Серная лампа. Многообещающее начало и… непрогнозируемое будущее? Часть III. Технические характеристики ламп и системы светораспределения


PDF версия

В Частях I и II данного обзора говорилось об истории создания серных ламп и немного о физике серного разряда, генерирующего световое излучение со спектром, близким к солнечному. Напомним, что источником светового излучения в этих лампах является СВЧ-разряд в кварцевой сферической колбе (диаметром 30–50 мм), наполненной порошком серы и инертным буферным газом. Разряд возбуждается и поддерживается микроволновым излучением от магнетрона. В последней части обзора рассматриваются технические характеристики этих ламп и различные способы распределения их светового потока.

 

Характеристики серных ламп

Как уже говорилось, серные лампы, помимо того что их спектр близок к солнечному, привлекли внимание светотехников также большой световой отдачей. Различные характеристики первых серных ламп, разработанных компанией Fusion Systems (в дальнейшем, Fusion Lighting2), представлены в таблице 1 [1]. Здесь же приводятся параметры металлогалогенных ламп (МГЛ), мощность которых сравнима с мощностью серных ламп.
Как видно из таблицы 1, первые серные лампы имели весьма большую мощность 5–6 кВт, их световой поток достигал 480 клм. Светоотдача модернизированной колбы (образца 1995–96 гг.) достигла 150 лм/Вт против 135 лм/Вт для лампы образца 1993 г.
В таблице 2 [1] приведена структура баланса энергии первых мощных серных ламп. Обращает на себя внимание доля видимого излучения в общем потоке излучения — она достигает примерно 80%.

Таблица 1. Характеристики серных ламп

Характеристики

Серная HIIQ 1993 г.

Серная HIIQ 1996 г.

Серная SOLAR 1000TM

МГЛ HQI-TS 1000

МГЛ HQI-TS 2000

МГЛ ДРИШ 1200

МГЛ ДРИШ 4000

Потреб. мощность от сети, Вт

6000

5000

1375

1065

2030

1250

4160

Световой поток, клм

410

480

130

95

200

110

380

Светоотдача колбы, лм/Вт

135

150

~150

95

102

91,5

95

Светоотдача лампы, лм/Вт

68

96

94,5

89

98,5

88

91

Индекс цветопередачи

86

86

79

90

≥90

≥90

≥90

Цветовая температура, К

~6000

~6000

~5900

~5800

~6000

~6000

~6000

Срок службы, ч

>10000

>10000

15000

6000

4000

750

500

Условия охлаждения

Воздушное охлаждение и вращение колбы

То же

Воздушное охлаждение без вращения колбы

Естественное

То же

 

Таблица 2. Структура баланса энергии мощных серных ламп

Характеристики

Лампа 1992–1993 гг.

Лампа 1995 г.

Мощность, Вт

%

Мощность, Вт

%

Потребляемая от сети мощность

6000

100

5000

100

Потери на охлаждение магнетрона и колбы

~500

8

300

6

Потери в трансформаторе

600

10

200

4

Потери в магнетроне

1500

25

1100

22

Потери колбы за счет обдува и теплового излучения

1100

18

950

19

Потери в экранирующих сетках

400

7

250

5

УФ и ИК-излучение

400

7

450

9

Видимое излучение

1500

25

1750

35

Световой поток, клм

410

480

Световая отдача лампы, лм/Вт

68

96

Доля видимого излучения в общем потоке излучения, %

79

79,5

 

