無極熒光燈在不同環境中的應用

陸恒

(河北寶石節能照明科技有限責任公司，石家莊050035)

隨著經濟的發展，能源緊張問題已日益突出，而傳統發電方式造成嚴重的環境污染已經影響到人類的生存與發展。因此，節約能源成為當前社會面臨的迫切課題，針對于我國人口基數大的特點，從照明領域進行節電是一個可以立竿見影的措施。在光源使用上，無極熒光燈和半導體光源(LED)并列為21世紀第四代新光源。經過近幾年的推廣，無極熒光燈的技術水平得到了逐步提高，并且根據不同環境的特點，也發現了在每個領域內無極熒光燈的使用優勢，特別是滿足節電的同時能通過完善的照明方案達到一樣的照明效果，與傳統白熾燈、高壓鈉燈、金鹵燈相比，不僅表現出了高光效、低耗電、長壽命、低光衰的特點，而且結合目前的太陽能、風能等新能源成為社會關注度最高的節能照明光源。

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、等離子體學、磁性料學等理論開發出來的高新技術照明產品。其工作原理為:電子鎮流器產生高頻能量，通過耦合器線圈在放電腔中感應交變磁場，反過來又誘發電場，使燈泡內的氣體雪崩電離形成等離子體，電子在電場中被加速后，與汞原子碰撞，使汞原子激發到高能極上，激發的汞原子從較高能極上返回基態時，發出紫外光子，紫外光子激發泡殼內壁的熒光粉，產生可見光，如圖1所示。

1.2 無極熒光燈的產品特點

(1) 超長壽命:傳統光源的燈絲和電極濺射是限制其壽命的關鍵因素，無極熒光燈內沒有燈絲和電極，采用高頻電磁感應耦合方式激勵發光，工作壽命長達6萬小時以上(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) 高效節能:系統發光效率為65～80 lm/W，中間視覺的視光效110～130 lm/W，且功率因數高達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) 綠色環保:采用固態汞齊、無鉛玻璃、無鉛焊錫，且99%以上的材料可以回收利用，符合世界環保要求。

(5) 高顯色性:顯色指數大于80，光色柔和，呈現物體的自然顏色。

(6) 色溫可選:從2700～6500K，且有多款彩色燈泡可選。

(7) 無頻閃:不產生頻閃效應危害，保護視力。

(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) 瞬時啟動和再啟動:即開即亮，頻繁開關次數可達20萬次以上。

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

(11) 防震、防爆性能好:因為燈泡內沒有燈絲和電極，耐震性能好且點燈位置任意，燈泡點燃時表面溫度低，適合防爆場所。

1.3 無極熒光燈與其他光源參數對比

1.3.1 節能

無極熒光燈與其他光源相比的節能效果見表1。

表1 無極熒光燈的節能效果

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，應相應地提高照度水平，以提高視亮度。

表2 幾種常用光源的顯色指數

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

1.3.3 無頻閃

頻閃是光源工作時亮度隨電流變化而產生的波動。在“閃爍”的光源下工作和學習，視覺系統會試圖不斷調節，做到保證視網膜上光照度的穩定性和成像的清晰性，引起頭痛和降低工作效率，極易導致人的視覺疲勞。而且電光源的頻閃頻率與運動(旋轉)物體的速度(轉速)成整倍數關系時，就會產生靜止、倒轉、運動(旋轉)速度緩慢以及這3種狀態周期性重復的錯誤視覺，引發工作事故。

經科學計算，交流－直流－交流變換頻率達到40kHz以上(CE認證規定40kHz)時，在人的視覺中會形成平滑穩定效應，不再產生頻閃效應危害。表3中為各種光源的波動深度。無極熒光燈以高頻工作，消除了照明因素對視力健康的危害，是教室和辦公照明的最佳選擇，也是工礦企業、商業的安全照明光源。

表3 不同光源的波動深度

1.3.4 低光衰、長壽命

圖3為無極熒光燈燃點60000h內的光通維持率曲線。

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%，因此在設計時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光源壽命的關鍵，由于無極熒光燈內沒有燈絲和電極，無極熒光燈可以說是沒有壽命終點。但是考慮到熒光粉的光衰，光通維持率達到75%時，壽命試驗燈泡已點燃7年，共計61320h。

