解读无极灯发展之路:争论与纠结下的不懈探索
2016-6-30 14:27:36
在全国四处“攻城略地”强势发展的企业们将遇到照明领域新的绿色节能对手——无极灯。2011年年初,由全国高科技节能减排促进中心牵头的“中国无极灯产业联盟”正式在京组建。

  这标志着市场规模还不大、势单力薄的无极灯企业开始采取组建产业联盟,谋求国家相关部门扶持政策支持,以“抱团”的方式,从LED的手中抢夺自身具有竞争优势公共照明领域的市场份额。

  业内人士表示,与LED相比,无极灯寿命长、高光效、低成本的优势。虽然成本高于传统光源,但是,使用低频无极灯的投入成本大概是LED灯具的50%。但是,无极灯产业发展远远落后于同属于第四代新型光源的LED。

  然而,在上月北京照明展览会上,成立不满三个月的中国无极灯产业联盟率领无极灯企业组团参加,向世人展示具有自主知识产权的中国人自己的产品——无极灯。联盟的部分成员还在展会现场召开内部座谈会,提出了发展无极灯产业的新思路和新措施。这应该是中国的无极灯行业第一次以行业整体的形象出现在社会面前,标志着中国无极灯产业进入了新的发展阶段。

  那么,无极灯在发展过程中遭遇的技术难题又有哪些呢?下面笔者将带您去探究无极灯发展的探索之路。

 一、无极灯的高、低频之争

  凡是没有灯丝电极的照明灯就是无极灯,其实微波灯也是属于无极灯范畴。微波灯里面没有灯丝电极,它是靠2450MHz的微波激励灯泡体里面的硫元素。硫经微波激励以后直接就能够发出非常强烈的白色可见光。硫对人类的生存环境没有污染,所以微波灯不但没有汞污染,也没有紫外光污染和荧光粉的磷污染,是一款真正意义上的绿色光源。同时微波硫灯的光线频谱与太阳光频谱极其接近,是迄今最为相似日光的照明灯。

  这种具有真正阳光照射的照明灯对种植养殖业就是聚宝盆摇钱树。照明灯去掉灯丝是照明技术的一大进步,也肯定是人类照明灯的发展方向。没有电极的照明灯不存在灯丝的损耗其寿命自然就大大延长,同时没有烧蚀溅射的灯丝残渣去污染荧光粉进而严重影响荧光粉的发光能力造成节能灯的光衰,这就是无极灯比节能灯光衰小的原因之一。

  为什么会有无极灯的高低频的争论呢?无极灯向哪里发展才是方向而不会走弯路?无极灯的高、低频之分,是从它们的工作频率来判断。高频无极灯的工作频率是2650KHz,低频无极灯的工作频率在150K~300KHz间,选230KHz的较多。造成高低频差异这么大的原因非常简单:2650KHz的高频无极灯存在较大的技术难度,设计制作上有较多困难。而采用150K~350KHz的低频无极灯在技术上相对要容易得多,又有现成的150K~350KHz电源功率电路芯片可以选择来用。那么高频无极灯存在着哪些难以解决的技术难点呢?

二、高频无极灯的技术困境

  1、高频无极灯的光效太低,一般在70LM/W以内。就笔者现在所知,高频无极灯的光效还没有超过72LM/W的。即使是达到72LM/W以上了,这个光效和钠灯以及金卤灯相比,也是低得可怜,还远低于有灯丝的部分高光效荧光灯。

  2、高频无极灯因为凹腔内的温度非常高,它的散热不好解决,功率不敢做得太大,一般不超过165W。有声称做出200W的,但是经实物测试它的光通量并没有得到增加,没有实际意义。这样造成高频无极灯功率太小光通量不高,在很多场合不适宜使用故此它的应用范围受到了限制。

  3、高频无极灯的EMC指标较难达标。电磁波干扰的传输途径有两个:一个是辐射,一个是传导,问题是这两个传输的途径如何才能把它彻底堵死,让电磁波的泄漏比较小,以满足越来越严格的EMC指标呢?