Тем не менее, как показывают табличные данные, в первых образцах ламп (1992–1993 гг.) в видимое излучение преобразовывалось всего 25% потребляемой энергии. В дальнейшем
(1995–1996 гг.) этот показатель достиг 35%. В итоге, за счет уменьшения потерь (в магнетроне, на охлаждение магнетрона и т.д.) и более высокой светоотдачи колбы светоотдачу лампы удалось резко поднять с 68 до 96 лм/Вт. Хотя «непроизводственные», т.е. не относящиеся к колбе, потери и удалось существенно сократить, они все еще составляли больше трети потребляемой мощности — 37%.
Несколько позднее были созданы лампы меньшей мощности (1 и 1,4 кВт) со светоотдачей3 близкой к 100 лм/Вт. Как видно из таблицы 1, серные лампы обладают высоким индексом цветопередачи (Ra ~ 80–86). По сравнению с лучшими на тот момент времени металлогалогенными лампами при прочих примерно одинаковых характеристиках они обладают существенно большим сроком службы (15 тыс. ч у лампы SOLAR 1000 против 6 тыс. ч у МГЛ HQI-TS 1000), что немаловажно для такого сложного устройства. Вообще говоря, срок службы серной без­электродной лампы определяется, в основном, ресурсом лишь блока питания (преобразователя переменного тока в постоянный) и электромотора охлаждающей системы. Для ламп первой волны он составлял примерно 10–15 тыс. ч.
Ресурс же колбы может достигать нескольких десятков тысяч часов. Так, исследования сотрудников Fusion Systems еще первых образцов ламп установили, что внутренняя поверхность колбы за многие тысячи часов работы лампы практически не изменялась, т.е. сера практически не взаимодействует с горячим кварцем. Что весьма важно, при этом не менялись цветовые характеристики. Одновременно в этих же исследованиях обнаружилось, что необходима очистка охлаждающего воздуха. Частицы пыли, перемещавшиеся с большой скоростью в воздушной струе, «выветривали» внешнюю поверхность колбы, и ее поверхность становилась диффузной. Из-за этого обстоятельства за 8500 ч работы лампы световой поток уменьшился примерно на 10%.
В 1998 г. Fusion Lighting в сотрудничестве со шведской компанией IKL создала прототип лампы Light Drive 1000 с техническими характеристиками, аналогичными лампе SOLAR 1000 (световой поток около 140 клм). Лампа Light Drive 1000 была выполнена в виде моноблока, что позволяло использовать ее в качестве как автономного, так и источника света для систем освещения с полыми световодами.
Как уже отмечалось в Части II данного обзора, российские ученые и инженеры-разработчики активно занялись исследованием серных ламп и разработкой их новых конструкций. Первые прототипы таких ламп были созданы в России в 1996 г. ОАО «Плутон» в сотрудничестве с ВЭИ и некоторыми другими предприятиями.
Первые российские моноблочные модели серной лампы, аналогичные по устройству лампам SOLAR 1000 и Light Drive 1000, — «Светоч-ПРО» и «Светоч-СВ» — были продемонстрированы на Международной выставке «Интерсвет-98» в Москве в декабре 1998 г.
В дальнейшем разработка и модификация источников света с разрядом в парах серы, выполненные специалистами ОАО «Плутон» и ВЭИ, привели к созданию лампы «Светон». Различные характеристики российских микроволновых источников света представлены в таблице 34. Как видно из табличных данных, эти лампы практически идентичны по своим характеристикам лампе Light Drive 1000.
Таким образом, уже первые разработанные серные лампы показали весьма впечатляющие результаты — большую световую отдачу, высокий индекс цветопередачи, высокую стабильность всех параметров в течение большого срока службы5. Симметричность формы светящего тела существенно облегчает фокусировку оптического излучения. К несомненным достоинствам следует отнести экологичность самой лампы (отсутствие ртути) и ее излучения (практическое отсутствие ультрафиолета), а также возможность регулировки силы света путем изменения мощности микроволновой накачки.
О достоинствах серных ламп практически исчерпывающе сказано в [5], а именно: «Можно выделить, по меньшей мере, пять решаемых такими устройствами задач, каждая из которых в отдельных конкретных случаях может считаться приоритетной.
Исторически первая целевая задача — достижение впечатляющего зрительного эффекта. При этом энергосбережение, качество цветопередачи, долговечность и безвредность излучения — сопутствующие достоинства этих приборов и систем.
Вторая — обеспечение высокой экономичности осветительной системы в целом (включая энергосбережение, доступность, низкую стоимость монтажа и обслуживания, отсутствие проблем утилизации). Хорошее качество спектра излучения, возможность получения мощных четко сформированных световых потоков и другие достоинства — это, опять-таки, сопутствующие факторы, даже неполная реализация которых не препятствует решению целевой задачи.
Третья задача — достижение квазисолнечной световой среды и обеспечение комфортных условий, а то и лечебно-профилактического воздействия на человека и другие объекты живой природы при указанных выше сопутствующих достоинствах.
Четвертая — предотвращение деструктивных, опасных или иных вредных воздействий УФ- и ИК-излучений на освещаемые объекты и окружающую среду, особенно при высоких уровнях освещенности.
И, наконец, пятая задача — обеспечение оптимальных условий формирования светового потока, излучаемого квазиточечным телом и направляемого на освещаемый объект непосредственно или с помощью устройств перераспределения света (будь то система симметричных или асимметричных отражателей, оптическая система полых или волоконных световодов)».
К главным же недостаткам ламп описываемого периода следует отнести длительную паузу (до 5–15 мин) перед повторным зажиганием; высокий уровень акустического шума; трудности в подавлении просачивающегося в окружающую среду микроволнового излучения6.

