随着白炽灯泡的逐步淘汰,LED 灯将如何改变世界

在统治了一个多世纪之后,曾经强大的白炽灯泡在本月初被迫放弃了插座王座。

这场酝酿了16年多的政变发生在8月1日,当时拜登政府终于根据2007年能源独立与安全法案实施了拖延已久的规则。该规则实际上禁止销售大多数(但不是全部)类型的白炽灯泡,这种经典的热气球形状设计自托马斯·爱迪生时代以来已经照亮了地球的大部分地区。

新的王者是发光二极管(LED),并且它将拥有持久的统治地位。在过去的十年里,科学家、工程师、设计师和政策制定者培育了 LED 的统治地位,诱使它能够完成白炽灯能做的所有事情,但能耗却只有白炽灯的一小部分。LED 灯泡提供与白炽灯相同的光量,同时耗电量减少 90%,使用寿命延长 25 倍。2014 年诺贝尔物理学奖授予了发明蓝色 LED 的科学家。

“这绝对是照明技术领域爱迪生级别的革命,”固态照明服务公司总裁、美国能源部照明研究计划顾问摩根·帕蒂森 (Morgan Pattison)表示。

2021 年 2 月 25 日夜间,中国海南省儋州,LED 灯泡照亮的成排火龙果鸟瞰图。
中国农民使用 LED 来提高火龙果的产量。
Yuan Chen/VCG via Getty Images

除了模仿其前身之外,LED 技术还带来了一套全新的功能,可以让我们重新思考我们与光的整个关系。LED 本质上是可调光的。它们可以直接融入表面,将墙壁和天花板变成光源。它们的功耗仍可能进一步下降。

但 LED 最重要的特性之一是其光和颜色的可调性。优化光的阴影和范围而不是全面照明可以提高安全性、生产力、舒适度和健康。我们才刚刚开始把握可能性。

“LED 照明已经超出了我们对如何使用一般照明的理解,”Pattison 说。“我们可以更精确地传递光线,而不是仅仅用光线照射某个地方。”

这种对照明的增强控制可能最终成为 LED 的最大实际影响。它们不仅以更低的能源成本提供更多、更高质量的光线,而且可以帮助恢复我们过度照明的世界中失去的暮光和黑暗。

LED 如何取代白炽灯泡,以及如何扩大其照明帝国

为什么换灯泡这么难?白炽灯有两大优点:简单且便宜。它的工作原理是让电流通过真空灯泡中的灯丝,使灯丝加热并发光。

LED 由Nick Holonyak Jr. 于 1962 年发明,有点复杂。当电流通过半导体二极管时它会发光。二极管本质上是一种止回阀或电流的单向通道。发光二极管使用一种特殊的半导体材料,当电子流过时会发光。

与白炽灯相比,这些特殊材料提高了早期 LED 的成本并限制了其性能。LED本身也不产生白光。白光 LED 需要混合几种不同的 LED 颜色,或者需要一种称为磷光体的材料,该材料吸收一种波长的光并发射另一种波长的光。LED 通常需要一个驱动器,该设备可将墙壁插座中的高压交流电转换为更低、更可用电压的直流电。

然而,由于 LED 产生光而不产生太多热量,因此它们比白炽灯具有固有的优势。白炽灯泡中只有大约10% 的电力转化为光。其余的则作为热量被浪费掉。

几十年来,工程师们不断缩小这两种灯之间的成本和性能差距,无论在何处使用 LED 来替代传统灯,都大幅降低了能耗。2005年,一座商业建筑大约40%的电力用于照明。“现在下降了 6% 到 8%,”增强照明公司主席兼照明工程学会顾问Mark Lien说。

在照明行业,关键指标是效率和功效(尽管这些术语经常被混淆)。照明效率是指灯具发出的光量占灯泡或其他光源总光量的一部分,通常以百分比表示。发光效率是指在给定量的电量下光源产生的光量。通常以流明每瓦来测量。

2022 年 6 月 17 日,中国江苏省连云港市,一名员工在一家工厂的节能灯泡生产线上工作。
LED 灯现在在多个方面都优于白炽灯泡。
Geng Yuhe/VCG via Getty Images

白炽灯泡的亮度通常约为每瓦 17 流明。由于白炽灯通常只发出一种色调的光,因此除非有专门的调光装置或额外的电子设备,否则白炽灯要么全亮,要么完全关闭。这意味着光线经常被浪费,同时仍然不足以完成手头的任务。

另一方面,目前市场上的 LED每瓦可产生约 70 流明。高性能 LED 可以达到每瓦 1​​70 流明,能源部在 2017 年表示,“每瓦 200 流明以上的目标是可以实现的。” 除了更广泛的色谱和调光功能之外,LED 还提供了比玻璃罐中的热灯丝更加通用的照明选择。

然而从商业角度来看,进一步的改进开始产生收益递减。“我们可以实现每瓦 400 流明以上,”Lien 说。“但市场现在已经接受了价格和性能水平。” 从 60 瓦白炽灯泡更换为10 瓦 LED是一项巨大的实用改进,但从 10 瓦 LED 更换为 5 瓦 LED 可能不足以为购买者证明额外成本的合理性,也不足以证明额外的研究和改进是合理的。来自制造商的开发。

然而,连恩认为,这些较小的改进仍然需要,因为总体电力需求正在增长,限制气候变化的窗口正在关闭。随着越来越多的电动汽车充电以及电器从燃气转向电动,削减其他地方的电力需求是平衡电网的关键部分。鉴于灯无处不在,微小的改进可以节省大量能源。

