基本信息
- 项目名称：
- 大功率感应耦合等离子体节能光源
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 大功率感应耦合等离子体节能光源以提高大功率照明领域用电效率、改善照明光源整体特性为目的，综合运用电磁场、等离子体物理、新型材料、电力电子等多个学科知识，对感应耦合等离子体光源的灯管、电磁能量耦合器和高频电源三部分提出了全面的创新设计方案。作品具有系统效率高、色彩还原性好、光衰小、可瞬间反复启动、寿命长和低成本等优势。作品与其它大功率光源相比，其性价比最高。
- 详细介绍：
- 据统计，全球大功率照明用电量约占总用电量的19%，而白炽灯、高压钠灯和高压气体放电(High Intensity Discharge：HID)灯等普遍使用的大功率光源存在发光效率低、色彩还原性差、寿命短等问题，面对全球能源枯竭的现状和节能减排的要求，发展先进的大功率光源势在必行。 大功率感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma：ICP)光源是一种新型光源，由高频电源、耦合器和灯管三部分构成，无阴极灯丝。高频电源驱动耦合器，产生交变电磁场能量激励灯管内的汞原子气体，使其外层电子受激跃迁产生紫外光作用在荧光粉上发出可见光。其技术内涵丰富，涉及电磁场、等离子体物理、电子技术、新型材料科学、电力电子等多个学科知识。 作品针对当前蓬勃发展的大功率ICP光源进行了全面的技术创新和设计，在提高发光效率、显色特性和自身安全性，以及降低成本等方面取得可喜实效。主要创新为：(1)设计了特有的电磁能量耦合装置(耦合器)和灯管结构，有效降低了能量损耗；(2)从E型放电特性深入分析，设计了灯管快速启动装置；(3)提出了高光效、高显色特性和低光衰的荧光粉材料配比和涂粉工艺；(4)经科学分析和反复试验，提出了采用多元惰性气体填充并控制灯管功率的新方案，有效保证了灯管功率稳定性；(5)经反复试验，摸索出了适合于大功率ICP节能光源的变频功率调制方案，使高频电源的损耗得到大幅度降低，有效解决了电磁干扰问题；(6)设计了独立供电系统和异常检测与保护电路，消除了高频电源工作机械噪声，有效提高了大功率ICP节能光源在灯管漏气、耦合器开路、耦合器短路等异常状态的适应性，有效解决了高频电源系统本身的工作安全性问题。 作品的主要技术指标为：(1)系统效率达到85lm/W，与当前大功率场合应用较多的高压钠灯、HID灯相比，光效分别高出33.1lm/W、43.5lm/W，根据用户的实际使用报告，作品节电超过50%；与知名厂商的同类产品相比，作品整体效率提高了约24%；(2)显色指数达到89.3，比高压钠灯高50，比HID灯高30；(3)工作8000小时的光衰小于10%，与高压钠灯和HID灯相比，光衰性能优势突出；(4)电磁兼容符合FCC的B类标准；(5)灯管理论寿命为10万小时；(6)启动时间小于1秒，相比HID灯和高压钠灯约15分钟的启动时间，作品的启动特性有革命性的改善；(7)可在宽输入电压范围AC150~265V下正常工作，能有效应对电网波动所带来的影响。 综合评价，作品具有光效高、色彩还原性高、光衰小、可瞬间反复启动、工作温度低、寿命长、启动无浪涌干扰、成本低等优势特性，是所有大功率照明光源中性价比最高的，几乎所有的大功率照明场合都可以推广应用。比如道路、隧道、广场等，对色彩还原度要求较高的如实验室、摄影棚、商场等，对安全性要求较高的场合如化工厂、加油站等，作品应用前景良好。同时，作品技术在紫外杀菌、等离子微量元素检测、化学转化和污水处理等领域均有广泛的应用前景。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计、发明目的：全球大功率照明用电量约占总用电量的19%，常用的大功率光源存在效率低、寿命短等问题。面对全球能源枯竭的现状和节能减排的要求，发展先进的大功率光源势在必行。设计了一种效率高、寿命长、可瞬间反复启动、色彩还原性好、低光衰等优势的大功率感应耦合等离子体(ICP)节能新型光源。 基本思路：大功率ICP节能光源由高频电源、耦合器和灯管构成，无阴极灯丝。高频电源驱动耦合器，产生交变电磁场能量激励灯管内的汞原子气体，使其外层电子受激跃迁产生紫外光作用在荧光粉上发出可见光。作品运用电磁场、等离子体物理和电力电子等学科知识，进行了全面的创新设计，得到了系统效率高、寿命长、色彩还原性好、低光衰、可反复快速启动等优势的绿色节能光源。 创新点和关键技术：(1)设计了特有的电磁能量耦合装置和灯管结构，有效降低了能量损耗；(2)从E型放电深入分析，设计了快速启动装置；(3)提出了高光效、高显色指数和低光衰的荧光粉配比方法；(4)提出了采用多元惰性气体填充灯管的新方案，有效保证了灯管功率稳定性；(5)设计了变频功率调制方案，有效提高了高频电源效率，有效解决了电磁干扰；(6)设计了独立供电系统和异常检测与保护电路，解决了灯管漏气、耦合器开路/短路等异常状态的安全性问题。 主要技术指标：系统效率85lm/W；光衰<10%(8kh)；显色指数89.3；符合FCC的B类EMI限值；宽输入电压AC150~265V；灯管理论寿命10万小时；启动时间<1s。
