現(xiàn)代照明的變革

現(xiàn)代照明的變革

1從照明的高度來認(rèn)識隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類精神家園和精神文明不斷發(fā)展。自20世紀(jì)90年代以來，人們對照明的文化和照明文化的高度進(jìn)行了認(rèn)識，并將照明形成了一個新概念。人們已不再滿足簡單的照亮某個環(huán)境,而是希望通過科學(xué)的照明設(shè)計,充分體現(xiàn)環(huán)境的文化、藝術(shù)特征,營造一個安全、舒適、高質(zhì)量、高品味的光環(huán)境。面對日益豐富的照明設(shè)備,照明技術(shù)和照明設(shè)計,以及五彩斑斕的夜晚,讓我們回過頭去,看看照明是如何一步一步從過去走向我們,并不斷的走向未來的。2照明光源的過去2.1菲爾德kraft弧光燈和白熾燈是人類最早發(fā)明的電光源。1807年英國的戴維制成了碳極度弧光燈,1878年美國的布拉許在街道和廣場照明中成功的利用了弧光燈。1879年美國費城的2位高級中學(xué)教師湯姆生和霍斯頓通過設(shè)計弧光燈系統(tǒng)開創(chuàng)了他們的電工業(yè)。而白熾燈就是最早的鎢絲燈泡。其實,就電燈泡的歷史來說,愛迪生并不是第一個制造者。英國的科學(xué)家J.W.swan比愛迪生早一年就發(fā)明了真空的碳絲燈泡,但由于碳絲軟、壽命短,故未能得到廣泛的使用。1879年是照明歷史上重要的一年。1879年10月21日高阻力白熾燈誕生,它可以連續(xù)點燃40個小時。1879年10月22日,愛迪生在經(jīng)歷無數(shù)次失敗后終于對電燈的研究取得了突破,第一盞真正有廣泛實用價值的電燈被點亮了。為了延長燈絲的壽命,他不斷試驗,不斷尋找,大約試用了6000多種纖維材料,最后找到日本竹皮,用竹皮的纖維作碳絲,從而得到新的發(fā)光體——日本竹絲,這種材料可持續(xù)使用1000多小時,非常耐用。1879年11月1日碳絲燈申請了專利。1879年愛迪生又發(fā)明了實用白熾燈,揭開了電應(yīng)用于日常生活的序幕。這是愛迪生對照明的最大貢獻(xiàn),另外他還發(fā)明了一種供電系統(tǒng),可以使遠(yuǎn)處的燈具能從中心發(fā)電站配電,這是他為照明所做的另外一大貢獻(xiàn)。1908年改用鎢絲的燈泡開始普及。2.2鹵研燈絲生產(chǎn)技術(shù)1959年根據(jù)鹵鎢循環(huán)原理,人們制造出碘鎢燈,從而產(chǎn)生了一種嶄新的白熾燈——鹵鎢白熾燈。它比普通白熾燈有明顯的優(yōu)點。這類燈體積小,光維持率達(dá)到95%以上,燈絲亮度高,玻殼小而堅固,光效和壽命明顯優(yōu)于白熾燈。近年來,我國已生產(chǎn)出可直接用于電網(wǎng)、電壓為220V或110V的鹵鎢燈,其尺寸最小到14mm×54mm,具有優(yōu)異的燈絲穩(wěn)定性和抗震性。與白熾燈一樣,泡殼有透明和磨砂兩種不同規(guī)格,燈頭易于連接。最近出現(xiàn)的新型鹵鎢燈,它是鹵鎢燈的一種改進(jìn)型,通過真空蒸鍍法等方法,在石英泡殼上采用紅外反射技術(shù),可以讓可見光透過,同時將紅外線反射回?zé)艚z,可以有效提高光效30%~45%,延長燈壽命達(dá)3000h左右。2.3紫外光能量的激發(fā)和合成熒光光效愛迪生之后,電燈不斷改進(jìn)。1939年根據(jù)氣體放電原理的管狀日光燈問世,并很快被廣泛應(yīng)用于住宅,辦公室,營業(yè)廳,工廠車間,候車(船)大廳,成為又一種重要的照明光源。熒光燈主要是由汞放電產(chǎn)生的紫外線輻射激發(fā)熒光粉層而發(fā)光的低氣壓放電燈,電源輸入后,電流會流過電極,鎢絲的溫度上升,同時電子放射物質(zhì)的溫度也上升,大量的熱電子被釋放,這個熱電子在兩極間加壓,由負(fù)極流向正極,造成管內(nèi)電流的流動,在管內(nèi)撞擊水銀原子,因而產(chǎn)生能量激發(fā)紫外線,再由紫外線照射玻璃管壁的熒光物質(zhì),由紫外線吸收可視光造成熒光燈管發(fā)光,而由于熒光燈管所涂覆的熒光物質(zhì)種類的不同,有暖色、冷色、日光色等多種顏色,它與白熾燈相比具有燈光柔和、發(fā)光效率高、顯色性能優(yōu)良、壽命長等優(yōu)點。