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绿色照明、SSL及蓝光危害之我见(下) 2013/4/2 15:54:03
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绿色照明、SSL及蓝光危害之我见

文/周太明

说明:因篇幅过长,本文分成三段呈现,第一部分:什么样的照明才是绿色照明;第二部分:绿色照明对光源的要求第三部分: SSL是对传统光源的一场革命。 本文乃第三部分:

  三、 SSL是对传统光源的一场革命 [9]

  1. 为何要对具有 130 多年历史的传统光源进行革命

  在美国,半导体照明也被称为固态照明(Solid State Lighting, SSL)。SSL的名字与SSE(固态电子学,Solid State Electronics)十分相似。我是学电子物理的,对电真空器件比较熟悉。在我读大学的年代,真空电子管正遭遇半导体晶体管对它发起的一场革命。真空电子管的体积在50年内从300ml缩小到10ml,此步幅相当于在50年内线性尺寸减小了3倍。真空电子管代表了一种成熟的技术,很少有机会再提高它们的性能。与之相反,晶体管的线度每6年减小3倍,而且50年后依然维持这样的步幅。晶体管耗电比真空电子管也小得多。在晶体管发明10年后就注定了真空电子管死亡的命运,其棺盖上的最后一颗钉子则是晶体管的集成化。在晶体管发明20周年之际,它与真空电子管的战斗已经结束了。现今,真空电子管只是用于日常生活中的一些特殊场合,如磁控管用在微波炉中,大功率管用于AM和FM无线电发射机中等等[9]。

  那么,同样是电真空器件的传统光源的命运又将如何呢?记得在2008年时校友中国工程院陈良惠院士请我调研一下热辐射光源和气体放电光源的发展前景。我请教了行业内的很多专家,也与我的不少同事进行了讨论。在认真研究思考之后,感到传统光源性能提高的空间有限。在看了 Roland Haitz(安捷伦公司的前任技术科学家)Jeffrey Y.Tsao的文章[9]和(该文已译成中文,刊于《中国照明电器》2012年第12期和2013年第1期)后,发现早在1995年时,由EPRI 倡议所写的评论[10]推断:现存的所有照明光源性能的提高都面临着基本物理原理的限制,在可以预见的未来它们的提高将是很有限的。我多年从事光源研究,但对其发展前景的认识比人家整整晚了十多年。

  Haitz 等物理学家在文章中指出,传统光源的致命弱点是光电转换效率低:白炽灯将电转换成可见光的效率只有5%,荧光灯也仅28%。这样低的效率似乎为光源效率的提高留下了很大的空间。然而如前所述,在可以预见的未来,没有哪一种传统光源技术的转换效率能有重大的飞跃。这给了人们一个启示:就如同真空电子管一样,传统光源技术也是一个容易被攻破的目标。

  1999 年时,红光 LED 的光效已有引人注目的改进,LED 和激光 LED 在红外和光谱的红色区域的转换效率已经达到 50% ~ 60%。假如 SSL 能够在整个可见光区达到这样的性能,那么具有大于 50% 转换效率的光源看来是有可能实现的。光源光效如增加一倍或两倍,将使照明的能耗减少 50% ~ 75%。1999 年这一认识在全世界引起了共鸣。此后,美国、欧洲、韩国、日本和我国都先后启动了各自的半导体照明工程,向具有130多年历史的传统光源发起了革命。

  2.前十余年 SSL 取得的成就

  在半导体照明领域有个著名的Haitz定律(图5),它对两个量的历史演变情况进行分析:给定年份商用的最大功率的红色LED的光通量(以lm/lamp—流明/灯为单位);大量采购LED器件时原始设备制造商(OEM)所提供的光的价格(以$/lm—美元/流明为单位)。由图5可以看到,红色LED的lm/lamp以每十年20倍的速度增加;其光的价格$/lm则每十年下降到1/10。而冷白光LED上升和下降的速度比红色LED还要快。

  白光LED光效的提高更是突飞猛进。2005年时,市场上能够买到的好的冷白光LED光效约40lm/W,2009年时升高到约100lm/W,而到2012年时达到了140lm/W左右。实验室水平的提升就更快了。以科锐(Cree)公司为例,2010年时实验室光效为208lm/W@350mA,2012年4月光效达到254lm/W。在近期召开的照明战略会 (SIL)上他们又宣布创造了276lm/W的新纪录[11],相关色温约4000K,Ra数值不详。