  4、高频无极灯的寿命,特别是高频电源的寿命与所宣扬的差距太大,是根本无法达到6万小时的使用寿命。2万小时能达到吗?我看都难。

  5、高频无极灯的成本还比较高,外形式样少。特别是它安装在路灯上对外壳要求非常苛刻,对外壳的散热能力要求特别高,否则无极灯无法正常稳定的长久工作。实质上就是高频无极灯的发热比较厉害。

 三、低频无极灯的八个误区

  低频无极灯鉴于高频无极灯的种种技术难关,转而采用低频技术来解决光效和散热的难题,这种避难就易的处置方法很聪明,也完全可以理解。但问题是这种处置方法不会百分之百的完美,可能带来其它方面意想不到的瑕疵,正视并设法解决它们才是一种科学的态度。

  1、国际电工委员会(IEC)的下属组织国际无线电干扰特别委员会(CISPR)下发的国际标准【CISPR15】(1992第四版)明确规定电磁感应灯有两个工作频率可以使用:

  Ⅰ、13.65MHz,日本松下公司的Everlight无极荧光灯就是工作于此一波段,这一波段有个最大好处就是它的一倍频27MHz附近属业余无线电频段,其EMC指标就较为宽松容易通过。

  Ⅱ、2.2~3MHz的波段。它介于中波和短波之间,很少用于无线电的广播和接收,荷兰飞利浦公司的QL无极荧光灯和美国通用电气公司的Genura无极荧光灯选择了这一波段,它们都工作于2.65MHz(即2650KHz)。

  2400M~2500MHz是非通信小段,微波炉就工作于此波段内。现在的微波光源也是采用此频率。230KHz或者附近频率的低频无极灯工作频率是不被国际组织承认的非法频段,它存在对航空、通信、广播、电台等设备极难消除的同频干扰,必然最后的结局是被取缔,所以低频无极灯注定不可能有任何发展前景。

2、低频灯工作频率约是高频灯的十分之一,相应磁性元件的体积也增大了10倍,耦合器的电感量从约13μH增大到150μH左右,而且有些灯还要两个。电源内磁性元件的体积也大大增加了,整灯的体积不是变小而是变大了,重量和成本也有较大增加。特别是随着国家加大对稀土材料的控制,国际上稀土价格已经翻了近10倍,磁性材料消耗比较多的低频无极灯将情何以堪?

  四、高、低频无极灯的纠结

  低频无极灯在现阶段作为无极灯的一种过渡性产品在市场上进行销售使用还是不错的,因为它的光效比高频灯高一些,外形选择的余地较大。

  高频无极灯遇到的是技术问题,它是可以随着技术的发展和技术进步逐渐得以解决。而低频无极灯遇到的是结构性问题,这些问题不但不能随着技术的发展获得解决,反而是矛盾更加突出会更深的陷入困境。低频无极灯绝不是代表着电光源的发展方向,毫无疑问,电光源向更高的工作频率进展才是正确的发展趋势和潮流方向。

  一些奸诈的商人对无极灯进行了怪异的包装,把自己的高、低频无极灯拒绝称之为无极灯,而是改叫“磁能灯”或是“磁电灯”。其实叫“磁能灯”或是“磁电灯”并没有错,但是他们宣称自己的磁能灯性能远超无极灯,是因为他们灯里面除了有电能外还特别添加有磁能成分,是世界电光源技术的重大发明和特别突破,笔者无话可说只有跪服了:真的太能忽悠!中学生都知道的麦克斯韦方程组,是英国物理学家麦克斯韦在19世纪建立的描述电场与磁场的四个基本方程。 其微分形式通常称为麦克斯韦方程。

  在麦克斯韦方程组中,电场和磁场是一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律,并揭示了电磁波的性质。 麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是:变化的磁场可以激发涡旋电场,变化的电场可以激发涡旋磁场;电场和磁场不是彼此孤立的,它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来,建立了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。麦克斯韦早就证明:磁场和电场不能彼此割裂,更不可能单独添加。

