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2004年 第一&二期


照明技术演绎绿色革命

文/张小明



    1879年由爱迪生发明的白炽灯照明一经推广,就存在着一些缺陷,白炽灯效率低,加热钨丝和灯泡玻璃耗能太多。而且,灯泡容易烧坏,换灯泡时又有一定的危险,要登高,还容易触电,据说英国每年因换灯泡而受伤进医院的竟然达3500人之多。荧光灯是后起之秀,节电节能效果不错,但对人的视力有伤害,也易碎,灯管内还含有对人体和环境有害的汞。针对电光源的这些不足,科学家们经过研究与实验,开发出一系列绿色环保的电光源,为人们的工作和生活带来了方便。

    白色发光二极管将取代灯泡
    英国《新科学家》杂志透露,相信不久的将来,传统的灯泡和灯管将被白色发光二极管取代,早在3年前,已经制造出了首只白色发光二极管。现在,美国波士顿大学光学研究中心的工程师弗雷.舒伯特,研制出了一种更明亮、更高效的白色发光二极管。
    最早研制的发光二极管,只能发出红色的光,用作电子设备中的指示灯。后来,能发出黄色、绿色和蓝色光的发光二极管相继问世,作为交通信号灯,各国都有应用。例如,在美国,已有8%的交通信号灯换成了发光二极管;新加坡已出台计划,将所有6万处交通信号灯中的灯泡,全部用发光二极管取代。白色发光二极管的基础是蓝色发光二极管。蓝色发光二极管是由镓、铟的氧化合物制成的。当它发出的蓝光射到由铝、镓、铟和在磷化合物组成的结构层时,又会产生橙色光。而橙光和蓝光混合后,在人眼看来就是白色光。舒伯特说,他研制的白色发光二极管,其发光强度分别是荧光灯和白炽灯的4~6倍和15~30倍,发光面积小于1平方厘米的白色发光二极管,能发出相当于60瓦灯泡发出的光,而前者的功率只有3瓦。如果用它来替换全部的照明灯泡,那么20年内美国可以不用再建电站,因为尽管每年照明方面的电耗以3%的比率增加,但单个灯泡的耗电量大幅度下降了。
    白色发光二极管的另一大优点是不易烧坏,寿命很长。据统计。白炽灯的平均寿命为1000~1500小时,质量最好的荧光灯管最多只能使用5万小时,这就是说,如果每天开灯10小时,可以使用15年。当然,灯泡从日常生活中消失还有相当长的时间,在现今的工艺条件下,制造一只3瓦的白色发光二极管成本约为100美元,而与之亮度相当的60瓦白炽灯泡只需0.5美元。大批量生产也许会大幅度降低成本,但价格上的差异,无疑是白色发光二极管取代灯泡的一大障碍。但是,专家认为,20年后会取代一半灯泡,再过20年后才能完全取代。
    “小太阳”变压器汞灯
    设在新西伯利亚市的俄罗斯科学院热物理研究所,开发了一种大工业功率的“超级灯”。由于其功率高达50千瓦,看上去如同太阳,因此,要观察“超级灯”时,必须带上墨镜。人们总爱将各种各样新研制的大功率电光源叫做“小太阳”,无论是当年爱迪生发明的白炽灯,还是现今大规模使用的直径达1米、功率数千瓦或十几千瓦的气体放电电光源,刚出现时,人们惊叹它们功率之大,都称为“小太阳”,但它们与“超级灯”相比,实在是小巫见大巫。
    俄罗斯科学院热物理研究所研制的变压器汞灯,免除了更换灯具的麻烦。这种“超级灯”既无灯泡也无电极,它的主要构件就是一台变压器。由于没有电极,所以这种灯的寿命特别长,为普通的气体放电电光源使用寿命的20倍。与其他各种水银灯一样,变压器汞灯所产生的辐射光谱中,大部份位于不可见的紫外线和红外线波段。这一特性看似减少了可见光,浪费了电能,但正是由于这一特性,变压器汞灯才有了除照明以外的多种用途,例如食品工业中的杀菌消毒,以及医疗方面的光疗等。俄罗斯科学院热物理研究所已经制成了这种新光源的第一盏灯,样灯的测试数据,基本上与具有传统结构的气体放电电光源相似,但发光效率要比它高三分之一以上。
    真正的绿色光源金卤灯
    现今通用的照明技术基本上分为两类,白炽灯和放电灯。白炽灯类,如家居使用的灯泡等,是通过加热钨丝来发光的;放电灯类,如荧光灯、高压钠灯、高压汞灯和金卤灯等,是通过电弧加热使弧管内气体和金属卤化物丸蒸发膨胀来发光的。
