Техническое описание S

Техническое описание
Плазменные СВЧ-газоразрядные лампы
Рубеж XX и XXI веков ознаменовался появлением нескольких новых видов
наукоемкой продукции. В частности, пополнился арсенал источников света, причем,
согласно оценкам специалистов, данная новинка способна совершить революцию в
технике освещения.
Речь идет о создании безэлектродных плазменных СВЧ-газоразрядных ламп
квазисолнечного света. На потребительском рынке уже началось активное продвижение
светильников и светотехнических устройств, использующих оригинальные лампы,
которые названы «серными» по виду основного рабочего вещества.
Сеть
ОИ
ВИП
Магнетрон
Адаптер
Волновод
Формирователь ОИ
Горелка
СВЧ резонатор
Возбудитель
Рис. 1. Блок-схема СВЧ-светового прибора:
1 - источник вторичного питания; 2 - магнетронный генератор СВЧ-колебаний; 3 СВЧ-адаптер; 4 - СВЧ-тракт; 5 - СВЧ-возбудитель; 6 - светопрозрачный СВЧ-резонатор; 7
- безэлектродная серная лампа; 8 - формирователь светового потока.
В этих источниках света реализовано ступенчатое преобразование энергии:
потребляемый из сети переменный ток преобразуется сначала в постоянный, затем в
электромагнитные волны СВЧ-диапазона и, наконец, в оптическое излучение. Первую
ступень преобразования обеспечивает источник вторичного питания, за вторую
«отвечает» магнетрон, с выхода которого СВЧ-волны доставляются в резонатор,
создавая в нем электромагнитное поле с заданной структурой. В зоне максимума энергии
поля размещена горелка лампы.
10
9
8
2
1
7
6
5
4
3
Рис. 2. Схема устройства СВЧ-лампы
1. Блок питания, управления и контроля. 2. Магнетрон. 3. Волновод. 4. СВЧвозбудитель. 5. Электродвигатель горелки. 6. Вентилятор. 7. Корпус лампового модуля. 8.
Горелка. 9. Сетка. 10. Отражатель.
Процесс преобразования СВЧ-энергии накачки в оптическое излучение происходит
в следующей последовательности:
― После включения магнетрона амплитуда СВЧ-поля в резонаторе достигает
потенциала зажигания и в колбе лампы возникает разряд в смеси буферного газа
(аргона) и паров серы. Лампа излучает линейчатый спектр, типичный для аргона и серы.
― С ростом температуры происходит испарение серы,
спектр становится
сплошным и приближается к солнечному спектру. Излучение в УФ и ИК-областях
составляют весьма малую его часть. Эта особенность сохраняется при различных
уровнях мощности СВЧ-накачки, а при необходимости за счет введения в рабочее
вещество тех или иных добавок можно смещать спектр в «синюю» или «красную»
область.
Для широкого практического применения световые приборы с СВЧ-накачкой должны
составить ряд, охватывающий и мощные источники света (со световым потоком в сотни
кЛм с СВЧ-накачкой до 3 кВт), и маломощные, со световым потоком до десятка кЛм и
СВЧ-накачкой на уровне 100 Вт. Каждая из этих систем будет иметь свои сферы
применения.
На практике основную экспансию совершают с СВЧ-накачкой порядка 800-1000 Вт, и
световым потоком примерно до 130 кЛм. Эти системы относительно просты
конструктивно, не требуют принудительного обдува горелки, позволяют использовать
магнетрон, применяемый в бытовых СВЧ-печах,
которые выпускаются массово,
постоянно совершенствуются и имеют долговечность до 25 тыс. часов при стоимости
всего 50-70 долларов. А при минимизации
источника питания вполне возможно
моноблочное построение легкого и малогабаритного СВЧ-излучателя для светового
прибора нового поколения.
Рис..
Примеры отечественных светильников в моноблочном исполнении со
встроенным источником питания.
Существует как минимум два варианта формирования светового потока. Один на
базе полых световодов (диаметром 254 или 400 мм). Второй – рефлектор, формирует
световой поток как у прожектора заливающего света.
Суммируя известные сегодня данные, можно выделить основные достоинства СВЧизлучателей для световых приборов нового поколения с безэлектродными лампами, к
которым относятся
— Повышенная до 100 лм/Вт световая отдача. Это сулит очень большие
возможности в энергосбережении.
