通用照明的发展趋势

    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最佳选择，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，能够更精确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，最多能调到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（能源独立与安全法案）规定的第一阶段能效标准，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）灯泡将成为白炽灯最普遍的替代品，而卤素灯泡是未来的第二选择。制造商也开始部署采用HB LED（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HB LED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。

　关注成本的消费者最近转向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设定了最低照明能效标准。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Alex Baker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）。

    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Energy Smart CFL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，并可以更精确地控制加入量。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1.5 mg的水银接近于理论最低值。能源之星现在的标准是CFL最大水银量为5 mg。

　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最终形态，最终会存在于鱼体内。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（食品与药物管理局）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最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的含汞量最大为4 mg。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。在某种不良应用环境中，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不良，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%，最终达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不是唯一高效的光源。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。HB LED的耗电一般在350mA~1.5A。例如，Cree公司的Xlamp XP-E冷白色HB LED在350mA时提供114流明~122流明亮度。SSL HB LED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HB LED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HB LED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HB LED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HB LED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，从而降低了可靠性。HB LED的理想冷却产品必须具有小巧、高效、安静和高可靠性的特点。

　　一种方法是Nuventix公司用于其SynJet无风扇冷却器的合成射流（synthetic-jet）设计。SynJet需要的电流远小于一只电机，采用5V电源工作。冷却器使用一个电磁耦合的隔膜，通过极小的喷嘴脉动出高速空气射流。一旦气体离开喷嘴，就会裹挟周围的空气与它一起拉动空气，这很像龙卷风拉动周围的空气。

　Nuventix公司提供用于HB LED装置的标准SynJet产品，一种是MR-16结构，另一种类似于PAR-38式灯座。MR-16和PAR式结构的散热量分别可达约20W和50W。据Avnet公司电子营销公司SSL与LED业务部Lightspeed总监Cary Eskow称，发光效率为80流明/瓦的独立式HB LED可以提供数千流明亮度。SynJet小批量起价约为15美元（图2）。

　被动散热器也在寻求创新。Cool Innovations公司的展开式鳍片散热器性能超过等效的直立式鳍片散热器（参考文献5）。一个1.5英寸高、1 英寸2的直立式铝制鳍片散热器的热阻为16.14°C/W，而展开式同等散热器的热阻为12.65°/W，改善了22%。一个2英寸高、5平方英寸的直立式散热器的热阻为0.74°C/W，相比之下，展开式为0.64°C/W，降低了14%（图3）。

　对SSL来说，要替代年久的白炽灯，并最终替代CFL，是一个难以应对的挑战。因为这一任务太过艰巨，美国能源署在去年5月为SSL开发建立了L Prize大奖，称SSL“必须提供与被替换白炽灯相近的性能，包括色彩表现、光输出、光分布，以及灯的形状、大小、外形尺寸、外观，以及工作环境。它们必须可靠，能通过普通市场渠道获得，并且具备有竞争力的价格。”业界观察人士现在预计该奖价值1千万美元。

    参考文献

    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. ■