1.3.5 瞬時啟動

無極熒光燈能夠瞬時啟動和再啟動，頻繁開關次數可達20萬次，適用于頻繁開關以及應急照明。

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(半導體)發光，因此在發光原理上無極熒光燈即占有了光衰小的優勢，同樣使用在道路照明時無極熒光燈更具有長壽命的優勢，它們同為綠色光源的新秀，有著多項相似的特點，但在應用領域上各有偏重，LED燈目前主要用于景觀裝飾、樓體亮化、字幕廣告等照明，并且在顯示領域地位明顯，通過使用單體功率小的單光源組合，有效的規避了散熱問題，同時利用LED燈方向性極強的特點，在深井照明，遠程探照等方面優勢明顯;而無極熒光燈主要以車間工作及戶外公共區域的功能性照明為主，因為光源整體體積較大，因此配光相對均勻，適合設計為均勻性很高的工作場所，例如在工礦領域具有很明顯的優勢。今后這兩種最新技術的綠色照明電光源將會在各自發光機理的基礎上繼續發展，逐步取代大部分傳統照明電光源。

2 各個領域的應用

2.1 道路照明的應用

2.1.1 無極熒光燈用于夜景照明的優勢

光譜光視效率是用來評價人眼對不同波長光靈敏度的量，不同波長、相同能量的光在人眼中產生光感覺的靈敏度不同。明視覺時人眼靈敏度的最大波長在555nm，暗視覺時人眼靈敏度的最大波長在507nm，即實際人眼看到的光通量除與光源本身的光能量有關外，還與不同視覺條件下的光譜光視效率有關。隨著周圍環境亮度由明視覺向暗視覺轉變，整個光譜光視效率曲線向短波方向推移，即藍綠色光的人眼敏感度增強。無極熒光燈為紫外線激發三基色熒光粉發光，有連續較強的藍綠光，符合中間視覺環境下人眼對照明的光譜要求。

在夜晚行駛時，駕駛員察覺危險性越早越好，反應時間越短越好，司機對微小障礙物的反應時間與光源的光譜組成也有關。無極熒光燈因為光譜中含藍綠光成分較多，接近自然光，因此司乘人員的反應時間比高壓鈉燈短，同時無極熒光燈常用的色溫5000不同于高壓鈉燈的暖色調，在讓駕駛者保持積極清醒的同時，也更易于適應，即在夜晚道路照明中，無極熒光燈是一種新型的安全系數較高的綠色光源。對一種電光源特性優劣的評價必須全面、綜合考慮，不能只突出單項指標，光效、壽命、顯色性、光衰等基本指標都要同時顧及。目前能全部兼顧以上各項指標要求的電光源只有無極熒光燈。

2.1.2 道路照明的優勢［3］

配光優勢: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，因此燈桿的設置距離沒有變化，在舊工程改造中，光源更換過程不會有施工障礙，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。

均勻度優勢:在《CJJ 45—2006城市道路照明設計標準》中規定均勻度的最小值是0.4，而使用210kHz無極熒光燈時，因為光源矩形較大的特點，通常在節能50%的前提下還可以提高均勻度維持在0.6～0.7之間。

結構優勢:無極熒光燈屬于大體積光源，因此發光面積較大，而高壓鈉燈的發光體積較小，因此在燈桿的設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駕駛者視線的干擾，實際使用中，無極熒光燈不僅不會干擾駕駛者的視線，同時在整條路上的引導作用遠遠強于高壓鈉燈。

節電優勢:目前在道路的T型路口和十字路口經常采用的照明是高桿燈進行懸掛8個，或者更多的投光燈進行照明，經測試發現，此部分照明對駕駛者的幫助很小，只是起到了對中心區域一個簡單的烘托作用，因此在轉角處設置無極熒光燈可以替換掉一部分高桿燈上的照明器，采用的結構是雙燈頭，分別叉開在每個道路上，這樣整體算下來相當于一個道路方向上的165W路燈可以替換掉高桿燈上至少一盞400W的投光燈。

設計優勢:初期設計要考慮現有高壓鈉燈的理論壽命是14000小時，相比于無極熒光燈的60000小時實際壽命差距太大，因此在初期的設計方案中高壓鈉燈要為之后的高光衰提前做好準備，往往是一級道路平均照度水平達到30 lx就可以，而用高壓鈉燈則要設計達到50 lx，二級道路平均照度20 lx就達標，則要設計到35 lx甚至更高，用無極熒光燈時20000小時光通量損失不到20%，因此在設計初始階段剛好超過標準就能保證在接下來的3年里一直處于達標的水平，這無疑進行了更實質的節電節能。

