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社區(qū)節(jié)電小常識 社區(qū)節(jié)電小常識 － 白熾燈篇 白熾燈的外型構(gòu)造如圖1，其工作原理是利用電阻把鎢絲加熱至2,500℃～2,650℃之間，使其發(fā)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(gòu)造 白熾燈外型構(gòu)造 白熾燈所具備的優(yōu)點為構(gòu)造簡單、價格低廉、普遍以及高演色性（Ra=100）等，但缺點為發(fā)光效率差、壽命短（1,000～2,000小時），無法精密控制色溫。 就發(fā)光效率而言，白熾燈的發(fā)光效率約在5～20 lm/W之間，大部分白熾燈只能把輸入能量中的5％轉(zhuǎn)化為可見光，而會產(chǎn)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(fā)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(jié)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(fā)出可見光，故其放射光譜為連續(xù)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?shù)陌谉霟襞萃?，一般於店舖照明經(jīng)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(fā)光原理為當燈絲發(fā)熱時，鎢原子（W）被蒸發(fā)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(jié)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(fā)掉的鎢，此一循環(huán)稱為鹵素循環(huán)（Halogen cycle）。此一循環(huán)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(fā)光效率（15～30 lm/W）與使用壽命（2,000～3,000小時）的表現(xiàn)上均較一般白熾燈為佳。 總而言之，白熾燈仍是目前使用數(shù)量最龐大的照明光源，其最大的優(yōu)勢在於價廉、高演色性並可發(fā)出暖色光，故在溫帶國家、低收入地區(qū)或是店舖照明的應用上仍有相當佔有率。但因其發(fā)光效率較差，加上技術(shù)提昇的空間不大，應用於一般照明時，被發(fā)光效率更佳的其他光源取代已是必然趨勢。 社區(qū)節(jié)電小常識 － 螢光燈篇 螢光燈的一般外型構(gòu)造如圖2，其工作原理是在燈管內(nèi)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(nèi)側(cè)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(fā)管內(nèi)的汞，使之轉(zhuǎn)換至高能態(tài)，而當汞由高能態(tài)回到基態(tài)時，會發(fā)出波長分別為253.7nm及185nm的紫外線，再由燈管內(nèi)側(cè)的螢光體吸收前者後，發(fā)出可見光。 資料來源：GE 圖2螢光燈外型構(gòu)造 螢光燈外型構(gòu)造 在能源轉(zhuǎn)換效率方面，螢光燈可將輸入能量的25％轉(zhuǎn)為可見光，30％轉(zhuǎn)為紅外線，低於1％的紫外線與40％以上的熱。故其轉(zhuǎn)換效率為白熾燈的5倍，一般直管螢光燈（俗稱日光燈）的發(fā)光效率可達60～80 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（5700～7100K）、晝白色（4600～5400K）、白色（3900～4500K）、溫白色（3900～4500K）及燈泡色（2600～3150K），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10,000～20,000小時，一個重要的因素是螢光粉的壽命問題。多數(shù)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(jīng)常開關(guān)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20％～25％；在使用壽命上，螢光燈的壽命更比白熾燈長上10倍，節(jié)省維修成本，故在經(jīng)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(xiàn)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(fā)光效率為代價，高演色性螢光燈的發(fā)光效率通常較一般螢光燈低30～40％。 螢光燈的另一缺點是其發(fā)出的可見光會閃爍，其閃爍頻率與驅(qū)動電壓的頻率有關(guān)，雖然人眼不易察覺，但在一些環(huán)境下，例如轉(zhuǎn)動的風扇，假如其轉(zhuǎn)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(nèi)氣體電漿化，使得電阻降低，導致更多電流流入燈管內(nèi)。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(tǒng)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(qū)節(jié)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(tǒng)的安定器採用頻率為50～60Hz的交流電來驅(qū)動螢光燈，而電子式安定器採用更高的驅(qū)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(guī)格，其數(shù)字代表燈管的直徑大小， T5表示其燈管直徑為5／8英吋，同理T8、T9表示燈管直徑為8／8、9／8英吋。 