Системы и способы светораспределения

Сразу же после появления серных ламп предполагалось, что они, в первую очередь, подойдут для освещения спортивных стадионов, выставочных центров, авиационных ангаров, крупных объектов обслуживания, автомобильных дорог, промышленного и уличного освещения.
Появившиеся как раз в то время полые световоды с внутренним покрытием из специальных пластиков оказались прекрасным способом транспортировки и распределения света, генерируемого серной лампой, на большие расстояния. Как уже говорилось в первой части обзора, первая впечатляющая демонстрация новой технологии освещения была организована фирмой Fusion Lighting именно с такими световодами.
Основой этой технологии послужили световоды фирмы 3М (США) — длинные прозрачные полые цилиндры, внутри которых для перераспределения света использована полимерная пленка с полным внутренним отражением типа SOLF (той же фирмы ЗМ). Эта пленка равномерно распределяет свет по всей длине световода. Длина его может достигать 40 м, на месте же установки трубы собираются из коротких модульных блоков длиной около 5 м.
Такой световод показан на рисунке 1. Одной стороной он крепится к параболическому отражателю серной лампы. В зависимости от мощности лампы и длины световода на второй его стороне устанавливается либо зеркальный отражатель, либо вторая серная лампа. Например, при освещении крытого перехода между зданиями Министерства энергетики США в Вашингтоне излучение двух серных ламп поступало с обоих торцов в полый световод с продольной светопропускающей щелью. Общая длина светящегося канала составляла около 70 м (см. рис. 2, Часть I). Такая система освещения из-за огромного снижения количества эксплуатируемых ламп, с одной стороны, может значительно упростить обслуживание и уменьшить затраты на установку и замену ламп. К тому же световоды позволяют размещать лампы в легкодоступных местах. Однако могут требоваться и резервные лампы, особенно в тех случаях, когда используется малое количество ламп, а необходимость в освещении высока.

 

Рис. 1. Световод, по которому распространяется излучение от серной лампы (внизу снимка). Показан один модульный блок (длина 5,3 м, диаметр 0,25 м), видно также его соединение со вторым таким же блоком

Если же задействовано большое количество серных ламп, то эта проблема не возникает. Такой пример демонстрируется на рисунке 2, где приведены фотографии части внутреннего помещения авиационного ангара ВВС США, в котором осуществляется техническое обслуживание и ремонт самолетов. Общая площадь освещаемого пространства — около 27000 м2. Часть помещения имеет низкий потолок, и потому для равномерной освещенности потребовались световоды. Остальная часть ангара имеет достаточно высокий потолок, что позволило использовать моноблочные лампы Light Drive 1000. Всего в освещении ангара было задействовано 288 этих ламп, 88 из них использовались с 44 световодами длиной около 32 м.

 

а)
б)
Рис. 2. Пример освещения авиационного ангара ВВС США в шт. Юта: а) до; б) после установки серных ламп