  高频无极灯面临着不少的技术难点,特别是光效偏低,发热严重的问题一时半会还无法很好的加以解决。笔者到多个厂家考察时发现,他们都不愿意在技术参数的改进上面花费精力,只关注于产量的多少及销售情况。笔者深刻体会并理解这些经营者的压力和难处,人无远虑,必有近忧,经济效益成了经营者们一道很难翻越的坎。同时无极灯性能改进总应该有个方案或是理论依据吧,恰恰这方面现在是最为缺乏。原本各地在推广的电源合同管理模式为无极灯的大力推广提供了一股强劲的东风,但高、低频无极灯由于性能和价格上的原因却处于尴尬的地位。实际上,在这股风潮中受益最大的是金卤灯、钠灯和改进型的高光效荧光灯,无极灯所占比例和它的新型光源的身份不太相符。

 五、高频无极灯怎么办?

  无极灯改造应该从何方着手?最紧迫的问题是哪些?现在我看到有些无极灯朋友不是在想法正视这些问题解决它,而是采用一种逃避或是诡辩的态度。例如对无极灯的光效问题,一些厂家宣传手册上只有所谓“有效光效”数值,据说来源是无极灯因为人眼视觉感应特性好所以就该在测试的数值上乘以1.65的系数,金卤灯钠灯则相反要被乘以0.72的系数。凭什么?依据何在?如果测试数据如此任人打扮随意包装,难道不怕最后沦为笑柄?

笔者一直在探讨高、低频无极灯各自不同的优缺点,对比它们的测试数据,试图揭示它们分别固有的技术不足,寻找提高性能参数的途径及方法,并一直在思考无极灯的追求目标以及发展方向是在哪里,怎么做才能使无极灯发展成为真正未来的新型光源。

  高频无极灯最为要命的缺陷就是光效太低。由于无极灯太低的光效,原本笼罩在无极灯头上的所有光辉都变成了乌云。同时高频无极灯的发热量太高,就意味着效率较低,并制约了高频无极灯向大瓦数高功率发展。特别是电磁干扰指标EMC是高频无极灯比较难以跨越的一道坎。为了改善无极灯的各项技术指标,应该采用综合治理的方法、全面梳理各项技术指标相互的关联性,寻找解决之道。

  1、对荧光粉的使用上做深入研究,采用三基色粉、纳米粉,在涂粉工艺上做改进等等,光效有较明显的提高。但比较节能灯还差得远,高光效直管灯有做得好的已超过100lm/W。回忆一下直管荧光灯的发展过程:在60年代,生产荧光灯用的是卤粉,测试表明,管壁温度在40℃的时候卤磷酸钙荧光粉的发光效率最高。但上了40℃以上光效反而会降低,同时高温导致液汞蒸汽压力升高,容易产生过多的我们不需要的185nm紫外光,185nm紫外光对卤磷酸钙荧光粉会造成伤害,荧光粉的寿命也受到严重影响,造成光衰。

  为了保证光效和防止光衰,原先都采用管径比较粗大的玻壳来制备荧光灯,效果却不尽人意。卤粉的生存年限不超过4000小时,后采用混淆粉,生存年限提高到7000小时,工作温度有所提升光效也有提高。直到发明了稀土三基色荧光粉,它的生存年限超过了10000小时,其最佳工作温度提高到了85℃,而且对185nm的紫外光也有了相当强的耐受力,随后才出现了细管径的荧光灯,其光效才有可能得以大幅度提高,光衰不再成为是制约节能灯寿命的瓶颈,最后影响节能灯寿命的就只剩下灯丝电极了,我们也才开始研究无灯丝电极照明灯技术。

  直管荧光灯的发展对无极灯的改进有着非常好的启迪和借鉴作用。应该深思:为什么直管灯的管径从T12(38mm)发展到今天的T4、T3(9.5mm)管,光效也从40多流明发展到今天的超过100流明/每瓦,其中有哪些奥妙呢?