    金卤灯属于高压气体放电灯,它之所以会发出高效能的光,是因为金属卤化物丸在参与整个发光过程中,绝大部分能量被转换成可见光,仅有很小部分能量转换成热量,从而产生了相当高的光效。金卤灯是放电灯家族的最新成员,它在许多领域已经取代了白炽灯、高压钠灯和高压汞灯。金卤灯的主要优越性在于其体积较小,一只100瓦的金卤灯电弧管只有一英寸,可安装在很小的外管中。另外,金卤灯对能源的需求明显小于其他灯,所以大大减少了发电过程中废气废渣的排放量,不愧为环保型产品。
    舒适白光与发出暗黄色光的高压钠灯和发出蓝色光的高压汞灯相比,金卤灯所发出的舒适纯白色光受到大多数工业场所和商业场所喜爱,它可使暗室内或夜色下的景致如同在阳光照耀下一样色彩艳丽。
    高效节能金卤灯是当前节能的白色光源。目前,世界上绝大多数电力是通过煤产生的,就一个1200平方米的厂房来说,按一年用电2500小时计算,白炽灯用煤量几乎相当于金卤灯的4倍。一只金卤灯可代替5只相同瓦数的白炽灯,其寿命又是白炽灯的9倍,因此一只金卤灯相当于45只相同瓦数的白炽灯。使用金卤灯后,灯泡用量大大减少,又节省了不少空间,而且由于其质量好、寿命长,不用再为换灯泡头疼了,同时也减少了人力、物力的浪费和大量的固体垃圾,极大便利了工程的设计施工和维修。
    金卤灯应用广泛,适用于室内和室外照明,并有多种瓦数和照明组合,因此在各个领域都有广泛的应用。特别是新型成型内胆脉冲启动系统的金卤灯,光效高、光衰缓、更节能和寿命更长,因此被世人誉为真正的绿色光源。
    发光芯片将替代钨丝
    自爱迪生发明电灯泡以来,人们一直在光明的世界里学习、生活和工作,享受着他的这一巨大贡献所带来的好处。但随着时代发展和科学技术的进步,钨丝灯泡的荧光灯和霓虹灯等照明工具面临被发光芯片取而代之的命运,5至10年后,人们将迎来一个崭新的照明时代。现在家庭使用的电灯泡的工作原理是电能进到真空泡内的金属丝上,经过一番物理变化,然后转化成光能。但这往往只有6%的电能转化成光,而其他94%的电能则转化成了热能。从照明这一角度说,这个浪费可真不小。
    发光芯片在这上面的用途就非常实用,因为它不仅可以在很大程度上减少这种浪费,而且它比传统灯泡的使用寿命更长、耗电更少。发光芯片的特点还有当使用寿命即将结束时,并不是如同普通灯泡一样突然灭掉,而是逐渐暗下来。
    虽然发光芯片问世不久,但它已经表现出咄咄逼人的发展势头。美国的一些设施已经采用了这种高科技的发光芯片。纽约时代广场上纳斯达克指数显示电子板便是用发光芯片制造的,它共用了1800万个发光芯片,造价3700万美元。2002年白宫的圣诞树也是由发光芯片灯装饰的。它看上去格外亮丽,引人注目。发光芯片还可以应用在美国各大城市的交通灯、汽车上的刹车灯以及建筑物的出口指示灯上面。它的优点还可以体现在掌上电脑上。只要下载一个专门软件,就能通过电脑改变照明的光度、颜色和花样。发光芯片是5年前由波士顿一家照明公司“CK”开发的,现如今该公司在照明领域已名声大震。据公司相关人士透露,他们公司在电脑控制发光芯片照明时的颜色方面已有新发现,即发光芯片可以发出1670万种不同颜色。
    马萨诸塞州劳伦斯市的MD软件公司在发光芯片用途上也做了有效的开发。公司利用其优点,设计了一套把电脑游戏连上室内照明的软件。例如,当玩“星球大战”游戏的时候,如果通过了红色星云,那房间一侧的灯光就会变成红色。这样一来就可以让游戏人感受到更大的刺激。 科学家们现在仍然致力于芯片的进一步研究上,希望能把它改造得更细微、更光亮和更省电。照明专家预期发光芯片的应用前景会很宽广,预测在2007年初它会应用在家庭及办公室照明等方面。
    伯格赫是前贝尔实验室研究员,也是美国政府专门开发芯片新科技的贸易组织的主席,他说:“发光芯片的更进一步研究不仅会给人们的生活带来更多实惠,而且还会给社会带来一个革命性的照明时代。那将不仅仅是更换灯泡那样简单,它将会引出一种全新的照明工业。” 


    《绿色家园》 (2004年 第一&二期)


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