圖3T5燈管 其中T5燈管出現(xiàn)於1995年，是目前已商業(yè)化生產(chǎn)的螢光燈中發(fā)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(huán)保也最經(jīng)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。但在臺灣，仍有80％的螢光燈管為T9規(guī)格，但國際大廠已陸續(xù)停產(chǎn)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(qū)節(jié)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(tài)的照明燈具需求，因而開發(fā)出體積較小的安定器內(nèi)藏式螢光燈泡（俗稱省電燈泡，有螺旋式、球形、環(huán)形等形式）、緊密型螢光燈管（俗稱PL燈）。一般而言，螢光燈發(fā)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(nèi)藏式螢光燈泡，其發(fā)光效率約在50～65lm/W，比T8直管螢光燈60～85 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(shù)與價格上仍有一段路要走的現(xiàn)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(jié)能燈泡）的造型怪異，但也已陸續(xù)有廠商推出新型螢光燈產(chǎn)品，可發(fā)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(fā)光效率、使用壽命上的優(yōu)勢，搭上節(jié)能減碳的環(huán)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(qū)節(jié)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(fā)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(fā)汞原子而發(fā)光，基本上與螢光燈的發(fā)光原理相同。不同處在於螢光燈為低壓放電，所發(fā)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(fā)出的可見光比率更高，但也因為工作溫度較高，故自開關(guān)打開至穩(wěn)定發(fā)光所需時間稍長，通常約需4～8分鐘。 資料來源：GE圖5高壓鈉燈 在發(fā)光效率與使用壽命上，以經(jīng)常應用於路燈上的高壓鈉燈為例，其發(fā)光效率在110～130 lm/W之間，壽命則可達16,000～24,000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(xiàn)循環(huán)閃爍的現(xiàn)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(nèi)的內(nèi)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(xù)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(nèi)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(fā)。故此時燈管會呈現(xiàn)明暗閃爍的現(xiàn)象。 由於HID燈之發(fā)光效率與發(fā)出的光通量均高，所以在需要照亮較大面積區(qū)域，或?qū)δ茉葱省⒐庠疵芏鹊扔刑厥庖髸r，經(jīng)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(qū)安全與都市美化上的表現(xiàn)均較差。在HID燈中，唯有演色性較高（Ra＝80）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(fā)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(yè)界通常使用AFS系統(tǒng)（Adaptive Front Lighting System）來減低這個問題的嚴重性。 社區(qū)節(jié)電小常識 － LED篇 將LED應用至照明領(lǐng)域上，一直是LED廠商極力發(fā)展的方向之一，固態(tài)照明亦被稱為是照明業(yè)界繼愛迪生發(fā)明白熾燈以來的最重要發(fā)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(fā)展情況與課題作一概述。 LED燈外型如圖6所示，其工作原理是透過摻雜製造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(jié)合時，就會以光的形式釋放出能量。 資料來源：Philips，2008／6圖6LED燈外型 但LED所發(fā)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(fā)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4.5V～6V。 LED不僅具有體積小、構(gòu)造簡單、耐衝擊性高、開關(guān)快速、色溫及亮度的調(diào)節(jié)容易與壽命長等優(yōu)點。在能量轉(zhuǎn)換效率上，LED可將輸入能量的30％轉(zhuǎn)為可見光，其餘則轉(zhuǎn)為熱能。單從敘述上看來性能相當優(yōu)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(qū)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(shù)較多。 就現(xiàn)階段而言，前者的商業(yè)化產(chǎn)品之發(fā)光效率約為80～90 lm/W，但目前最大的問題在於散熱，熱會導致LED的發(fā)光效率與壽命的快速下降，故發(fā)展高功率LED的廠商無不竭盡全力於發(fā)展散熱問題的解決方案，也是當今技術(shù)領(lǐng)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(shù)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(shù)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(shù)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5～20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(gòu)件。