  

图 5 (www.pss-a.com) Haitz 定律的图显示了两套数据。

Flux/lamp 的这套数据给出在 1968 ~ 2010 年能够商购的红色和冷白光LED 灯的最高光通量。Cost/lm 的那些数据则给出 1973 ~ 2010 年有商品供给的红色和冷白光 LED 灯的每流明光的最低价格。Flux/lamp 的这套数据和 Cost/lm 的那些数据可能是对同样的灯,也可能是对不同的灯。这两条趋势线都是以红色 LED 数据为基础,而以白光 LED 数据叠加在红色 LED 趋势线上。红色 LED 趋势线上不同的符号是相应于不同的红色材料技术,这些材料在图的底部已加以说明。

  白光LED的光色质量也有显著的提高,逐渐能满足通用照明的要求。高色温LED的一般显色指数Ra可达到70,低色温LED的Ra可达到80,甚至更高。现在的白光LED光源基本都是采用氮化物芯片的蓝光激发黄色的YAG荧光粉的方法。无论是用于激发的蓝 光还是 YAG 荧光粉对于温度的变化都不敏感,从而使得用它们生产出的白光照明产品的光色得到“足够好”的控制。近期改善光效和光色控制的进展,使人们有信心相信:蓝光激发荧光粉生产的白光 LED 灯(PC-LED),在接下去的 10 年中将能满足通用照明市场对光色控制的要求,并且达到期望的价格目标[9]。有不少人担心原来采用的Ra可能不能正确反映白光LED的显色性。但美国NIST的研究表明:对现在大量应用的 PC-LED,采用 Ra 评价显色性没有问题[12]。

  

图 6 Human Centric Lighting 公司的可调节照明台灯和飞利浦公司的 变色 - 混色桌灯

  白光 LED 在通用照明中的应用也展现了良好的前景。为了取代耗电严重的白炽灯,美国能源部发起了L Prize(Bright Tomorrow Lighting Prize)竞赛,其中一项是采用10W的LED灯泡替换60W的白炽灯。飞利浦公司赢得了这场比赛,10W的LED灯泡的光通量达到与 60W 的白炽灯同样的水平(900lm),色温 2700 ~ 3000K,Ra90, 而且也是全方位发光。采用新的照明理念设计的LED灯具也不断问世。图 6左边是一款可以调光和变色的台灯,它赢得2012明天照明奖[5];右边是飞利浦公司的七彩变色-混色桌灯,操作简易,将灯倾斜一下即可开灯和关闭,无线感应充电轻松易行。

  

图 7  2006-2011 年间我国半导体照明产值及增长率有了惊人的进展

  我国2003年启动半导体照明工程,在发改委和科技部等的正确领导下,在不到十年的时间里我国的半导体照明工程取得了长足的进展。2011年时我国半导体照明形成了产值达1560亿元的产业链,我国芯片的国产化率达70%[8];2012年我国半导体照明产业的整体规模达到1920亿元,国产LED器件的光效超过130lm/W[7] 。有关我国半导体照明的发展情况在诸如[7,8]等资料中有更多介绍,这里就不再细述。

  3.SSL革命最后能够取得完全的胜利吗?

  对这个问题,很多人已经没有疑问,但是肯定还有人心存疑虑,对此也是不难理解的。传统光源有130多年的历史,可算是根深蒂固。SSL可能打败它吗?SSL能否成功的关键因素之一是看传统光源企业的态度,是联合起来攻击SSL呢,还是支持它?事实清楚表明传统光源企业是采取了后一选择。近几年来我们看到的是世界上领先的照明公司已经加入到SSL革命中来,而且成了革命的主力军。同样,国内照明企业的一些巨头也在积极参与SSL革命。他们很明白,只有积极参与这场革命才是他们自身最大利益之所在。