剛出現(xiàn)時熒光燈玻管外徑為?38mm(T12),光效約60lm/W,顯色指數(shù)Ra為70。隨著熒光燈研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)如果適當(dāng)提高管壁溫度,具有較高光效的燈管的直徑就可以相應(yīng)縮小,這樣使產(chǎn)生的光子到達(dá)管壁的距離縮短,光子與其它原子的碰撞機(jī)率降低,自吸收損失減少,這樣制成的管徑為?26mm(T8)熒光燈光效可以提高,更便于制造和運輸,它作為國家“九五"綠色照明工程重點發(fā)展的產(chǎn)品之一。它必須使用能承受較強(qiáng)紫外線輻照的優(yōu)質(zhì)鹵磷酸鈣熒光粉,或三基色熒光粉,管徑減小后可使體積減少40%,重量減輕30%,光效提高10%。進(jìn)一步配合工作在40~60kHz頻率的電子鎮(zhèn)流器,它的光效可比工作在50Hz頻率下的電感鎮(zhèn)流器再提高10%。近幾年來,又出現(xiàn)管徑更細(xì)為?16mm(T5)和?11mm(T3)的節(jié)能細(xì)管徑熒光燈,它們的最佳管壁溫度更高,發(fā)光效率可達(dá)到104lm/W的水平,同樣這種熒光燈必須配備優(yōu)質(zhì)電子鎮(zhèn)流器工作。3現(xiàn)代照明光源3.1化型“燈”單光照明。在一般光為了便于裝飾和美化,對細(xì)管徑熒光燈通過采用接橋和彎管等工藝,使燈管的尺寸緊湊,制成保持高光效的緊湊型熒光燈,特別是選用白熾燈螺口燈頭(E27)又配有電子鎮(zhèn)流器的一體化型,已在許多領(lǐng)域取代了白熾燈,它是國家綠色照明工程重點推廣項目之一。緊湊型熒光燈剛出現(xiàn)時為H、U和Π型,并逐步發(fā)展為雙H、雙U和雙Π型。近年又開發(fā)出3U、3Π、4U、4Π和螺旋型,功率達(dá)到18W以上,用以取代100W以上的白熾燈,并已有85W和125W大功率緊湊型熒光燈產(chǎn)品上市。這類熒光燈所配用電子鎮(zhèn)流器已從分列元件,發(fā)展到使用貼片,甚至集成電路,功率因素達(dá)到0.98,諧波失真總量小于10%,燈的壽命提高到10000h。2001年全世界緊湊型熒光燈的總產(chǎn)量已超過8億支,其中6億支產(chǎn)于我國。3.2多功能、全民光產(chǎn)品無極熒光燈是基于高頻感應(yīng)放電原理而研制成功的一種新型照明光源。由于該燈不含燈絲,其壽命可高達(dá)幾萬小時。該燈的另一大優(yōu)點是效率高,顯色性好,色質(zhì)接近于太陽光。隨著電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展,近年來實用型無極熒光燈發(fā)展很快,產(chǎn)品有日本ever-Light型無極熒光燈,功率9W和27W,光效為41lm/W,壽命40000h,工作頻率15.56MHz;荷蘭QL型,功率分別為55W和85W兩種,光效約68lm/W,壽命60000h,工作頻率2.65MHz;美國Genura型無極熒光燈,功率23W,光效48lm/W,壽命10000h,工作頻率2.65MHz;還有德國Endura型無極熒光燈,功率100W和150W,光效80lm/W,壽命60000h,工作頻率為250kHz。3.3冷陰極超細(xì)口徑燈光隨著背光照明在辦公用筆記本電腦、等離子體顯示器和家用電器如電視機(jī)、數(shù)碼像機(jī)、攝像機(jī)等中的應(yīng)用與日俱增,高亮度的冷陰極超細(xì)管徑熒光燈為此應(yīng)運而生。這類燈的管徑為2.6~6.0mm,普遍采用三基色熒光粉,通常采用Ni、Ta、Zr等金屬作為冷陰極,在高的啟動電壓下形成輝光放電使燈管工作。3.4hid光源3.4.1高壓鈉燈與金屬鹵化物燈高強(qiáng)度氣體放電光源是汞燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈的總稱,簡稱為HID燈。這類燈單燈輸出光效高,壽命長,結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,因此被應(yīng)用于大面積范圍和室外照明。