制造工艺简便易行
由于硫灯在结构上的特殊性,使得其在加工制造过程中避免了传统光源的许多繁琐工艺,无需考虑玻璃、石英材料、陶瓷材料与金属导丝的封接技术,也不再存在绷丝、装架、封接、涂粉、阴极处理等工序。它的制作过程主要在于:
(a)密封石英腔体内高真空度的获得和稳定;
(b)硫、硒、氩、氪化学成分的高纯度保证及精确注入量的控制;
(c)激励系统的技术优化、结构完善,以及性能提高。
这样,制造工艺变得异常简单,方便易行,工作环境干净卫生,不再有荧光粉尘和汞污染。因此在不久的将来,硫灯生产工厂中将出现全新面貌,传统意义上的电光源企业将成为历史。硫灯将成为未来的主导光源。
表1 高效节能硫灯的技术参数和工艺指标
光源型号/W | 流明输出/klm | 光源尺寸/mm | 显色指数/Ra | 相关色温/K | 色座标
(X , Y) | 光效/lm/W | 寿命/kh | 500 | 60 | φ50 | 90 | 6 500 | 0.37 0.38 | 120 | 60 | 750 | 90 | φ50 | 90 | 6 500 | 0.35 0.36 | 120 | 60 | 1 000 | 150 | φ50 | 90 | 6 500 | 0.37 0.34 | 150 | 60 | 2 000 | 360 | φ40 | 90 | 6 500 | 0.37 0.35 | 180 | 80 | 3 000 | 540 | φ40 | 90 | 6 500 | 0.34 0.38 | 180 | 80 | 6 000 | 1 200 | φ30 | 90 | 6 500 | 0.37 0.35 | 200 | 100 |
3 硫灯的技术研究和开发历程
在硫灯产品公开现场展示,正式向世人公布之前,早在90年代中期,通过对国际电光源技术发展趋势的研究分析,我们便认定了新型节能光源的潜在市场,以及硫灯的巨大生命力。于是组织了专门的课题研究小组,进行工艺技术攻关,为日后可能的大规模生产准备技术资料,探索工艺途径,积累实践径验。特别是在1994年硫灯作为样灯在美国开始投入使用后,我们更加坚定了自己的信念,并加快了工作步伐,努力将设想中、图纸上的构思转化成现实生产力。经过长期努力,现已在关键技术上获得了突破性进展,先后完成了以下研究课题:
(a)高效节能硫灯内部结构和工作机理的研究。
(b)硫灯激励技术,包括微波激励、射频激励的研究。
(c)高效节能硫灯加工工艺和制造技术的研究。
(d)硫灯真空系统、内部特殊化学成份的控制和处理技术。
(e)高效节能硫灯微波激励系统和射频激励系统的设计优化和性能完善。
(f)高效节能硫灯工作稳定性、启动特性、装置系统小型化、耦合系数和光效问题的研究。
4 新型光纤网络在绿色照明工程中的推广应用
高效硫灯同光纤网络的有机结合,威力无比、作用巨大、前程光明,在科学家们的幻想中,神奇而美妙。光纤照明作为一种崭新的工作方式,以其高效节能的优点,而将在绿色照明工程中占据一席之地。早在上个世纪80年代,照明工程师威廉*惠勒提出一个十分大胆的“管道照明”设想:通过一系列排列有序、有机组合而成的内壁涂有高效反光层的金属管道,光线像自来水般流向千家万户,深入人们生活的每个角落。
随现代科学技术的迅猛发展,这一理想化的构思日渐萌发出可行性。尤其是本世纪70年代,出现了低损耗、高效率的玻璃光学纤维,真正意义上的光纤照明开始在科学家的实验室里成为现实。80年代初期,美国杜邦化学公司首先研制成功超细塑料光学纤维,并将技术转让给日本三菱公司,因此出现了光纤的规模生产和应用。
光纤照明可广泛应用在诸多的公共场合,因其光源和电源远离照明区域,可适用于阴暗潮湿、蒸汽弥漫,以及易燃易爆的特殊地点,又因其光线中不含红外和紫外成分,特别适合于博物馆、图书馆、艺术走廊和庙宇的文物艺术收藏品照明。总之,光纤照明在现代生活中作用巨大、威力无比,洋溢无限生机,充满希望光泽。
同时,光纤网络同微波硫灯的有机结合,功能将更完善、效果将更理想。硫灯不仅可在城市街道、广场、工厂、大厅中使用,而且借助于光纤传输技术、硫灯照明还可以步入家庭。在一幢摩天大楼、一处居民小区,可集中建立一个供光点,在全封闭的环境中燃点一只或数只硫灯,如同一部性能卓越的发电机,光通过一束束光纤,像电流一样流向千家万户,所以人们又送给它一个响亮的称号——发光机或光引擎。
5 新型高效节能硫灯和光纤网络照明的发展趋势
硫灯技术和光纤网络的演化历程,浓缩了现代科技的最新成果,代表了当代照明专业的发展动态,将成为本世纪末,乃至21世纪照明领域的主导形式,显示着国际光源技术的发展方向和潮流。其中,硫灯以其独特的内部构造和优越的工作机理,以其诸如节能显著、颜色逼真、寿命超长、光效理想、强度极大,及装置简单、操作方便等优良性能,显示出强大的生命力。
于是,在中国绿色照明工程的实施中,我们就应该对此予以足够的重视,加大硫灯的研制开发和推广应用的力度,加速其产业化市场化的步伐;并与光纤网络同步推进、相辅相成。因为我们有充分的理由相信,将其列为绿色照明光源的首选对象之一,是完全正确的。可以预期,到21世纪初期,硫灯必将走出实验室、完成中试阶段,从而作为正式商品投放市场,占据可观的份额,走进千家万户,从根本上取代传统的热辐射类型白炽灯、及低饱和蒸气压气体放电类型荧光灯,同时还将取代目前国内市场很走俏的紧凑型荧光灯整灯。
由于硫灯的成功介入,一个概念全新、内容充实的消费市场必将出现,孕育无限生机,行业面貌为之一新。其中,光纤网络和硫灯技术更是一枝独秀,成为公众关注的焦点,并将以主导产品的地位。成为市场的主流消费的中心。由此将形成新的经济增长点;带动和促进一大批相关产品的兴起和发展,成为利润和效益的新源头,推动行业景气和区域经济的兴旺发达蒸蒸日上。
6 结束语
从应用技术和配套水平而言,硫灯作为一种崭新的高科技产品,由于诞生仅有两年多时间,因而不免存在很多缺陷和不足,在工艺指标和应用能力上有待进一步提高和完善,现在还只是作为样灯在试用,与大规模产业化生产,以及以成熟电子消费品的身份走向现实市场,都还有一定的距离,需要进一步研究。
绿色工程在照明领域的延伸和推广,对提高照明水平、改善人民生活环境、提高产品质量、促进技术开发和创新进步,都将起到积极的推动作用。
所以,高效节能硫灯代表着新一代的照明技术,在绿色环保工程中必须引起足够的重视,并同光纤网络的建设同步进行。为推动产品在技术上的成熟、在市场中的全面拓展,为促进中国绿色照明工程的实施,建议将硫灯技术和光纤网络列为21世纪初绿色光源的首选对象。 |
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