《社区节电小常识》word版.doc

社區節電小常識社區節電小常識 白熾燈篇白熾燈的外型構造如圖1，其工作原理是利用電阻把鎢絲加熱至2,5002,650之間，使其發出可見光。其燈泡是由玻璃製造，目的把燈絲保持在真空，低壓的惰性氣體之下，以防止燈絲在高溫之下氧化。資料來源：GE 白熾燈外型構造白熾燈外型構造 白熾燈所具備的優點為構造簡單、價格低廉、普遍以及高演色性（Ra=100）等，但缺點為發光效率差、壽命短（1,0002,000小時），無法精密控制色溫。就發光效率而言，白熾燈的發光效率約在520 lm/W之間，大部分白熾燈只能把輸入能量中的5轉化為可見光，而會產生75的紅外線與20的熱。其中熱是無用的能量，而紅外線則視情況而定，在寒冷的冬夜中，白熾燈所發出的紅外線可讓人感到溫暖，這也是位處溫帶的歐美國家人民多半偏好使用白熾燈的原因之一；但在盛夏季節時，就可能反而令人感到不快，甚至提高冷氣的使用量。但白熾燈因為是以加熱鎢絲的方式來發出可見光，故其放射光譜為連續光譜，也使其演色性為所有光源中最佳者，遇到對顏色要求特別高的場合，照明光源仍以白熾燈為主。而除了一般人最耳熟能詳的白熾燈泡外，一般於店舖照明經常使用的鹵素燈，其實也是白熾燈的一種。其與一般白熾燈的差別在於鹵素燈的玻璃使用的是石英玻璃（Fused Quartz），當中充入一些溴或碘等鹵素氣體（X2）。其發光原理為當燈絲發熱時，鎢原子（W）被蒸發後向各方向移動，當接近玻璃管壁時，鎢蒸氣被冷卻到大約800並和鹵素原子結合在一起，形成鹵化鎢（WX2）；而鹵化鎢向玻璃管中央移動時，又會在燈絲上遇熱重新分解成鹵素蒸氣和鎢，使得鎢又在燈絲上沉積下來，補充被蒸發掉的鎢，此一循環稱為鹵素循環（Halogen cycle）。此一循環使得鹵素燈的工作溫度可達2,700以上，也因此鹵素燈不論在發光效率（1530 lm/W）與使用壽命（2,0003,000小時）的表現上均較一般白熾燈為佳。總而言之，白熾燈仍是目前使用數量最龐大的照明光源，其最大的優勢在於價廉、高演色性並可發出暖色光，故在溫帶國家、低收入地區或是店舖照明的應用上仍有相當佔有率。但因其發光效率較差，加上技術提昇的空間不大，應用於一般照明時，被發光效率更佳的其他光源取代已是必然趨勢。社區節電小常識 螢光燈篇螢光燈的一般外型構造如圖2，其工作原理是在燈管內充入低壓惰性氣體（如氬氣或氖氣）與汞蒸氣的混合氣體，並在燈管的內側塗上一層螢光體，在燈管的兩端設有鎢絲線圈。當電源接通後，電流通過鎢絲，使其加熱並放出電子，電子會激發管內的汞，使之轉換至高能態，而當汞由高能態回到基態時，會發出波長分別為253.7nm及185nm的紫外線，再由燈管內側的螢光體吸收前者後，發出可見光。資料來源：GE 圖2螢光燈外型構造螢光燈外型構造 在能源轉換效率方面，螢光燈可將輸入能量的25轉為可見光，30轉為紅外線，低於1的紫外線與40以上的熱。故其轉換效率為白熾燈的5倍，一般直管螢光燈（俗稱日光燈）的發光效率可達6080 lm/W。而在色溫方面，螢光燈的色溫可略分為5種，分別為晝光色（57007100K）、晝白色（46005400K）、白色（39004500K）、溫白色（39004500K）及燈泡色（26003150K），可視使用者的喜好與需求搭配使用。一般而言，螢光燈的使用壽命（t70）約在10,00020,000小時，一個重要的因素是螢光粉的壽命問題。多數螢光粉之壽命（t70）大致為15,000小時，此時使用者即有可能察覺燈管的亮度降低。但因此過程較為緩慢，通常要在更換新燈管後，方能明顯分辨其差異。不過若經常開關螢光燈，其壽命會下降得更快。目前螢光燈的價格約為白熾燈的5倍，但在相同照度下時，螢光燈在用電量上僅需白熾燈的2025；在使用壽命上，螢光燈的壽命更比白熾燈長上10倍，節省維修成本，故在經濟面上，以螢光燈取代白熾燈可說是理所當然的考量。然而在演色性（Ra）表現上，一般螢光燈的演色性大概在70左右，三波長螢光燈則因使用的螢光粉種類不同，演色性可達85以上，但與白熾燈相比仍顯得遜色。不過亦有特別重視演色性的螢光燈可達到98，但需犧牲發光效率為代價，高演色性螢光燈的發光效率通常較一般螢光燈低3040。螢光燈的另一缺點是其發出的可見光會閃爍，其閃爍頻率與驅動電壓的頻率有關，雖然人眼不易察覺，但在一些環境下，例如轉動的風扇，假如其轉動頻率與螢光燈的閃爍頻率相同，看來就會如同靜止，提高工作危險性。