無極熒光燈在不同環(huán)境中的應(yīng)用

陸恒

(河北寶石節(jié)能照明科技有限責(zé)任公司，石家莊050035)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源緊張問題已日益突出，而傳統(tǒng)發(fā)電方式造成嚴(yán)重的環(huán)境污染已經(jīng)影響到人類的生存與發(fā)展。因此，節(jié)約能源成為當(dāng)前社會(huì)面臨的迫切課題，針對(duì)于我國(guó)人口基數(shù)大的特點(diǎn)，從照明領(lǐng)域進(jìn)行節(jié)電是一個(gè)可以立竿見影的措施。在光源使用上，無極熒光燈和半導(dǎo)體光源(LED)并列為21世紀(jì)第四代新光源。經(jīng)過近幾年的推廣，無極熒光燈的技術(shù)水平得到了逐步提高，并且根據(jù)不同環(huán)境的特點(diǎn)，也發(fā)現(xiàn)了在每個(gè)領(lǐng)域內(nèi)無極熒光燈的使用優(yōu)勢(shì)，特別是滿足節(jié)電的同時(shí)能通過完善的照明方案達(dá)到一樣的照明效果，與傳統(tǒng)白熾燈、高壓鈉燈、金鹵燈相比，不僅表現(xiàn)出了高光效、低耗電、長(zhǎng)壽命、低光衰的特點(diǎn)，而且結(jié)合目前的太陽能、風(fēng)能等新能源成為社會(huì)關(guān)注度最高的節(jié)能照明光源。

1 無極熒光燈

1.1 無極熒光燈的工作原理［1］

無極熒光燈是綜合功率電子學(xué)、等離子體學(xué)、磁性料學(xué)等理論開發(fā)出來的高新技術(shù)照明產(chǎn)品。其工作原理為:電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生高頻能量，通過耦合器線圈在放電腔中感應(yīng)交變磁場(chǎng)，反過來又誘發(fā)電場(chǎng)，使燈泡內(nèi)的氣體雪崩電離形成等離子體，電子在電場(chǎng)中被加速后，與汞原子碰撞，使汞原子激發(fā)到高能極上，激發(fā)的汞原子從較高能極上返回基態(tài)時(shí)，發(fā)出紫外光子，紫外光子激發(fā)泡殼內(nèi)壁的熒光粉，產(chǎn)生可見光，如圖1所示。

1.2 無極熒光燈的產(chǎn)品特點(diǎn)

(1) 超長(zhǎng)壽命:傳統(tǒng)光源的燈絲和電極濺射是限制其壽命的關(guān)鍵因素，無極熒光燈內(nèi)沒有燈絲和電極，采用高頻電磁感應(yīng)耦合方式激勵(lì)發(fā)光，工作壽命長(zhǎng)達(dá)6萬小時(shí)以上(如圖2所示)。

圖1 頻率為2.65MHz的無極熒光燈

圖2 頻率為210kHz的無極熒光燈［2］

(2) 高效節(jié)能:系統(tǒng)發(fā)光效率為65～80 lm/W，中間視覺的視光效110～130 lm/W，且功率因數(shù)高達(dá)0.98以上，減少了無功消耗。

(3) 交直流工作:滿足太陽能照明工作要求，可直接采用直流供電，不需逆變器。

(4) 綠色環(huán)保:采用固態(tài)汞齊、無鉛玻璃、無鉛焊錫，且99%以上的材料可以回收利用，符合世界環(huán)保要求。

(5) 高顯色性:顯色指數(shù)大于80，光色柔和，呈現(xiàn)物體的自然顏色。

(6) 色溫可選:從2700～6500K，且有多款彩色燈泡可選。

(7) 無頻閃:不產(chǎn)生頻閃效應(yīng)危害，保護(hù)視力。

(8) 光衰小:2000h光通維持率為92%，20000h光通維持率為80%，60000h光通維持率75%。

(9) 瞬時(shí)啟動(dòng)和再啟動(dòng):即開即亮，頻繁開關(guān)次數(shù)可達(dá)20萬次以上。

(10) 工作溫度范圍大:采用汞齊技術(shù)，無需預(yù)熱，在－40～50℃范圍內(nèi)，均可正常啟動(dòng)和工作。

(11) 防震、防爆性能好:因?yàn)闊襞輧?nèi)沒有燈絲和電極，耐震性能好且點(diǎn)燈位置任意，燈泡點(diǎn)燃時(shí)表面溫度低，適合防爆場(chǎng)所。