  表 2 对冷白光和暖白光 SSL 灯在设定的工作条件和电价下的光效、场外市场价和投资回收期的预测


  SSL存在的一些技术问题正在逐步得到解决。记得在大功率白光LED问世不久 上海某大学的教师做试验,发现很烫手,他就说:“这样烫,怎么能用?!”但随着光效的不断提升,现在散热的问题就比从前容易解决了。相信当LED的光效如Haitz等预期的那样(表 2)达到180lm/W时,散热就更不是太大的问题了。新事物有一个发展的过程,作为科学工作者首先是要判断大方向,对可能存在或出现的问题,要用科学的态度去分析研究,找出解决的正确方法。而行业的专家更应该具有前瞻的眼光。

  半导体照明质量的控制离不开标准和检测。非常高兴看到关于半导体照明的标准正在陆续制定出来,并且不断完善。国内的一些检测机构做了大量卓有成效的工作。最近国家电光源质量监督检验中心(上海)、国家灯具质量监督检验中心通过从正规市场随机抽样,对 27 个不同种类的 LED 灯,进行蓝光危害的检测。上海照明学会理事长俞安琪在“对LED蓝光危害检测结果的分析与建议”一文[13]中指出:“本次检测的27个样品中,在正常使用状态下未发现达到2类蓝光危险的情况,正常使用状态下可安全使用。11个异常使用状态条件下的样品中,有一个样品达到2类危险,如无防护措施可能对人体造成危险。” 他们的工作对一段时间以来炒作得很厉害的“蓝光危害”问题做出了科学的回答。

  表3 Wout Van Bommel 教授的研究结果



  图 8 三基色荧光粉的发射光谱 [15]
① Y2O3: Eu3+; ② CeMgAl11O19: Tb3+; ③ BaMg2Al16O27: Eu2+

  他们还给出了对低色温 CFL 灯和 LED 灯的检测结果:CFL 灯,色温 2700K,Ra86.4,光效71.7lm/W,蓝色比3.8%;LED灯,色温3000K,Ra87.2,光效87.8lm/W,蓝色比2.2%。我们注意到:在接近的色温下,CFL 灯的蓝光含量比 LED 灯还高一点。此一结果与CIE前主席Wout van Bommel教授的研究[14]结论基本上是一致的(见表3)。实际上,CFL的蓝光还是不少的,图8是CFL所用的三基色荧光粉的发射光谱。根据相关的国际和我国的标准[16],蓝光对于视网膜的伤害主要是由400~500nm的辐射造成的。我们注意到三基色荧光灯蓝粉的发射光谱正好覆盖了这一敏感区域,而且此发射谱的中心部分正是对应于视网膜的伤害加权函数B(λ)值大的部分。对高色温的 CFL,蓝光的量就更大了。

  最近潘建根、张善端、林燕丹和我又对室外阳光照明时的蓝光情况做了初步分析。张善端经过查阅文献并进行计算[17],得到太阳的辐亮度约为2×107W/(m2•Sr•nm)。我们手边没有太阳全光谱的详细资料,故采用6000K的黑体来进行模拟。得到太阳光谱中400~500nm区间的辐射约占总辐射的1/7,此区间内视网膜的蓝光伤害加权函数B(λ)的平均值为0.65,则仅t=1 秒时的曝光量就约为LBt~2×10 6J/(m2•Sr•nm),比蓝光对于视网膜伤害的限定值LBt≤106J/(m2•Sr•nm)(t ≤104秒)还高。林燕丹也对各种光源照明下蓝光危害进行了计算[18]。她选定了一个常见的应用场景,假定人们在被测光源下观看距离眼睛50cm处的一张理想的白色名片(具有理想的反射率100%,且为理想漫射面,尺寸5.5cm×9cm)。计算在名片上达到相同照度1000lx时,几种光源的蓝光危害辐射值。结果发现,CFL和LED灯的蓝光危害辐射含量都比晴天日照小。

  由上面的讨论和计算可知,所谓 LED“富蓝”问题也是一种炒作而已。我觉得现在社会上对于蓝光危害的问题好像有点过度担忧。其实,还有一点很重要:我们照明时并非是盯着灯看,就如同Wout Van Bommel教授开玩笑时说的一句话“你会有勇气盯着太阳看吗?”我们当然也不会盯着 LED 灯去看啊。