  2、在汞齐使用上做深入研究。汞齐是公认的节能环保制灯材料,但汞齐对灯管的真空度要求比液汞高。在荧光灯的正柱区中,汞原子受到运动电子的撞击成为受激发的汞原子,受到撞击的汞原子吸收到能量跃迁到更高的能级成为亚稳态的价电子。从汞原子的能级图可知:价电子从63P1跃迁到61S0态时发出253.7纳米紫外线,利用253.7纳米紫外线激发荧光粉发光是荧光灯设计的基本原理。

  大量测试数据表明:当汞气压Ph=0.8Pa时,253.7纳米紫外线最强(灯管的发光效率最高)而其它我们不需要的紫外辐射能量很少,蓝光和绿光可见光的能量也仅占辐射总能量不到2%,这是液汞灯管的最佳工作状态。我们发现光效和灯管的真空度联系较多,和汞气压的关联度更高。当汞气压Ph较低时,汞原子密度较小,共振辐射占主导地位,共振吸收很少。(解释一下:共振辐射是指汞原子受能量激励辐射出253.7nm紫外光的现象。共振吸收是指汞原子辐射出253.7nm的紫外光还没有到达荧光粉发挥作用即被周围附近的汞原子所吸收的现象)。

随着汞原子密度的增大,在共振辐射增长的同时,共振吸收也随之而增强。在Ph<0.8Pa之前,共振辐射的增长率大于共振吸收的增长率,有效辐射为正增长。当Ph>0.8Pa以后,共振吸收占据主导,共振吸收的增长率大于共振辐射,253.7纳米紫外线有效辐射为负增长。此时吸收到253.7纳米紫外线的汞原子还来不及产生辐射就又与电子或其它的汞原子相碰撞,于是这个汞原子就可能被电离成离子或被激发到更高的能级,而辐射出185.O纳米紫外线或435.8纳米,546.1纳米等可见光来。这样,253.7纳米紫外线有效辐射就会减少,而且随着汞气压的上升,共振吸收增强,导致有效辐射急剧下降。所以控制汞气压和汞齐释放汞原子数量变得至关重要。

  汞齐对直管灯光效的提高起着非常重要的作用,同时直管灯应用汞齐的经验教训对无极灯是一笔宝贵的财富。现在直管灯进一步提高光效的努力遇到了瓶颈,所以它被无极灯取代是迟早的事情。无极灯控制汞气压的方法是选择汞齐最佳的放置位置,一般是把它放置在排气管中。至于汞齐释放汞原子数量就是选择含汞量不同的汞齐,发展的趋势是采用汞含量越来越低的汞齐。测试数据证明过高或是过低的工作温度对无极灯的光效都不利,最佳的工作温度是测量泡体壁腰部在80~90℃范围内(这个温度值仅供参考,是我们试制中测试所得),但高频无极灯要保证该工作温度在现阶段的泡体结构形状下是有困难的,实测一般都高得多。

  3、耦合器的用途是向灯泡体传输高频电磁能量,为了减少衰耗达到最佳的传输效果,耦合器要和高频电源实现匹配,需要用到磁性材料,它是用软磁铁氧体材料绕上线圈做成的电磁波传输器件。磁性材料有一种特殊的功能:电磁波在里面传输,其波长会缩短很多。正是利用磁性材料的这一特殊性质,耦合器才可以做得很小巧,线圈在上面只需缠绕20多圈就能够满足传输的性能要求,耦合器添加有磁性材料仅是为这个目的。但磁性材料本身会产生损耗,该磁材的滞回特性曲线的面积就代表了磁材的损耗大小。