1.3 無極熒光燈與其他光源參數(shù)對(duì)比

1.3.1 節(jié)能

無極熒光燈與其他光源相比的節(jié)能效果見表1。

表1 無極熒光燈的節(jié)能效果

1.3.2高顯色性

在相同照度下，采用顯色性好的光源，視亮度(主觀亮度)較高;采用顯色性差的光源，視亮度(主觀亮度)較低。若采用顯色性較差的光源時(shí)，應(yīng)相應(yīng)地提高照度水平，以提高視亮度。

表2 幾種常用光源的顯色指數(shù)

采用無極熒光燈照明時(shí)，良好的顯色性可以使同樣照度測(cè)試值情況下的視亮度提高，達(dá)到照明環(huán)境中工作高效、眼睛舒適的效果。

1.3.3 無頻閃

頻閃是光源工作時(shí)亮度隨電流變化而產(chǎn)生的波動(dòng)。在“閃爍”的光源下工作和學(xué)習(xí)，視覺系統(tǒng)會(huì)試圖不斷調(diào)節(jié)，做到保證視網(wǎng)膜上光照度的穩(wěn)定性和成像的清晰性，引起頭痛和降低工作效率，極易導(dǎo)致人的視覺疲勞。而且電光源的頻閃頻率與運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))物體的速度(轉(zhuǎn)速)成整倍數(shù)關(guān)系時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生靜止、倒轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))速度緩慢以及這3種狀態(tài)周期性重復(fù)的錯(cuò)誤視覺，引發(fā)工作事故。

經(jīng)科學(xué)計(jì)算，交流－直流－交流變換頻率達(dá)到40kHz以上(CE認(rèn)證規(guī)定40kHz)時(shí)，在人的視覺中會(huì)形成平滑穩(wěn)定效應(yīng)，不再產(chǎn)生頻閃效應(yīng)危害。表3中為各種光源的波動(dòng)深度。無極熒光燈以高頻工作，消除了照明因素對(duì)視力健康的危害，是教室和辦公照明的最佳選擇，也是工礦企業(yè)、商業(yè)的安全照明光源。

表3 不同光源的波動(dòng)深度

1.3.4 低光衰、長(zhǎng)壽命

圖3為無極熒光燈燃點(diǎn)60000h內(nèi)的光通維持率曲線。

圖3 無極熒光燈的光通維持率曲線

無極熒光燈屬于低溫工作，因此光衰小，但高壓鈉燈、金鹵燈的工作氣體是多種金屬蒸汽，工作溫度很高，金屬蒸汽損耗大，光衰大。金鹵燈在壽命中期(8000h)的發(fā)光效率小于新燈泡的76%，而無極熒光燈8000h的光通維持率為86%，因此在設(shè)計(jì)時(shí)至少要比無極熒光燈多增加10%的燈具。燈絲和電極是影響傳統(tǒng)光源壽命的關(guān)鍵，由于無極熒光燈內(nèi)沒有燈絲和電極，無極熒光燈可以說是沒有壽命終點(diǎn)。但是考慮到熒光粉的光衰，光通維持率達(dá)到75%時(shí)，壽命試驗(yàn)燈泡已點(diǎn)燃7年，共計(jì)61320h。

1.3.5 瞬時(shí)啟動(dòng)

無極熒光燈能夠瞬時(shí)啟動(dòng)和再啟動(dòng)，頻繁開關(guān)次數(shù)可達(dá)20萬次，適用于頻繁開關(guān)以及應(yīng)急照明。