根据联合国的统计,照明占全球电力消耗的 15% 和温室气体排放的 5%,而国际能源协会指出,LED 目前占全球住宅照明销售额的一半。如果不大力转向更高效的照明,联合国估计到 2030 年全球照明用电量将增加 60%。

LED 在其他方面也能取得进展。灯的尺寸可以继续缩小,并改用更多可回收或可生物降解的材料。在电视和电脑显示器等应用中,LED 技术正在变得越来越好,为许多显示器供电的 LED 很快就会被量子点 LED取代。这些集成到薄膜中的纳米级颗粒可提供更好的色彩、对比度和视角,同时降低功耗。

除了 LED 之外,还有其他技术也可能在未来几年得到普及,但它们要么不那么通用,要么仍处于开发的早期阶段。例如,激光二极管照明使用二极管产生相干光束。它可以处理比传统 LED 更高的功率,并且可以在汽车前灯或照明运动场等应用中提供长距离照明,但成本仍然很高。

因此,LED 可能会持续存在数十年,但其形式却是我们无法想象的。“它们不会是我们今天看到的 LED,”Lien 说。“它们将演变成一个小得多的状态,甚至可能无法被识别为我们现在拥有的来源。你将能够将它们编织成织物,你将能够将它们整合到薄膜中。” 因此,照明可以成为墙壁、天花板、人行道和衣服的一个组成部分,而不是将灯用作独立的电器。

LED帝国将与黑暗势力分享权力

从白炽灯到 LED 电源的转变可能带来的好处不仅仅限于灯具和显示屏。一个世纪以来,照明的迅速普及增加了一天的时间,为生产力和人类发展带来了巨大的好处,但它也将黑暗变成了一种宝贵的商品。光污染日益严重,对我们身体造成的影响科学家们现在才刚刚开始了解。在这里,LED 也被证明是有价值的。

托马斯·杰斐逊大学光研究项目主任乔治·布雷纳德在接受采访时解释说,人体有两条不同的处理光的途径。一是有意识地处理环境中的照明和颜色的视觉系统。现代世界的大部分照明都是为了最大限度地提高我们意识视觉可用的光线,但这可能会产生意想不到的后果。

“我们不太意识到的是,进入眼睛的光会刺激一条不同的途径,从而调节生物学、行为,并最终调节健康,”布雷纳德说。“更具体地说,光正在驱动昼夜节律调节、荷尔蒙调节和神经行为反应。”

由于这条路径处于我们的意识感知之下,因此人们很难衡量光如何改变他们的睡眠-觉醒周期、情绪和整体健康状况。但其影响可能是深远的。已有证据表明,晚上接触手机、平板电脑和电视发出的蓝光会导致入睡和保持睡眠更加困难。在室内和室外更广泛地使用人造光可能会产生更大的影响。

国际空间站上的宇航员可能会提供一个有用的案例研究:很难想象人们比那些每 90 分钟看到一次日出的人更不受自然光的束缚。许多宇航员不得不使用药物来帮助睡眠,但航天机构担心这些药物的长期影响,因为停留时间从几周增加到几个月。

布雷纳德正在与NASA合作,研究空间站大部分区域从常亮荧光灯转向可调​​节 LED 灯的影响。“它确实改善了宇航员的视觉环境,这是两个目标之一,我们正在研究它对睡眠和警觉性以及其他生物反应的影响,”布雷纳德说。

拿着 LED 灯的宇航员
NASA 宇航员迈克·芬克 (Mike Fincke) 持有在国际空间站上测试的新型 LED 照明原型。
美国宇航局

对于我们其他人来说,可能有适用于学童、轮班工人或长期住院患者的课程,这些人经常不得不在典型的昼夜周期之外醒来并看到灯光。越来越多的研究表明,接触某些类型的人造光可能会导致肥胖、睡眠中断、焦虑和高血压等问题。与此同时,照明已经被用来治疗季节性情感障碍和抑郁症。

但需要数年时间才能衡量我们在现实世界中改用 LED 和调整照明能为广大人群带来多少好处。布雷纳德说:“这将需要数十年的数据沉淀。”

那么现在我们如何才能更智能地部署LED呢?

一种方法是考虑让灯光更符合自然照明周期。“这只是让生活方式与我们已知的情况保持一致,”西奈山伊坎医学院光与健康研究中心的教授马克·雷说。“如果我能把它过于简单化的话,它可以归结为明亮的白天、昏暗的夜晚和漆黑的夜晚。”

这也有助于减少考虑照明落在墙壁和桌子上的程度,而更多地考虑照明在我们视野中的程度。“眼睛的光量是最重要的,”雷亚说。根据吸引眼球的光线来优化和校准照明,而不是淹没整个房间,有助于减少所需的总光量,同时提高其效率。LED 是可调光的,因此通过合适的灯具,它们提供了创建“微照明环境”的机会,工作人员、学生或患者可以将照明水平调整到最适合他们的水平。

在户外,当有人走路或开车经过时,LED 可以变暗或变亮,而不是让每条街道都沐浴在无处不在的光芒中。他们还可以将色温从白天的冷白色更改为晚上的琥珀色。遏制室外光污染也有助于改善健康。

因此,照明的未来不仅仅是以最少的能源获得最多的光线,而是在正确的时间、以正确的颜色获得正确数量的明亮和黑暗。在未来,我们仍然可以节省电力并提高生活质量,帮助我们所有人在白天完成更多工作,晚上睡得更好。

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