科学性、先进性
- 常见大功率光源有白炽灯、高压钠灯和HID灯。白炽灯光效低、寿命短，已面临淘汰；高压钠灯、HID灯复启动特性不佳，且系统效率和显色指数偏低；LED/OLED在大功率应用中技术还不成熟；大功率ICP节能光源在大功率照明领域最具发展前景。 作品设计了特有的耦合器和灯管结构；设计了快速启动装置；填充多元惰性气体解决了灯管功率稳定性问题；设计变频功率调制算法、异常检测与保护电路、独立供电系统等创新方案，提高了作品的综合性能。经系统效率、光衰、色彩还原性、反复启动特性等技术参数的对比试验，作品的性价比是当前已见到的大功率光源中最高的。 与高压钠灯、HID灯相比，光效分别高出33.1和43.5lm/W；8千小时光衰小于10%，比HID灯和高压钠灯少30%以上；显色指数达89.3，比高压钠灯高50，比HID灯高30；启动时间小于1s，远小于HID灯和高压钠灯约15min的时间。 作品与同类产品相比，高频电源温度低5~12℃、体积减少近40%，灯管温度低14~17℃；整体效率提高约24%。
获奖情况及鉴定结果
- 尚未报奖及鉴定
作品所处阶段
- 作品已经进入了中试阶段，进行了小批量生产并推广应用，实际使用情况反映，节能效果显著。
技术转让方式
- 尚未转让
作品可展示的形式
- 作品实物、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品具有光效高、色彩还原性高、光衰小、可瞬间反复启动、寿命长、成本低等优势，是已见大功率光源中性价比最高的，可以应用在各种大功率照明场合，在紫外杀菌、等离子微量元素检测等领域也有广泛的应用前景。 据统计，2010 年中国发电总量为41923亿kWh，燃煤发电量占73.3%，在2011年日本大地震引发的核电危机背景下，燃煤发电在未来几十年内还将继续。按一吨标准煤发电3000kWh，产生2.62吨二氧化碳、0.715吨粉尘、8.5千克二氧化硫、7.4千克氮化物、0.22克汞等物质计算，燃煤发电总计排放25.6亿吨二氧化碳、6.99亿吨粉尘、831万吨二氧化硫、723万吨氮化物、215吨汞。 2010 年，中国大功率照明用电占总用电量的13%，根据实际使用情况，作品比HID灯和高压钠灯节电超过50%。如果广泛采用本作品在我国大功率照明领域推广应用，则每年预期可减排1.66亿吨二氧化碳、4550万吨粉尘、54万吨二氧化硫、47万吨氮化物、13.98 吨汞。作品非常符合节能减排的要求。
同类课题研究水平概述
- 1991年日本松下公司推出一款无极灯，飞利浦与此同时研制出高频无极灯，但由于成本高、散热功能差等一系列问题，使无极灯一直没有商业化。从2005年以来，多个国家对LED照明技术进行鼓励和推广应用，但由于其相关技术的成熟度不够，在大功率场合的发展受阻；而一直承担大功率照明应用的高压钠灯、HID灯在始终存在不能瞬间(反复)启动、色彩还原性差、光衰严重、灯管工作温度高、系统效率低、抗振性差等问题。于是，照明行业开始寻求新型大功率照明技术，国内外的电光源学者和工程师们将目光投向了无极灯技术。2008-2010年初，中国福建源光亚明、上海宏源等公司开始研发新式无极灯技术。目前，国内无极灯企业已有近百家，发展速度较快，但行业内存在较多的问题。主要体现为：大多企业生产规模小，生产设备落后；对无极灯本身的原理和技术的研究深度不够；对照明行业相关知识及现状认识不足；在无极灯系统学科、技术原理等方面内缺乏学识全面的工程技术人员，缺乏创新，宣传少、可持续研发投入少、无序竞争；业内目前的无极灯产品总体档次偏低。 大功率ICP节能光源是一种新型光源，涉及电磁场理论、等离子体物理、电子技术、新型材料科学、电力电子等交叉学科和技术，具有非常丰富的学科和技术内涵。大功率ICP节能光源具有光效高、色彩还原性高、光衰小、可瞬间反复启动、工作温度低、寿命长、启动无浪涌干扰、成本低等优势特性，在当前的所有大功率照明光源中，是性价比最高的。 预期在未来的10年内，大功率照明场所将会普遍采用大功率ICP节能光源。几乎所有的大功率照明场合均可推广使用。比如，一般的道路、矿区等大功率照明场合，对色彩还原性要求很高的实验室、摄影棚、商场、工业生产车间等，对安全性要求较高的化工厂、加油站等。应用前景良好。同时，大功率感应耦合光源技术在紫外杀菌、等离子微量元素检测、化学转化和污水处理等领域均有广泛的应用。本作品所提出的大功率感应耦合等离子体节能光源将具有很大的市场发展潜力。