1.4 無極熒光燈與LED燈比較

無極熒光燈屬弧光放電，LED燈為固體(半導(dǎo)體)發(fā)光，因此在發(fā)光原理上無極熒光燈即占有了光衰小的優(yōu)勢(shì)，同樣使用在道路照明時(shí)無極熒光燈更具有長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)，它們同為綠色光源的新秀，有著多項(xiàng)相似的特點(diǎn)，但在應(yīng)用領(lǐng)域上各有偏重，LED燈目前主要用于景觀裝飾、樓體亮化、字幕廣告等照明，并且在顯示領(lǐng)域地位明顯，通過使用單體功率小的單光源組合，有效的規(guī)避了散熱問題，同時(shí)利用LED燈方向性極強(qiáng)的特點(diǎn)，在深井照明，遠(yuǎn)程探照等方面優(yōu)勢(shì)明顯;而無極熒光燈主要以車間工作及戶外公共區(qū)域的功能性照明為主，因?yàn)楣庠凑w體積較大，因此配光相對(duì)均勻，適合設(shè)計(jì)為均勻性很高的工作場(chǎng)所，例如在工礦領(lǐng)域具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。今后這兩種最新技術(shù)的綠色照明電光源將會(huì)在各自發(fā)光機(jī)理的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展，逐步取代大部分傳統(tǒng)照明電光源。

2 各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 道路照明的應(yīng)用

2.1.1 無極熒光燈用于夜景照明的優(yōu)勢(shì)

光譜光視效率是用來評(píng)價(jià)人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光靈敏度的量，不同波長(zhǎng)、相同能量的光在人眼中產(chǎn)生光感覺的靈敏度不同。明視覺時(shí)人眼靈敏度的最大波長(zhǎng)在555nm，暗視覺時(shí)人眼靈敏度的最大波長(zhǎng)在507nm，即實(shí)際人眼看到的光通量除與光源本身的光能量有關(guān)外，還與不同視覺條件下的光譜光視效率有關(guān)。隨著周圍環(huán)境亮度由明視覺向暗視覺轉(zhuǎn)變，整個(gè)光譜光視效率曲線向短波方向推移，即藍(lán)綠色光的人眼敏感度增強(qiáng)。無極熒光燈為紫外線激發(fā)三基色熒光粉發(fā)光，有連續(xù)較強(qiáng)的藍(lán)綠光，符合中間視覺環(huán)境下人眼對(duì)照明的光譜要求。

在夜晚行駛時(shí)，駕駛員察覺危險(xiǎn)性越早越好，反應(yīng)時(shí)間越短越好，司機(jī)對(duì)微小障礙物的反應(yīng)時(shí)間與光源的光譜組成也有關(guān)。無極熒光燈因?yàn)楣庾V中含藍(lán)綠光成分較多，接近自然光，因此司乘人員的反應(yīng)時(shí)間比高壓鈉燈短，同時(shí)無極熒光燈常用的色溫5000不同于高壓鈉燈的暖色調(diào)，在讓駕駛者保持積極清醒的同時(shí)，也更易于適應(yīng)，即在夜晚道路照明中，無極熒光燈是一種新型的安全系數(shù)較高的綠色光源。對(duì)一種電光源特性優(yōu)劣的評(píng)價(jià)必須全面、綜合考慮，不能只突出單項(xiàng)指標(biāo)，光效、壽命、顯色性、光衰等基本指標(biāo)都要同時(shí)顧及。目前能全部兼顧以上各項(xiàng)指標(biāo)要求的電光源只有無極熒光燈。

2.1.2 道路照明的優(yōu)勢(shì)［3］

配光優(yōu)勢(shì):目前道路最常用的光源是高壓鈉燈，而2.65MHz的無極熒光燈配光曲線與其極為近似，因此燈桿的設(shè)置距離沒有變化，在舊工程改造中，光源更換過程不會(huì)有施工障礙，而單體功率變小則可以使新工程的電纜布線施工無需額外支出。

均勻度優(yōu)勢(shì):在《CJJ 45—2006城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定均勻度的最小值是0.4，而使用210kHz無極熒光燈時(shí)，因?yàn)楣庠淳匦屋^大的特點(diǎn)，通常在節(jié)能50%的前提下還可以提高均勻度維持在0.6～0.7之間。

結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì):無極熒光燈屬于大體積光源，因此發(fā)光面積較大，而高壓鈉燈的發(fā)光體積較小，因此在燈桿的設(shè)置高度上一方面考慮配光曲線的輻射角度，另一方面也要考慮對(duì)駕駛者視線的干擾，實(shí)際使用中，無極熒光燈不僅不會(huì)干擾駕駛者的視線，同時(shí)在整條路上的引導(dǎo)作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于高壓鈉燈。