Для сравнения систем освещения с эффективными МГЛ и с серными лампами были проведены специальные расчеты. Они показали, что для достижения того же уровня освещенности серные лампы, установленные на низком потолке (напомним, со световодами), потребляют на 17% меньше энергии. Аналогично, для помещения с высоким потолком этот показатель на 37% меньше7.
После реконструкции отмечалось также высокое качество потребления электроэнергии. Так, у серных ламп коэффициент гармоник kf составляется около 2,7%, в то время как у МГЛ значения kf, как правило, равны 19%.
Поскольку световоды оказались дорогостоящими (стоимость одного погонного метра световода достигала 250–300 долл. [5]), несколько компаний по производству осветительных приборов начали готовить ряд альтернативных проектов освещения с серными лампами. В этой связи напомним о проектах, разработанных компанией Lighting Systems в сотрудничестве с лабораторией им. Лоуренса (Беркли) [6].
Прежде всего, следует отметить значительные усилия авторов [6] по снижению потерь светового потока при конструировании отражателя серных ламп (см. рис. 3). Как утверждают авторы, в лабораторных испытаниях их светильники достигали КПД 85–90%, что более чем на 25% лучше, чем оценки КПД световодных систем. (Вообще говоря, это один из самых высоких показателей для известных светильников с известными источниками света.)

 

Рис. 3. Серная лампа с отражателем [6]

Для эффективного светораспределения предлагалось, во-первых, использовать специальные вторичные отражатели — структуры с зеркальной поверхностью, помещаемые непосредственно на пути пучка света из отражателя лампы. Такой вторичный рефлектор может иметь сложную геометрию, которая позволяет разделять пучок света и направлять его в необходимое место. Он может или затенять объекты, или усиливать освещенность там, где это требуется по дизайнерским соображениям. В качестве примера такого использования серных ламп можно привести систему освещения торгового центра в г. Вуосаари (Финляндия). Для освещения в этом центре использовались 18 ламп Light Drive 1000 с асимметричными отражателями, что обеспечило эффективное распределение света с высоким уровнем освещенности торговых площадей.
Другим способом эффективного распределения светового потока от мощных источников света является косвенное освещение. Светильники такого непрямого освещения направляют большую часть светового потока вверх к потолку. Потолок же с высокой отражающей способностью служит в качестве вторичного источника диффузного света с низкой яркостью и высоким визуальным качеством освещения для внутренних пространств.
Основным преимуществом такого способа освещения является возможность значительно уменьшить потенциально ослепляющий яркий свет и полностью исключить прямое наблюдение ярко светящейся колбы серной лампы. В сочетании с высокой отражающей поверхностью потолка такое освещение позволяет достичь весьма эффективного распределения света, особенно на больших площадях.
Различные варианты установки модульных серных ламп (типа Light Drive 1000) для косвенного освещения представлены на рисунках 4–5.

 

Рис. 4. Варианты установки модульных серных ламп для косвенного освещения: тумбовое на-польное размещение, подвесное и стеночное крепление

Рис. 5. Варианты тумбового напольного размещения светильников с различными углами рас-крыва отражателей

Поскольку лампы могут быть установлены различными способами, обеспечивается высокая гибкость их применения в широком диапазоне внутренних форм помещений.
Свободно стоящие тумбовые светильники можно достаточно легко адаптировать к особенностям освещаемых помещений. Изменяя геометрию распределения светового потока (т.е. угол раскрыва, см. рис. 5) и расстояние между светильниками, можно варьировать освещенность в большом диапазоне величин. Один светильник, согласно [6], может быть использован для замены 10–30 обычных потолочных светильников в офисах с большим открытым пространством.
Демонстрационной площадкой для такого освещения было выбрано фойе муниципалитета г. Сакраменто (см. рис. 6) большой площади (12×24 м), где источниками света послужили два тумбовых светильника с серными лампами типа SOLAR 1000. Высокий потолок (4,2 м) при реконструкции фойе был покрыт белыми плитками с высоким коэффициентом отражения (90%). Две 12-м стены были покрыты белой краской (коэффициент отражения 80%). Одна из 24-м стен фойе имела низкий коэффициент отражения (коричневая краска), в то время как другая такая стена почти целиком состояла из окон. Замеренные исходные величины освещенности показали, что фойе было освещено равномерно, при этом уровень освещенности пола был несколько выше критерия комфортности.
Реакция различных изданий (в т.ч. основных светотехнических журналов США) и местных теленовостей на этот демонстрационный показ была весьма положительной. Все высоко оценили качество такой системы освещения, отметив при этом низкий уровень бликов, что важно для телесъемок.
Отметим, наконец, интересное техническое решение, позволяющее создавать плазму серного разряда в тороидальных горелках (см. рис. 7) [5]. Основой этого решения является использование в резонаторе в качестве рабочей моды колебаний ТЕ011. Особенность этого вида колебаний — наличие замкнутой кольцевой формы силовых линий электрического поля, что и позволяет применить такую горелку. Электрическое поле обеспечивает азимутально-однородное распределение температуры по поверхности горелки, что позволяет избавиться от необходимости ее вращать.
Такая конструкция серной лампы может формировать уже радиально расходящиеся сфокусированные (или несфокусированные) световые потоки, что повышает гибкость использования данных мощных ламп. Эта конструкция удобна также для распределения светового потока с помощью волоконных световодов (см. рис. 7).