HID燈內(nèi)工作壓強(qiáng)往往超過10個大氣壓強(qiáng),其中高壓汞燈的光效可達(dá)50lm/W,顯色指數(shù)超過65,色溫4000~6000K,壽命約10000h,功率為35~3500W系列。高壓鈉燈發(fā)光效率達(dá)120lm/W,顯色指數(shù)為25,壽命達(dá)24000h,規(guī)格有30~1000W,雖然其光色稍遜,但其光效是所有能發(fā)出接近白光的人工光源中最高的。近年來又開發(fā)出高顯色高壓鈉燈,顯色指數(shù)80左右,壽命8000h。金屬鹵化物燈是一種新生的,很有前途的光源,并兼?zhèn)淞藷晒鉄麸@色性優(yōu)良和光效高的特點以及高壓汞燈的功率高、發(fā)光體集中的特點,從而克服了這兩種燈所存在的嚴(yán)重缺陷,在許多方面都比它們中的任何一種都好,可以替代熒光燈在許多場合的照明。金屬鹵化物燈由于光效高(≥80lm/W)和光色好(Ra≥80)的優(yōu)點,隨著近年來等離子體模型理論和診斷技術(shù)不斷完善和成熟,其中PICC/MCC模型方法使用更為廣泛,其它流體模型,綜合和模擬電路模型,以及雜交模型(Hybridmodels)也得到應(yīng)用。至今氣體放電等離子體診斷技術(shù)還是以光譜診斷為主。用模型和診斷技術(shù)來指導(dǎo)研制和生產(chǎn)金屬鹵化物燈,使光源性能有了極大的提高,其中35~150W規(guī)格的小功率金屬鹵化物燈已廣泛地應(yīng)用到室內(nèi)照明和汽車前照燈上。3.4.2陶瓷金鹵燈和cdm的發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度氣體放電燈是電光源產(chǎn)品中重要的一員和白熾燈相比,高強(qiáng)度氣體放電燈在發(fā)光效率上有了很大的提高。然而,要保持光色質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性卻不是那么容易做到的。所以從20世紀(jì)60年代開始,人們就一直在設(shè)想是否能夠開發(fā)研制出一種集金鹵燈的良好光色性能和鈉燈優(yōu)秀的發(fā)光效率于一身的光源——陶瓷金鹵燈。1993年人們成功地解決了陶瓷和電極的封接工藝,對陶瓷金鹵燈的開發(fā)研制取得了突破性的進(jìn)展。1994年,飛利浦照明成功首創(chuàng)了陶瓷金屬鹵化物燈,陶瓷金屬鹵化物燈(CDM)的問世是HID光源在近年發(fā)展中最引人注目的成果。采用陶瓷材料作外殼避免了燈內(nèi)金屬材料的損失,而且電孤管尺寸可以控制得非常精確,因此光電性能一致性和穩(wěn)定性好,允許更高電弧溫度,燈的光效可提高10%~20%;且發(fā)光體小,亮度高,便于投影照明系統(tǒng)的設(shè)計?，F(xiàn)有35W,70W和150W三種產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)為單端型,雙端型及反射型,光效達(dá)到90lm/W,亮度290cd/m2,顯色指數(shù)為83,有效壽命達(dá)12000h。另外,美國GE公司最近又推出用三部體結(jié)構(gòu)工藝制造的300W大功率陶瓷外殼金屬鹵化物燈,其應(yīng)用范圍將會有進(jìn)一步擴(kuò)大。4新能源產(chǎn)品4.1微波硫燈和隨機(jī)振器1992年國際電光源科技界提出了微波硫燈的新技術(shù),微波硫燈是用2450MHz微波來激發(fā)石英泡殼內(nèi)的發(fā)光物質(zhì)硫和低壓氬氣,使它形成分子能級躍遷,從而產(chǎn)生連續(xù)光譜。該種可見光是一種節(jié)能、長壽命、光色好、污染小的全新發(fā)光機(jī)理新光源。1994年,美國融合公司制成了一個功率為3400W微波硫燈照明系統(tǒng)。燈內(nèi)有一個直徑為28mm的石英球泡,工作時該石英泡內(nèi)由10個大氣壓強(qiáng)的硫蒸氣的分子輻射產(chǎn)生亮度非常強(qiáng)的白光,其光效為120lm/W,色溫為6500K,顯色指數(shù)為86。1995年,美國開始出售solar-1000和LightDrive-1000兩種規(guī)格的微波硫燈。