另外在螢光燈的放電過程中，當電流流進燈管時，將使得管內氣體電漿化，使得電阻降低，導致更多電流流入燈管內。所以若將螢光燈直接接到一固定電壓的電源，燈管將會因電流不斷上升而被燒毀，因此需要以一個輔助電路控制進入燈管的電流大小，而這個元件通常被稱為安定器。另外，傳統安定器需搭配啟動器（Starter）才能使燈絲間的電壓差達到使燈管足以放電的要求，但新型的電子式安定器則不需要。社區節電小常識 搭配電子式安定器篇電子式安定器的另一個好處是可解決螢光燈的閃爍問題，傳統的安定器採用頻率為5060Hz的交流電來驅動螢光燈，而電子式安定器採用更高的驅動電壓頻率，使人眼無法識別如此高頻的閃爍。而市面上所常見的直管螢光燈（日光燈）有T5、T6、T8、T9、T12等規格，其數字代表燈管的直徑大小， T5表示其燈管直徑為58英吋，同理T8、T9表示燈管直徑為88、98英吋。圖3T5燈管 其中T5燈管出現於1995年，是目前已商業化生產的螢光燈中發光效率最高、最為省電的一種，且因其燈管直徑較小，所需使用的材料自然也更少，壽命更達20,000小時以上，未來甚至有機會上看60,000小時。故長期看來，T5是螢光燈種類中最環保也最經濟的選擇，但缺點在於價格相對較高，而且T5燈管所用的燈具與舊有的T8、T9的燈具並不相容，故換裝T5必須將整組燈具進行更換，這也對T5的普及化造成不小障礙。目前全球的主流螢光燈管尺寸為T5、T6和T8。但在台灣，仍有80的螢光燈管為T9規格，但國際大廠已陸續停產T9燈管，改而推廣新一代的T5燈管已然蔚為共識，未來T9也一定會被T5所取代。社區節電小常識 省電燈泡篇還另外同為螢光燈原理，因為直管螢光燈（日光燈）無法滿足不同型態的照明燈具需求，因而開發出體積較小的安定器內藏式螢光燈泡（俗稱省電燈泡，有螺旋式、球形、環形等形式）、緊密型螢光燈管（俗稱PL燈）。一般而言，螢光燈發光效率是直管較彎的高、管徑細的較粗的高、燈管長（功率高）較短的高。例如：為了迎合燈具的設計的安定器內藏式螢光燈泡，其發光效率約在5065lm/W，比T8直管螢光燈6085 lm/W要低上許多。總而言之，在白熾燈將被淘汰，而LED燈在技術與價格上仍有一段路要走的現況下，雖然不少消費者並不喜愛會令人膚色看來蒼白的螢光燈，並覺得螢光燈（節能燈泡）的造型怪異，但也已陸續有廠商推出新型螢光燈產品，可發出如同白熾燈一般的暖色光，並大力宣傳螢光燈的好處，提昇一般大眾的接受度。加上螢光燈在發光效率、使用壽命上的優勢，搭上節能減碳的環保潮流，螢光燈成為一般照明市場的主流已是指日可待。圖4 社區節電小常識 HID燈篇HID（High Intensity Discharge）燈的種類包含了高壓汞燈、複金屬燈、高壓與低壓鈉燈等。其特色在於光通量較高，適合大空間照明、發光效率高以及使用壽命長。HID燈的工作原理則敘述如下，在電子從陰極射向陽極的途中，可激發汞原子而發光，基本上與螢光燈的發光原理相同。不同處在於螢光燈為低壓放電，所發出的紫外線較多；而在HID燈中，由於溫度與汞原子的密度高出許多，發出的可見光比率更高，但也因為工作溫度較高，故自開關打開至穩定發光所需時間稍長，通常約需48分鐘。資料來源：GE圖5高壓鈉燈在發光效率與使用壽命上，以經常應用於路燈上的高壓鈉燈為例，其發光效率在110130 lm/W之間，壽命則可達16,00024,000小時。另外，HID燈如同螢光燈一般，需要安定器作為輔助，而當HID燈的即將到達其使用壽命時，常會出現循環閃爍的現象。即HID燈一開始以較低電壓啟動，當加熱到工作溫度後，燈管內的內部氣壓升高，就必須以更高的電壓來維持電弧放電。若燈管老舊時，維持電弧所需的電壓就可能會超過電子安定器所能提供的上限。無法繼續維持電弧放電，但電弧消失後，燈管又再度冷卻下來，使得電管內的氣壓下降，安定器所能提供的電壓足夠再度導致電弧觸發。故此時燈管會呈現明暗閃爍的現象。由於HID燈之發光效率與發出的光通量均高，所以在需要照亮較大面積區域，或對能源效率、光源密度等有特殊要求時，經常會用HID燈作為照明光源，例如體育館、倉庫、道路、停車場、巷道、機場、水族館及花卉栽培等應用。但其缺點在於演色性不佳，高壓鈉燈的Ra值約僅20，低演色性使得其在促進社區安全與都市美化上的表現均較差。