 

Рис. 6. Демонстрационный показ тумбовых светильников [6]

Рис. 7. СВЧ-резонатор с параболическим рефлектором и волоконными световодами [5]

Говоря об использовании серных ламп, нельзя не отметить еще одно их достоинство. Эта лампа, в силу особенностей своего спектра, оказалась прекрасным источником света для фотосинтеза растений и, соответственно, для использования в оранжерейном освещении. В этой связи остановимся кратко на исследовании, выполненном компанией Fusion Lighting по заказу NASA. Его целью был поиск добавок, которые увеличили бы излучение лампы на длинах волн в районе 625 нм, где квантовая эффективность фотосинтеза близка к единице.
Красный свет, вообще говоря, является более эффективным для роста растений, чем видимый свет более коротких длин волн. Как уже говорилось (см. Часть II), смещением максимума спектра излучения в синюю или красную область можно управлять как начальным количеством серы, так и использованием тех или иных добавок. Однако попытка увеличить излучение в этой области длин волн за счет увеличения содержания серы может привести к чрезмерному сокращению излучения в «синей» области спектра.
Следуя обычной практике светотехнической промышленности, можно попытаться увеличить долю красного излучения, добавив галогениды металла, например, йодистый натрий. Эксперименты показали, что атомы металла большинства таких добавок, действительно, излучают в желаемой области спектра, но при этом заметно увеличивается нежелательное излучение в ИК-области. Тем не менее после множества опытов требуемое химическое соединение удалось найти. Оказалось, что, в отличие от других испытуемых галогенидов, излучение бромида кальция (CaBr2) происходит на длинах волн вблизи 625 нм. При этом инфракрасное излучение серной лампы практически не изменяется.
Спектр излучения экспериментального образца лампы показан на рисунке 8. Кварцевая колба лампы диаметром 35 мм содержала, как обычно, несколько десятков миллиграммов серы, аргон при давлении около 50 тор и несколько миллиграммов бромида кальция. Как показывает данный рисунок, спектральный пик излучения S/CaBr2 лампы лежит в диапазоне длин волн наибольшей квантовой эффективности фотосинтеза в растениях. При этом наблюдается лишь небольшое снижение интенсивности излучения в области малых длин волн, доля же инфракрасного излучения остается практически неизменной.

Рис. 8. Спектры излучения серной лампы и той же лампы с добавкой бромида кальция

 

