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**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**早出现于1962年的GE公司,它**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**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**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,**初他们认为那些技术标准简直就是“变态”。
飞利浦**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**次试图为白炽灯寻找替代品。尽管白炽灯的光源很**,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**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**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,**终还是决定用**传统的机械器件,因为那样**节约成本。在不断尝试下,L Prize的**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**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**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**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**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。
通过LED开启的大门,人类即将进入新的照明时代。