在HID燈中，唯有演色性較高（Ra80）的複金屬燈常被用於零售店和住宅照明的應用上。此外，因為HID燈不僅發光效率高，其光源亦較明亮，故近來汽機車的頭燈亦多半使用HID燈作為光源。但這項應用仍有爭議，主要在於HID燈亮度太高，有時會令人感到刺眼，進而危害行車安全。故目前業界通常使用AFS系統（Adaptive Front Lighting System）來減低這個問題的嚴重性。社區節電小常識 LED篇將LED應用至照明領域上，一直是LED廠商極力發展的方向之一，固態照明亦被稱為是照明業界繼愛迪生發明白熾燈以來的最重要發明，但若要普及化，LED目前仍有許多問題尚待克服，以下將就LED截至目前為止的發展情況與課題作一概述。LED燈外型如圖6所示，其工作原理是透過掺雜製造P、N兩極，而電流可以輕易地從陽極流向陰極，反之則否。之後電洞和電子會在電壓作用下從電極流向PN介面，當電洞和電子結合時，就會以光的形式釋放出能量。資料來源：Philips，20086圖6LED燈外型但LED所發出的光，其波長是由LED的組成材料之能隙所決定，對應不同的能隙大小，LED可發出紅外線、可見光、或紫外線（UV）等不同光線。而對應不同的放射光波長，LED所需之順向電壓（Vf）大小也不同，一般而言，紅外線LED之Vf為1.4V，紅、黃、綠光LED則需2.1V，藍光與白光LED需3.5V，而UV LED最高，約需4.5V6V。LED不僅具有體積小、構造簡單、耐衝擊性高、開關快速、色溫及亮度的調節容易與壽命長等優點。在能量轉換效率上，LED可將輸入能量的30轉為可見光，其餘則轉為熱能。單從敘述上看來性能相當優異。但體積小的負面意義為光通量亦較小，故不適於大面積區域照明，目前為克服光通量不足的問題有兩項作法，一是使用高功率LED（輸入功率大於1W），另一是使用標準型LED，但所需使用顆數較多。就現階段而言，前者的商業化產品之發光效率約為8090 lm/W，但目前最大的問題在於散熱，熱會導致LED的發光效率與壽命的快速下降，故發展高功率LED的廠商無不竭盡全力於發展散熱問題的解決方案，也是當今技術領先廠商最重要的know how所在。後者的散熱問題會較容易解決，同時因使用顆數較多，故即使某些LED無法順利點亮，對整體燈具的亮度影響亦較小。但使用顆數高的缺點在於LED的購買成本更高，且因其電路設計相對更為複雜，將導致成本與故障機率的提昇。除了技術問題有待克服外，影響LED照明普及化的最重要因素仍在於價格，目前LED燈具的價格約為螢光燈具價格的520倍，其中佔成本比重最高的仍是LED元件本身，約佔燈具成本的4成，而散熱約佔3成，其餘則為二次光學設計與機構件。故在未來的推廣上，LED元件的降價與發光效率的提昇速度將是決定其普及時程最關鍵因素。在演色性與色溫方面，一般白光LED的Ra值約為4050，但為因應各種不同需求，許多廠商採用了多種螢光粉的搭配方式來提高LED燈的演色性與色溫，以擴大LED燈的應用市場。另一項關於LED的迷思是壽命長度，過去許多廠商常宣稱LED的壽命可達10萬小時，但實際上，當今應用於照明領域的LED燈具商品，其壽命長度多在25,00040,000小時間，雖說仍較其他光源為佳，但10萬小時仍是一個太過誇大的宣傳口號。即使目前LED在亮度與壽命表現上並不一定較其他光源出色多少，但許多LED廠與照明廠商仍致力於發展LED照明燈具。相信日後將有更多廠商參與競爭，帶動LED照明更快速的發展。社區節電小常識 各類光源之發光效率篇種類 形式 整體發光效率 (lm/W) 平均壽命 色溫 演色性 功率因數 使用場所 特性 白熾燈 5W 58 10001500 27002800 100 NA 家庭、學校、辦公室、商店、餐廳或飯店 使用與安裝簡便、價格低廉、可立即啟動、演色性高和不需使用安定器 10W 78 10001500 27002800 100 NA 25W 1016 10002500 27002800 100 NA 40W 1213 10003000 27002800 100 NA 60W 1014 10003000 27002800 100 NA 100W 1517 7503000 27002800 100 NA 200W 1519 7502500 27002800 100 NA 珠寶、交通號誌或舞台燈 250W 916 