故在未來的推廣上，LED元件的降價與發(fā)光效率的提昇速度將是決定其普及時程最關(guān)鍵因素。 在演色性與色溫方面，一般白光LED的Ra值約為40～50，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(guān)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(lǐng)域的LED燈具商品，其壽命長度多在25,000～40,000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(xiàn)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(fā)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(fā)展。 社區(qū)節(jié)電小常識 － 各類光源之發(fā)光效率篇 種類 形式 整體發(fā)光效率 (lm/W) 平均壽命 色溫 演色性 功率因數(shù) 使用場所 特性 白熾燈 5W 5~8 1000~1500 2700~2800 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 7~8 1000~1500 2700~2800 100 NA 25W 10~16 1000~2500 2700~2800 100 NA 40W 12~13 1000~3000 2700~2800 100 NA 60W 10~14 1000~3000 2700~2800 100 NA 100W 15~17 750~3000 2700~2800 100 NA 200W 15~19 750~2500 2700~2800 100 NA 珠寶、交通號誌或舞臺燈 250W 9~16 5000 2700~2800 100 NA 500W 11~20 1000~2000 2700~2800 100 NA 1000W 22 500 2700~2800 100 NA 鹵素燈 50W鎢鹵素燈 12 2000~4000 2700~3000 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 2000~4000 2800~2900 100 NA 100W鎢鹵素燈 15~17 2000~4000 2700~3000 100 NA 50W石英鹵素燈 14 2000 2700~3000 100 NA 100W石英鹵素燈 24 2000 2700~3000 100 NA 250W石英鹵素燈 15~24 4200 2700~3000 100 NA 螢光燈 11W螺旋式緊密型螢光燈泡 60 6000~12000 2700、6500 80~82 0.5~0.8 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 6000~12000 2700、6500 80~82 0.5~0.8 20W螺旋式緊密型螢光燈泡 52~60 6000~12000 2700、6500 80~82 0.5~0.8 23W螺旋式緊密型螢光燈泡 63~76 6000~12000 2700、6500 80~82 0.5~0.8 25W螺旋式緊密型螢光燈泡 63 6000~12000 2700、6500 80~82 0.5~0.8 27W螺旋式緊密型螢光燈泡 58 6000~12000 2700、6500 80~82 0.5~0.8 42W螺旋式緊密型螢光燈泡 64 10000~12000 2700 80~82 0.5~0.8 17W球型緊密型螢光燈泡 47 6000~8000 2700、6500 80~82 0.5~0.8 20W球型緊密型螢光燈泡 54 6000~8000 2700、6500 80~82 0.5~0.8 60WPL螢光燈 66 20000 3000、4000 82 0.5~0.8 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 0.5~0.8 34W直管螢光燈 (T12) 50~70 9000~12000 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) 60~85 10000~24000 2700、3000、4000、5000、6500 85 0.9 36W直管螢光燈 (T8) 90~93 10000~29000 2700、3000、4000、5000、6500 85 0.9 28W直管螢光燈 (T5) 95~104 10000~36000 2700、3000、4000、5000、6500 85 0.95~0.98 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(wěn)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 50~65 6000~10000 3700~4100 0.9~0.95 250W水銀燈燈 51~65 6000~10000 3900~4200 0.9~0.95 400W水銀燈燈 55~65 6000~10000 3700~4000 0.9~0.95 22W陶瓷複金屬燈 75 9000~12000 3000 86 0.9 商店、櫥窗或工廠 需點燈預熱時間使光源穩(wěn)定、演色性高、壽命長、色差小和輝度高 39W陶瓷複金屬燈 72 9000~12000 3000 85 0.9 73W陶瓷複金屬燈 82 10000~15000 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 10000~15000 3000、4200 95 0.9 白光 LED 70~130 20000~40000 2000~8000 75~90 -- 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，2008／11