2.2 工礦照明的應用

目前工廠里存在兩種照明環境:一種是密閉的操作環境，另一種是開放的加工環境。前者的環境特點決定在以前只能使用節能燈，因為金鹵燈的表面溫度高達300℃，一方面出于安全的考慮，一方面出于降低空調動力成本的考慮，但在實際使用過程中發現，現有節能燈的廠家就是一味的要求功率增大，實際配套的燈具根本沒做改進，整體照明器根本不協調，巨大體積的光源與反射罩不匹配，雖然光源很亮但是相當大一部分的光損失在反射罩里，沒有反射出來;后者因為開放經常采用功率高達1000W或者更高的金鹵燈進行整個區域的泛光照明，而金鹵燈的發光特點如圖4所示，在以柱狀光源為核心的區域向外輻射，這種特點的配光基本適合于對廣場起到泛光照明的作用，在工廠企業里面，沒有兼顧到“節能減排”政策下企業對照明節約用電的壓力，以及工廠里面有工人工作的時候需要功能性照明的特點，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進行場景模擬，原在6米高區域的400平方米內使用2盞1000W的金鹵燈進行廣泛照明，現如今更換為BSWJ135PA5000光源進行照明，使用四盞就已經超過原有的照明水平，不僅整體照明均勻度更好，同時相比于原來節電73%，如果均勻布燈采用九盞工礦燈，那么整個400平米的區域內平均照度到達100 lx以上。

2.3 隧道照明的應用［4］

在鐵路、高速公路類場合中，以前使用的是數量過多的高壓鈉燈配合部分金鹵燈進行照明，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，尤其是后半夜的時候要求較低要關閉部分光源，這樣一方面節省了電力，另一方面循環休息為保證光源能夠長壽命的使用下去，尤其是在夜晚的時候分批次點亮，更能夠有效的延長高壓鈉燈的使用壽命。而目前經過論證和試用，設計院通常將無極熒光燈設計到隧道環境，這通常是考慮到維修更換不方便的因素，而且要充分發揮無極熒光燈瞬時點亮的特點，在以往的隧道照明中，使用的最低功率的高壓鈉燈是150W，在出入口處為達到要求使用數量更多，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。而使用無極熒光燈情況則可以大大改觀:

第一、直接在500米外設置探測裝置，當發現車輛經過時及時點亮，持續幾分鐘點亮后如果沒有后續車輛經過就可以自動熄滅，這在白天無疑節約了很大一筆電力支出。

第二、入口出口處分線纜、分回路進行照明，例如以晚上需要點亮的光源做一個回路，其余做成另外一個回路，白天的時候兩個回路同時與探測頭連接，當檢測到有車輛通過時及時進行兩個回路的同時點亮，達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器連接。

第三、燈具的改進，目前使用最多的隧道燈具是根據金鹵燈的發光特點進行設計的燈具，見圖5，為保證燈具與無極熒光燈的發光特點匹配，新型隧道燈具在此基礎上進行了改良，如圖6所示，新型燈具的特點是定向制作，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 傳統隧道燈具

圖6 新型隧道燈具

圖7 集中配光曲線

3 結論

無極熒光燈作為新型光源，技術已經成熟，水平也已經提高到一定程度，目前使用無極熒光燈還具有一次性投資少、無長期運行費用、長壽命、免維護等特點，同等工程時降低了電纜型號，及節約了用電，也為客戶節約了能源，免除了電費和維護費用，使公共照明更方便、安全、環保和節能。在國家大力推行“節能減排”政策的背景下，無極熒光燈具有無可比擬的節電優勢，只要配置合理，勢必成為將來照明節能的先鋒。

［1］謝立山．高頻無極燈原理和發展前景及在實際工程中的應用．維普資訊網

［2］蔡東蛟，葉宇煌．環形無極燈的特性分析和試制．光源與照明之光源研究．福州大學信息科學與技術學院(350014)

［3］沈季平，倪興達．高強度氣體放電光源的近期進展．高強度氣體放電光源的近期發展

［4］涂耘，王小軍，周健．福建公路隧道洞外亮度L20(S)研究．公路交通技術，2007，9，(重慶交通科研設計院400067)