節(jié)電優(yōu)勢(shì):目前在道路的T型路口和十字路口經(jīng)常采用的照明是高桿燈進(jìn)行懸掛8個(gè)，或者更多的投光燈進(jìn)行照明，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此部分照明對(duì)駕駛者的幫助很小，只是起到了對(duì)中心區(qū)域一個(gè)簡(jiǎn)單的烘托作用，因此在轉(zhuǎn)角處設(shè)置無極熒光燈可以替換掉一部分高桿燈上的照明器，采用的結(jié)構(gòu)是雙燈頭，分別叉開在每個(gè)道路上，這樣整體算下來相當(dāng)于一個(gè)道路方向上的165W路燈可以替換掉高桿燈上至少一盞400W的投光燈。

設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì):初期設(shè)計(jì)要考慮現(xiàn)有高壓鈉燈的理論壽命是14000小時(shí)，相比于無極熒光燈的60000小時(shí)實(shí)際壽命差距太大，因此在初期的設(shè)計(jì)方案中高壓鈉燈要為之后的高光衰提前做好準(zhǔn)備，往往是一級(jí)道路平均照度水平達(dá)到30 lx就可以，而用高壓鈉燈則要設(shè)計(jì)達(dá)到50 lx，二級(jí)道路平均照度20 lx就達(dá)標(biāo)，則要設(shè)計(jì)到35 lx甚至更高，用無極熒光燈時(shí)20000小時(shí)光通量損失不到20%，因此在設(shè)計(jì)初始階段剛好超過標(biāo)準(zhǔn)就能保證在接下來的3年里一直處于達(dá)標(biāo)的水平，這無疑進(jìn)行了更實(shí)質(zhì)的節(jié)電節(jié)能。

2.2 工礦照明的應(yīng)用

目前工廠里存在兩種照明環(huán)境:一種是密閉的操作環(huán)境，另一種是開放的加工環(huán)境。前者的環(huán)境特點(diǎn)決定在以前只能使用節(jié)能燈，因?yàn)榻瘥u燈的表面溫度高達(dá)300℃，一方面出于安全的考慮，一方面出于降低空調(diào)動(dòng)力成本的考慮，但在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有節(jié)能燈的廠家就是一味的要求功率增大，實(shí)際配套的燈具根本沒做改進(jìn)，整體照明器根本不協(xié)調(diào)，巨大體積的光源與反射罩不匹配，雖然光源很亮但是相當(dāng)大一部分的光損失在反射罩里，沒有反射出來;后者因?yàn)殚_放經(jīng)常采用功率高達(dá)1000W或者更高的金鹵燈進(jìn)行整個(gè)區(qū)域的泛光照明，而金鹵燈的發(fā)光特點(diǎn)如圖4所示，在以柱狀光源為核心的區(qū)域向外輻射，這種特點(diǎn)的配光基本適合于對(duì)廣場(chǎng)起到泛光照明的作用，在工廠企業(yè)里面，沒有兼顧到“節(jié)能減排”政策下企業(yè)對(duì)照明節(jié)約用電的壓力，以及工廠里面有工人工作的時(shí)候需要功能性照明的特點(diǎn)，整體來看使用此種照明方式，根本不能滿足人的需求。

圖4 金鹵燈光源部分散射出光方向示意圖

使用dialux進(jìn)行場(chǎng)景模擬，原在6米高區(qū)域的400平方米內(nèi)使用2盞1000W的金鹵燈進(jìn)行廣泛照明，現(xiàn)如今更換為BSWJ135PA5000光源進(jìn)行照明，使用四盞就已經(jīng)超過原有的照明水平，不僅整體照明均勻度更好，同時(shí)相比于原來節(jié)電73%，如果均勻布燈采用九盞工礦燈，那么整個(gè)400平米的區(qū)域內(nèi)平均照度到達(dá)100 lx以上。