5000 27002800 100 NA 500W 1120 10002000 27002800 100 NA 1000W 22 500 27002800 100 NA 鹵素燈 50W鎢鹵素燈 12 20004000 27003000 100 NA 珠寶、商店、餐廳或飯店 亮度高、體積小、安裝簡便和一般需使用變壓器 75W鎢鹵素燈 14 20004000 28002900 100 NA 100W鎢鹵素燈 1517 20004000 27003000 100 NA 50W石英鹵素燈 14 2000 27003000 100 NA 100W石英鹵素燈 24 2000 27003000 100 NA 250W石英鹵素燈 1524 4200 27003000 100 NA 螢光燈 11W螺旋式緊密型螢光燈泡 60 600012000 2700、6500 8082 0.50.8 家庭、學校、辦公室、商店、餐廳、飯店、庭院或花園 體積小、效率高、省電和照度高 13W螺旋式緊密型螢光燈泡 70 600012000 2700、6500 8082 0.50.8 20W螺旋式緊密型螢光燈泡 5260 600012000 2700、6500 8082 0.50.8 23W螺旋式緊密型螢光燈泡 6376 600012000 2700、6500 8082 0.50.8 25W螺旋式緊密型螢光燈泡 63 600012000 2700、6500 8082 0.50.8 27W螺旋式緊密型螢光燈泡 58 600012000 2700、6500 8082 0.50.8 42W螺旋式緊密型螢光燈泡 64 1000012000 2700 8082 0.50.8 17W球型緊密型螢光燈泡 47 60008000 2700、6500 8082 0.50.8 20W球型緊密型螢光燈泡 54 60008000 2700、6500 8082 0.50.8 60WPL螢光燈 66 20000 3000、4000 82 0.50.8 商場、博物館、旅館、畫廊、街燈、夜市或超市 120WPL螢光燈 75 20000 3000、4000 82 0.50.8 34W直管螢光燈 (T12) 5070 900012000 2700、3000、4000、5000、6500 85 0.9 百貨公司、辦公室工廠、商店或倉庫 32W直管螢光燈 (T8) 6085 1000024000 2700、3000、4000、5000、6500 85 0.9 36W直管螢光燈 (T8) 9093 1000029000 2700、3000、4000、5000、6500 85 0.9 28W直管螢光燈 (T5) 95104 1000036000 2700、3000、4000、5000、6500 85 0.950.98 氣體放電燈 100W高壓鈉燈 95 24000 2000 22 0.9 隧道、道路、公園、機場、運動場、車站、工廠或看板 省電、效率高、壽命長、演色性差、工作溫度高和需點燈預熱時間使光源穩定 250W高壓鈉燈 112 24000 2100 22 0.9 400W高壓鈉燈 141 24000 2000、2100 22 0.9 55W低壓鈉燈 140 18000 1800 - - 90W低壓鈉燈 177 16000 1800 - - 150W水銀燈燈 5065 600010000 37004100 0.90.95 250W水銀燈燈 5165 600010000 39004200 0.90.95 400W水銀燈燈 5565 600010000 37004000 0.90.95 22W陶瓷複金屬燈 75 900012000 3000 86 0.9 商店、櫥窗或工廠 需點燈預熱時間使光源穩定、演色性高、壽命長、色差小和輝度高 39W陶瓷複金屬燈 72 900012000 3000 85 0.9 73W陶瓷複金屬燈 82 1000015000 3000、4200 81 0.9 商店、賣場、戶外照明、大型看板或機場 149W陶瓷複金屬燈 87 1000015000 3000、4200 95 0.9 白光 LED 70130 2000040000 20008000 7590 - 家庭、學校、辦公室、商店、餐廳、飯店、庭院、花園或路燈 資料來源：PIDA整理，200811