通過耦合到硫燈的功率密度從250W/cm3降到30W/cm3,使石英玻殼的溫度保持在925℃之下。該產(chǎn)品輻射光譜接近太陽光譜,可在很大范圍內(nèi)調(diào)光,壽命60000h,可任意方向燃點。微波硫燈還可以利用導(dǎo)光管技術(shù),將該燈發(fā)出的強(qiáng)光沿著導(dǎo)光管傳送到所需照明的寬廣區(qū)域。最近為使硫燈適宜于家庭和商業(yè)照明,一方面通過充填物質(zhì)的改變使燈的光色更符合人們需求;另一方面正在積極研制開發(fā)100W以下的小功率微波硫燈,通過應(yīng)用葉片式諧振器的微波源,可將2450MHz的微波能量集中在一個很小的空間,從而使充有InBr和Ar的內(nèi)徑為3mm的球形石英玻殼,激發(fā)輻射白光。我國光源界經(jīng)過幾年聯(lián)合研制,也在1999年推出VEC-1000微波硫燈產(chǎn)品,其技術(shù)指標(biāo)接近國際同類產(chǎn)品水平。4.2超高壓汞燈的特性近年來,配投光系統(tǒng)的顯示裝置受到人們的極大重視,在投影儀、舞臺、電影、電視照明,以及許多工業(yè)、商業(yè)設(shè)施中,往往需要高強(qiáng)度的光束。為了能采用比較便宜的光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到上述目的,需要體積小,亮度高的超高壓汞燈。而影響其性能的關(guān)鍵配件是短弧光源,荷蘭飛利浦公司于1995年首先開發(fā)成功一種超高壓汞燈,極距約1.3mm,功率100W。此超高壓汞燈的電弧管較小,通常是球形的,泡殼溫度應(yīng)控制在安全的范圍內(nèi),典型的應(yīng)用是黑白幻燈和電影放映光源,顯微膠片投影光源,實物投影光源以及工業(yè)上的檢測光源。在燈工作時,汞蒸氣壓可達(dá)200個大氣壓。由于汞蒸氣壓愈高,燈的亮度也越高,而且汞原子譜線寬度變大,分子連續(xù)光譜與帶電粒子復(fù)合光譜也更強(qiáng),特別是595nm以上的紅光輻射隨燈內(nèi)工作壓強(qiáng)的升高而增強(qiáng),從而使燈的顯色性提高。該燈工作時電極處的溫度極高,會造成鎢材料蒸發(fā)并沉積在球壁上造成光衰,現(xiàn)通過在工藝上對燈內(nèi)充入微量氧——鹵素,有效清潔泡殼,使燈的壽命達(dá)12000h。UHP光源的電弧亮度能超過小面積高效投影裝置所需的1Gcd/m2,為了達(dá)到更好的集光效果,近年來UHP光源的電弧極距減少到1.0mm,其壽命達(dá)10000h以上,功率為200W,配備于投影儀產(chǎn)品,重量僅4kg,體積不到2升便于攜帶,其屏幕照度超過1100lx,能夠達(dá)到明亮的XGA顯示水平。4.3無線光譜法制備準(zhǔn)分子熒光光能回收利用在合成光能轉(zhuǎn)換回收裝置中的應(yīng)用,其復(fù)合式的方法作在光源輻射機(jī)理研究中,用介質(zhì)阻擋放電(DielectricBarrierDischarge)產(chǎn)生的準(zhǔn)分子光源是目前轉(zhuǎn)換效率最高的光源。近年來采用準(zhǔn)分子(Excimer)工作物質(zhì),如KrF、ArP、NeF和XeCl等,來制造高功率的紫外光源。同時,通過微波放電等無極放電形式可制成新型的準(zhǔn)分子輻射光源,其工作物質(zhì)可為Xe2(172nm),Kr2(146nm)和Ar2(126nm),其中Xe2(172nm)準(zhǔn)分子光源的效率最高,光能轉(zhuǎn)換效率達(dá)50%以上。現(xiàn)已制成(58×68)cm2的60WX2準(zhǔn)分子大面積平面照明系統(tǒng),這種燈無需充汞,因此更加環(huán)保。作為一種新穎的無汞熒光燈,它的光效與直管型熒光燈相仿,又能制成平面形狀,且無有害物質(zhì),不會造成污染等特點,因此,準(zhǔn)分子光源具有廣闊的應(yīng)用前景。4.4led黑光產(chǎn)品為產(chǎn)業(yè)中最被認(rèn)可的新興產(chǎn)品自出現(xiàn)發(fā)光二極管LED以來,人們一直在努力追求實現(xiàn)固體光源,近30年