2.3 隧道照明的應(yīng)用［4］

在鐵路、高速公路類場(chǎng)合中，以前使用的是數(shù)量過多的高壓鈉燈配合部分金鹵燈進(jìn)行照明，這樣做的主要原因是考慮到白天隧道的入口處亮度要求較高，而夜間，尤其是后半夜的時(shí)候要求較低要關(guān)閉部分光源，這樣一方面節(jié)省了電力，另一方面循環(huán)休息為保證光源能夠長(zhǎng)壽命的使用下去，尤其是在夜晚的時(shí)候分批次點(diǎn)亮，更能夠有效的延長(zhǎng)高壓鈉燈的使用壽命。而目前經(jīng)過論證和試用，設(shè)計(jì)院通常將無極熒光燈設(shè)計(jì)到隧道環(huán)境，這通常是考慮到維修更換不方便的因素，而且要充分發(fā)揮無極熒光燈瞬時(shí)點(diǎn)亮的特點(diǎn)，在以往的隧道照明中，使用的最低功率的高壓鈉燈是150W，在出入口處為達(dá)到要求使用數(shù)量更多，功率更高的高壓鈉燈，而且在使用過程中要顧慮到高壓鈉燈、金鹵燈通電后持續(xù)幾分鐘才能完全亮起來的特性，只能保持隧道的照明出于常開的狀態(tài)。而使用無極熒光燈情況則可以大大改觀:

第一、直接在500米外設(shè)置探測(cè)裝置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)車輛經(jīng)過時(shí)及時(shí)點(diǎn)亮，持續(xù)幾分鐘點(diǎn)亮后如果沒有后續(xù)車輛經(jīng)過就可以自動(dòng)熄滅，這在白天無疑節(jié)約了很大一筆電力支出。

第二、入口出口處分線纜、分回路進(jìn)行照明，例如以晚上需要點(diǎn)亮的光源做一個(gè)回路，其余做成另外一個(gè)回路，白天的時(shí)候兩個(gè)回路同時(shí)與探測(cè)頭連接，當(dāng)檢測(cè)到有車輛通過時(shí)及時(shí)進(jìn)行兩個(gè)回路的同時(shí)點(diǎn)亮，達(dá)到白天隧道照明需要的亮度，到晚上后僅保留滿足夜晚照明的回路與探測(cè)器連接。

第三、燈具的改進(jìn)，目前使用最多的隧道燈具是根據(jù)金鹵燈的發(fā)光特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的燈具，見圖5，為保證燈具與無極熒光燈的發(fā)光特點(diǎn)匹配，新型隧道燈具在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，如圖6所示，新型燈具的特點(diǎn)是定向制作，其配光曲線如圖7，此燈具為最高出光率并專用于隧道入口段和出口段的燈具。

圖5 傳統(tǒng)隧道燈具

圖6 新型隧道燈具

圖7 集中配光曲線

3 結(jié)論

無極熒光燈作為新型光源，技術(shù)已經(jīng)成熟，水平也已經(jīng)提高到一定程度，目前使用無極熒光燈還具有一次性投資少、無長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)等特點(diǎn)，同等工程時(shí)降低了電纜型號(hào)，及節(jié)約了用電，也為客戶節(jié)約了能源，免除了電費(fèi)和維護(hù)費(fèi)用，使公共照明更方便、安全、環(huán)保和節(jié)能。在國(guó)家大力推行“節(jié)能減排”政策的背景下，無極熒光燈具有無可比擬的節(jié)電優(yōu)勢(shì)，只要配置合理，勢(shì)必成為將來照明節(jié)能的先鋒。

［1］謝立山．高頻無極燈原理和發(fā)展前景及在實(shí)際工程中的應(yīng)用．維普資訊網(wǎng)

［2］蔡?hào)|蛟，葉宇煌．環(huán)形無極燈的特性分析和試制．光源與照明之光源研究．福州大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(350014)

［3］沈季平，倪興達(dá)．高強(qiáng)度氣體放電光源的近期進(jìn)展．高強(qiáng)度氣體放電光源的近期發(fā)展

［4］涂耘，王小軍，周?。＝ü匪淼蓝赐饬炼萀20(S)研究．公路交通技術(shù)，2007，9，(重慶交通科研設(shè)計(jì)院400067)