  不过,对LED的蓝光有一个特别值得关注的问题:460nm正是控制我们生物钟的神经节细胞最敏感的波长。如果,在晚上采用色温高的LED照明,就会抑制褪黑色素的分泌,影响人们的休息和睡眠。因此,在夜晚时建议采用低色温的LED照明;城市内的路灯色温以 4000K 为好,最好不超过4500K。表3的研究数据是针对影响人的生物节律而得出的,可以发现晚上在室内照明中,采用色温4000K以下和显色指数80以上的LED照明应该不必担心。当然,我们对于蓝光LED还是要注意防护,在景观照明中要慎用蓝光LED;LED灯具要有光学元件,减少其亮度,并防止光线直接射向人的眼睛。

  现在我国LED照明还存在不少困难和问题,但相信经过各方努力会逐渐克服和解决。三十年前CFL开始发展时,我们也遇到类似的情况。有CFL发展的经 验,LED照明发展的道路应该会顺畅得多。

  Roland Haitz 和 Jeffrey Y. Tsao 在他们文章的结尾中说,在下一个 10 年里,SSL 灯的光效将接近光源光效的极值,从篝火、蜡烛、灯泡到SSL这一贯穿人类历史的一系列的人造光源的革命将会结束。我不完全赞同这一说法,但是到那时,人造光源光效进一步提升的空间确实可能已经不大了,在照明的舞台上 SSL 将成为主角。

  致谢

  本文撰写过程中引用了一些宝贵的资料,尤其是Wout van Bommel教授、Roland Haitz 博士和Jeffrey Y. Tsao 博士的文章,以及上海国家电光源质量监督检验中心的测量数据。另外,在写作过程中,与潘建根教授级高工、张善端副教授和林燕丹副教授等进行了十分有价值的讨论,得到他们的帮助与支持。在此一并表示感谢。由于水平所限,文中如有不当或错误,请批评指正。

       参考文献
[1] 中国照明学会编著 《照明科学与技术学科发展研究报告 (2010-2011)》
[2] Philips Lighting B.V. Lighting ManualFifth Edition 1993
[3] David M. Berson, Felice A. Dunn and Motoharu Takao “Phototransduction by Retinal Ganglion Cells That Set the Circadian Clock” Science, Vol. 295,1070-1073 (2002).”
[4] Wout van Bommel “The Third Photoreceptor in The Human Eye and Its Meaning for Lighting”Proceedings of Pal. 2003
[5] Rod Heller, John Hwang and Stan Walerczyk “Tunable Lighting” LEDs Mgzine ewsletter (19 December 2012)
[6] Wout van Bommel “Dynamic Lighting at Work—Both in Level and Color” CIE 2006 Ottawa
[7] CAS LED Cunsulting 《中国 LED 通用照明行业市场研究报告 2012》
[8] UNDP/GEF 中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯项目中国绿色照明工程战略研究子课题专家咨询报告“我国绿色照明发展现状研究报告”(2012)
[9] Roland Haitz , Jeffrey Y. Tsao “Solid-state lighting: “The case”10 years after and future prospects” Phys. Status SolidiA 208, No. 1, 17-29 (2011)
[10]A. B. Gough,in:ALITE’95 Workshop,Electric Power Research Institute (EPRI), Rochester, NY, 1995,Proc. ALITE ’95 Workshop, EPRI-TR-106022.
[11] Cree announces a new laboratory LED efficacy milestone at SIL Feb 18,2013 LEDs Magazine Resource Center  eNewsletter (February 22,2013)
[12] Yoshi Ohno,Wendy Davis (NIST) 著,周太明译 “CQS 与 CRI 的对比分析”半导体照明杂志 2011
[13] 俞安琪“对 LED 蓝光危害检测结果的分析与建议”消费日报 照明版 2013 年 1 月 24 日和2013 年 2 月 7 日
[14] Wout van Bommel “Lighting Quality and Energy Efficiency, A Critical Review”
[15] 周太明 周详 蔡伟新 光源原理与设计(第二版)复旦大学出版社 2006
[16] GB/T 20145-2006/CIE S 009/E:2002 灯和灯系统的光生物安全
[17] 张善端 “太阳相关辐射量的计算”(私人通信)2013 年3月1日
[18] 林燕丹 “各种光源蓝光危害计算结果”(私人通信)2013年3月6日

【本文乃博主原创,已经刊登于《半导体照明》2013年第二刊,在此仅作探讨和分享,用于出版以及商业用途请联系博主。转载须注明作者与出处】
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