  电磁波的频率越高,磁材沿滞回特性曲线来回运动的线路就越长,磁性材料分子被电磁波来回更快的倒腾,当然损耗就越大。越大的损耗必然带来越高的热量,所以就不难理解高频无极灯凹腔内耦合器出现的高热了。无极灯耦合器对磁性材料的要求是:尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁感应强度、高的磁导率、足够高的居里温度和好的温度稳定性,较窄的磁滞特性,对应力不敏感、磁致伸缩系数小、价格低。有些性能参数是互相矛盾的,比如:高的磁导率必然就对应低的居里温度点。

  实际上,寻找好的功率铁氧体材料就是寻找它各项技术指标最佳的综合平衡值,根据使用在各种不同的场合稍偏高或是偏低某一项或是某几项性能参数。笔者推崇在耦合器中摒弃不用磁性材料,坏处无非就是多绕一些线圈。但好处就太多了:一个重要的耗能源、发热源被去掉了,无极灯的工作状态得以改善。同时更易于匹配,为无极灯进一步的技术改造奠定了一个坚实的基础。

  4、在泡体上下功夫,取消防阻电磁波的银浆涂层,并改变玻璃配方尽可能提高泡体的透光性。另外,应该考虑改变泡体的形状结构,否则高频无极灯无法走出困境。首先分析凹腔,这里耦合器产生的热量是全靠磁性材料里面的铜棒把热导出,传热效率较低,还要耗费大量贵重的有色金属。这里的热量是怎么产生来的?来自两方面:a、耦合器磁性材料的损耗发热,功率越大热量越多;b、是凹腔泡体内的荧光粉的发热。

荧光粉在发光的同时必然伴随着发热,问题是凹腔体荧光粉的发光发热是既无必要又在坏事。它发射的光线被封闭在凹腔内白白被浪费掉,而产生的热量却是在危害整个灯系统,消耗了我们宝贵的电磁波功率拉低了光效指标。麻烦的是还不能去掉凹腔体内的荧光粉,试验证明,去掉这一层荧光粉后,测试光效反而更低。怪哉!但经仔细观察分析后发现,这层荧光粉在这里起到了一个特殊的作用,就是阻挡和反射由无极灯泡面产生的光线。如果没有凹腔这层荧光粉及它所产生光线的反射阻挡作用,泡面产生的光线会在整个泡体内杂乱散射,光效的损失更大。

  实际上这里已经向我们透露出了高频无极灯光效低热量高的关键所在!可以设想在这里安装一个反射体,专用以反射光线,同时还可以让整个凹腔贯穿,把传导散热变成对流散热,不再需要耗费贵重的有色金属,成本大幅降低,整灯的体积和重量都得以减少。为了进一步提高光效,必须减小耦合器与灯体泡面的距离,提高泡体内汞原子的单位浓度,能使共振辐射产生的253.7nm紫外光一旦生成,立马就能被荧光粉吸收转化以达到效率最高。在消除了不必要的能量浪费的同时,生成并保持一个易于整灯工作的温度及最佳汞气压环境,就得到了光效最高光衰最小的令人满意结果。

  5、通过计算知道,2.65MHz电磁波的波长是113米,13.65MHz的波长是21米,都和800nm的可见光波相比有着天壤之别,正是它们这种巨大的波长长度差别为我们破解长久困扰高频无极灯的EMC指标提供了可行之道。

  电磁波干扰的途径有两个,一个是通过线路传导,一个是通过空间辐射。对线路的传导干扰,我们是利用在电路中设置共模和差模滤波器来进行拦截消除,电磁波的频率越高,这种拦截消除的效果越好。对辐射干扰,在高频电源部分,是采用屏蔽盒的方式来消除。这个屏蔽盒的厚度要大于2mm,以铸铝材料最好,因为铸铝同时具有屏蔽电场干扰和屏蔽磁场干扰的能力。耦合器部分产生的辐射干扰,笔者是采用金属网格紧贴在灯面上来进行屏蔽处理。网格的空格部分是30*30mm2,格筋是1.5mm的。网格对可见光光线没有一点遮挡衰减,对电磁波却是有着极佳的屏蔽效果,特别是13.65MHz的电磁波测试时更是表现出优异的屏蔽性能。