Заключение

Увы, серную лампу ждало совсем не безоблачное будущее — несмотря на столь значимые ее достоинства, завоевания рынка не произошло. Более того, компания Fusion Lighting в 1998 г. прекратила производство серных ламп, а в 2002 г. — свое существование, потратив, по данным [7], около 100 млн долл. венчурного капитала. Всего, по тем же данным [7], было изготовлено около 2500 серных ламп, которые применялись в широком спектре приложений в США, Европе и Азии. Интересно, что параллельно в 1990-х гг. исследования серных ламп проводились в Китайской инженерно-физической академии [8]. Компания Ningbo Youhe New Lighting Source, которая по результатам этих исследований в 2001 г. начала серийный выпуск серных светильников, также не добилась успеха на рынке.
В чем причина неудачи серных ламп, в целом не ясно. Скорее всего, это их относительно высокая стоимость (согласно [5], она составляла 2000–4000 долл.). Световоды тоже были недешевы. Вероятно, мнение [5] о том, что «возможности и особенности этих ламп были еще полностью не осознаны и/или не подтверждены результатами эксплуатации» недалеко от истины в части «…не подтверждены результатами эксплуатации». Но, вообще говоря, во множестве просмотренных при подготовке данного обзора статей не нашлось ни одной, где говорилось бы о недовольстве потребителей эксплуатационными характеристиками ламп. Наконец, выше уже говорилось о трудностях в обеспечении низкого уровня проникающего в окружающую среду микроволнового излучения. Конечно, пользователи ламп могли опасаться негативных последствий наличия такого излучения.
Производство светильников с серными лампами было снова запущено в 2010 г. компанией LG, после того как патенты Fusion Lighting перешли в собственность этого южнокорейского гиганта (около 2005 г.8) В настоящее время она является единственным в мире серийным производителем такой продукции.
Видимо, помня о пророческом предсказании экспертов фирмы Osram [4], специалисты LG добились увеличения срока службы магнетрона новых ламп до 40 тыс. ч [8]. Реальна ли эта цифра? Вообще говоря, большой опыт компании в области СВЧ-технологий позволяет думать, что да.
Заметим, что световая отдача вновь предлагаемых светильников составляет 80–85 лм/Вт, что заметно меньше световой отдачи ламп первой волны (около 100 лм/Вт, см. табл. 3). Стоимость их также довольно-таки высока — для потолочного светильника мощностью 1 кВт она составляет около 2500 долл. [8].
Судьбу этой второй волны экспансии серных ламп (для них даже придумано новое название — плазменные светильники) прогнозировать пока трудно — с момента появления их на рынке прошло слишком мало времени. Как «проголосует» потребитель, покажет будущее. Тем не менее давайте пожелаем достойной лампе достойного будущего.


Литература
1. Рохлин Г.Н. О характеристиках новых безэлектродных микроволновых серных ламп. Светотехника. №4. С. 19. 1997.
2. Baier J., Korber A., Proc. 29th EPS. P. 35. 2002.
3. Kozlov A., Perevodchikov V., Umarhodzha­ev R., Shlifer E. — Proc. of IV International Workshop on Microwave Discharges: Fundamentals and Applications. Zvenigorod. 2000. Ed. by Yu. A. Lebedev. Moscow: Yanus-K. P. 235. 2001.
4. Humm Othmar, Die Lampe, die heller und langer leuchtet: die Schwefeldampflampe aus den USA gilt als Kunstlicht der Zukunft. TR Techn. Rdsch. № 10. Z. 16. 1997.
5. Шлифер Э. Электроника: наука, технология, бизнес. № 3. 2002.
6. Siminovitch М., Gould C., and Page E. Proceedings of the Right Light 4 Conference. Nov. 19–21. Copenhagen. Denmark. 1997.
7. http://sound.westhost.com/lamps/sp-lamp.html.
8. www.magazine-svet.ru.
 

_____________________________________

1 См. «Современная светотехника», №№ 3–4 за 2011 г.
2 Напомним (см. Часть I), что компания Fusion Lighting была образована из подразделения Fusion UV компании Fusion Systems Corporation.
3 Согласно таблице 1, световая отдача колбы этих ламп составляет примерно 150 лм/Вт. Интересно, что в работе [2] (см. Часть 2 этого обзора) сообщалось о достигнутой максимальной светоотдаче колбы 170 (!) лм/Вт при примерно такой же мощности.
4 Данные взяты из [3].
5 Тем не менее уже в то время эксперты фирмы Osram полагали, что серьезно рассчитывать на появление серной лампы на светотехническом рынке можно будет только в том случае, если срок службы магнетрона составит как минимум 50 тыс. ч [4]
6 Вообще говоря, при эксплуатации этих ламп появляются сильные помехи в радиотелефонах, работающих в близких полосах частот. Была даже предпринята попытка по жалобе операторов связи (в Федеральную комиссию связи США) запретить серные лампы. До запрета дело не дошло, поскольку компания Fusion Lighting сразу же приняла меры по снижению просачивавшегося СВЧ-излучения из резонатора лампы.
7 Такая разница в экономии электроэнергии обусловлена заметными потерями светового потока в световодах.
8 Исследования серных ламп компания LG проводила еще задолго до этого. Например, в России, по контракту с LG такие исследования проводились ВНИИИС им. Лодыгина в 1998–2002 гг.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *