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代表着LED家居照明技术顶峰的LED灯泡

信息来源:zhaoming.biz  时间:2011-12-06  浏览次数:326

  LED照明技术的完善,正使其逐步深入家居照明市场。自白炽灯之后,人们在家中将再次拥有一个完美的光源,并且更加节能和环保,当然性价比也会越来越高。
  与那些动辄一年甚至半年就更新一代的消费电子产品相比,灯泡实在太寂寞了。距离爱迪生发明第一只钨丝电灯泡已经过去了整整132年,但照明技术的革命性变化却屈指可数,更别提颠覆性的突破了。
  现在,曙光初现。
  在2012年底以前,如果一切顺利,你可能会在市场上看到一款造型奇特的灯泡:总共有4个发光的腔体,腔体与腔体之间还有四个裂缝用于散热,中部是散热器,尾部则安装着复杂的电子控制系统,用以调节光线的强弱。这款名为L?Prize的灯泡来自飞利浦公司,它极有可能代表着新一代照明技术的未来。
  L?Prize使用的技术是LED(发光二极管),但这绝不是它成为新一代照明代言人的原因。以'半导体晶片+荧光粉'为核心的LED照明最早出现于1962年的GE公司,它最早应用于收音机、小型计算机和电子手表上,被搬到照明领域只是最近几年的事。
  L?Prize之所以被特别提及,是因为它达到了LED家居照明技术的顶峰:它既能达到白炽灯的照明效果,又能大幅提高能源使用效率。它的能效(电力转化的效率)是白炽灯的10倍、是荧光灯的1.6倍,同时还有着白炽灯一样的完美色温。如果把这些拗口的术语拼凑成一张图片,那么应该是这样一个场景:你站在一种令人感到舒适愉悦的暖白色灯光下,而此时为你拍的每一张照片上的每一种颜色都可以准确还原。
  做到这一切并不是一件轻易的事。在接受采访时,曾参与研发的飞利浦照明LED照明全球事业部项目管理部总监刘烨说,最初他们认为那些技术标准简直就是'变态'。
  飞利浦最早于2008年6月起,开始召集美国的LED晶片和电子控制专家、欧洲的荧光粉专家、上海的生产专家等100多人的全球团队,分前期概念、产品设计和商业计划三个阶段,投入到L?Prize的研发之中。这一动作是对美国国家能源部一项法案的响应。后者在这一年做出决定,给率先研发出能替代60瓦白炽灯灯泡的LED灯泡公司以1000万美元的奖励,并将其写入了美国《2007能源独立和安全法案》,其前提是产品满足前面提到的那些严苛指标。
  相对于LED照明需要的研发投入,1000万美元简直就是杯水车薪。不过飞利浦公司也意识到,如果产品能够研发成功,那么将带来可观的政府采购合同和市场主导能力。
  这并不是人类第一次试图为白炽灯寻找替代品。尽管白炽灯的光源很完美,但它的能源转化率过于低下,只有10lm/W,白炽灯把90%的能源都浪费在了发热上。
  在LED之前,荧光灯(即节能灯)曾经被寄予厚望,它的能源转换效率平均能达到50-60lm/W。但荧光灯的一大特点是光色越冷能源转化效率越高,并且直管状是最理想的产品外观。这些特征在很多欧美家庭看来都是不可接受的,没有多少人愿意在自己家的天花板上装上一根直直的、发着冷白色光芒的灯管;在中国,情况也大体相当,很多家庭为了避免光色过冷,会将荧光灯管装在白炽灯的灯带里。
  色温是L?Prize研发过程中需要解决的一大问题。此前的LED照明技术存在一个与荧光灯同样的问题,那就是灯光越暖,LED灯使用的红色荧光粉就越多,效率也会大打折扣。此外,美国能源部的标准中规定的灯泡使用寿命必须大于2.5万小时,几乎是现有LED灯泡平均寿命的25倍。
  为了解决色温问题,L?Prize研发团队在通常的蓝光LED晶片旁加入红色LED晶片,比利用红色荧光粉达到暖色效率要高得多。另外,传统的荧光粉由于直接贴在晶片上,久而久之容易发热,对光线的损耗也非常大。为了达到大于90lm/W的严苛标准,飞利浦开发出了一种名为'Remote?Phosphor'的荧光粉混腔,荧光粉不再直接贴着晶片表面,而是留有一定距离,让各种光可以在腔体内部充分混合,大大提高了效率。
  让刘烨他们觉得最棘手的是,美国能源部的标准规定LED灯必须像钨丝灯一样,灯光能向四周散射,达到全方位分布(light?all?around)。'这是钨丝灯与生俱来的优势,它天生如此。但LED不行。'他说。
  钨丝灯的灯泡构造极其简单,内部除了发光的钨丝之外,四周几乎都是透明的玻璃,只有底部的接口会挡住光线的散射。而传统的LED灯多半设计成半球体,底部放置着LED晶片和散热器,光线只能180度散射。
  散热器也是另一个问题,研发团队想过用液体甚至风扇,最终还是决定用最传统的机械器件,因为那样最节约成本。在不断尝试下,L?Prize的最终形态才得以出现。
  飞利浦在规定期限内提交了2000个样品,开始了漫长的评估:每一只灯泡都必须经历6000小时的测试,观察在各种环境下的表现,这种对可靠性的评估也是关系到LED灯泡性能的另一个关键。
  历经曲折研发成功的L?Prize满足了美国能源部的种种苛刻要求,现在摆在它面前的还有最后一道槛:走向家居照明市场,将荧光灯挤下货架。
  价格目前仍然是阻碍LED灯泡大举进入家居照明市场的最主要因素。根据调查,截至2011年10月,取代传统60瓦白炽灯泡的LED灯泡平均零售价为38.6美元。而如果平均价格不降到19.9美元以下,LED灯泡就几乎不具备大规模替代白炽灯的能力。因此,目前LED照明大都应用在商用领域,比如酒店、餐厅、电视塔和KTV等等。尽管前期投入大,但LED灯泡的高能效、长寿命能让商家在几年之内就收回成本。
  但家居市场却完全遵循'价格为王'的游戏规则。刘烨认为,无论哪个国家,10块钱是一个坎,只要低于10块钱,大部分人就都能接受。他估计L?Prize灯泡的价格目前至少是'小王子'的两倍,就算推出也没有市场。
  '小王子'是飞利浦从2010年开始推出的一款L?Prize灯泡的'廉价版',它们看上去几乎一模一样,但前者各项指标都比L?Prize低10%。在中国售价为250元-300元人民币,在欧洲市场则卖得更贵。而一只60W白炽灯灯泡的价格只要1美元甚至不到1美元。
  不过就像之前任何一个半导体产业的发展路径一样,LED灯泡的降价指日可待。Roland?Haitz早在1999年就预言了这一点。他加入惠普照明实验室之后和同事们共同发布了一份宣言:LED晶片的亮度约每18-24个月可提升一倍,而往后10年内,可以再提升20倍,成本则降到现有的1/10。这一宣言后来被称为Haitz定律,同摩尔定律齐名。
  飞利浦预计在明年年底可以实现L?Prize灯泡的量产,因为到时技术更加成熟,各方面的成本都会下降,而且这也将是整个LED照明市场竞赛的开始。
  在一段很长的时间,荧光灯会和LED灯在家居照明市场上同场竞技,但荧光灯的技术在各方面都已达到顶峰,很难继续突破。除了保持较高的能效转换而导致光色过冷以外,荧光灯更致命的弱点是必须使用汞。这样一来,那些废弃的灯泡对环境存在极大隐患,各地政府不得不建立起一整套回收机制。
  有一点可以确定,那就是效率低下的钨丝灯已经注定退场。欧盟早在2009年起就下达禁令,淘汰100瓦以上的传统灯泡,之后是75瓦、60瓦,到2012年,白炽灯泡将在欧盟国家迎来'世界末日';美国的日程表比欧盟推迟3年;而在中国,根据国家发改委近日公布的白炽灯淘汰路线图,白炽灯将在2016年10月1日被全面淘汰。
  在欧美,已经有人赶在禁令出来之前到超市大量购买白炽灯灯泡,还有不少家居设计师抗议政府的禁售政策。人类学家的研究发现,爱迪生的灯泡之所以成功,是因为它从本质上来说是另一种形式的火焰,而废除白炽灯就好比是要将人类历史上这第一种光明来源弃之不用一样。刘烨也经常和他的同事们感叹,无论数据指标如何接近,任何灯泡其实都无法做到钨丝灯那样光和热的完美结合。这或许就是追求效率的代价。
  不过,同荧光灯相比,年轻的LED产业能够承载更多未来的可能性。两年前,LED灯泡的性能还处于白炽灯和荧光灯之间,如今已经超越了荧光灯,之后还可能会有更新的技术出现。
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