— Сплошной квазисолнечный спектр оптического излучения с резко пониженным
уровнем излучений в УФ и ИК-диапазонах и с максимумом спектра, совпадающим с
максимумом кривой видности человеческого глаза. Это естественная цветопередача.
— Малогабаритность и равнояркость светящего тела, облегчающая оптимизацию
оптических систем.
— Очень высокая (десятки тысяч часов) долговечность лампы. (При работе 8 часов
в сутки это составит более 17 лет!)
— Экологическая чистота излучения и материалов горелки.
— Возможность регулировки силы света в широких пределах без изменения
спектрального состава.
— регламентные работы проводятся через 10-15 тыс. часов и сводятся к замене
преобразователя и электродвигателя общей стоимостью 3000-4000 тыс.руб, при этом
дополнительная юстировка системы не требуется;
— масса составных частей (блок питания и ламповый модуль без отражателя) –
около 10 кг при объеме 8-12 литров.
Примечательно, что все эти качества реализуются в полной совокупности, не
жертвуя чем-то одним ради другого.
Конечно, при всем многообразии преимуществ, системе свойственны и некоторые
недостатки:
— Высокая температура колбы горелки, отсюда необходимость использования
защиты от пыли.
— Пока ещё относительно высокая стоимость светильников, которая при массовом
производстве будет неуклонно снижаться.
Существует множество областей применения S-источников света в самых
разнообразных сферах человеческих интересов и деятельности — вплоть до
фантастического пока использования под землей, под водой и в космосе, в недалеком
будущем это вполне реально.
Уже имеются примеры реализации таких осветительных систем, причем в этих
примерах просматриваются несколько целей, каждая из которых может считаться
приоритетной.
Исторически первым явилось достижение впечатляющего зрительного эффекта,
при котором энергосбережение, качество цветопередачи, долговечность и безвредность
— хотя и выигрышные, но лишь сопутствующие достоинства.
Во-вторых была достигнута высокая экономичность осветительной системы в целом
(включая энергосбережение, низкую частоту и стоимость обслуживания, отсутствие
проблемы утилизации). Такие свойства, как отличное качество спектра излучения,
возможности получения мощных световых потоков и другие достоинства — это, опятьтаки, сопутствующие факторы.
В-третьих, стала реальной полная имитация солнечного света для обеспечения
комфортных условий для человека и других объектов живой природы (в первую очередь
там, куда солнечный свет вообще не попадает). Долговечность, стабильность спектра,
экономичность и нетребовательность в обслуживании — это важные, но вновь
сопутствующие качества.
И, наконец, появилась возможность исключить воздействие УФ и ИК-излучений на
некоторые объекты, для которых это опасно или вредно, особенно при высоком уровне
требуемой освещенности.
Совокупность возможностей при сохранении стольких достоинств определяет
перспективность СВЧ-излучателей для световых приборов и в проектировании
собственно осветительных устройств и систем, и в архитектуре (сооружения, интерьеры,
функциональные помещения, энергетические коммуникации), и в установках наружного
освещения (улиц и других объектов городского хозяйства, архитектурных памятников и
т.п.).
Среди известных практических примеров выделяются системы освещения зданий
Forrestol Building и NASM в Вашингтоне и система освещения в безоконном зале
сортировки почты в Сундсвале (Швеция), в которой главное — использование
квазисолнечного спектра, создающего комфортные и безопасные условия труда.
Немаловажным фактором является и энергосбережение.
Можно уверенно прогнозировать быстрое дальнейшее развитие и разнообразное
распространение новых источников света.
СВЧ-светоизлучатели Solar 1000TM с многосекционными световодными линейками в
автосборочном цехе (Техас, США).
Рисунок Пример освещения туннеля с использованием световодной линейки.
Рисунок. СВЧ-светоизлучатели Solar 1000TM с многосекционными световодными линейками в зале
сортировки почты (Сундсвол, Швеция).
Технические характеристики
- Спектр - квазисолнечный при минимальных величинах излучения в
ИК и УФ. Максимум излучения 560 нм при цветовой температуре около
6000К.
- Световой поток в номинальном режиме не менее 130 000 Лм
- Время выхода на рабочий режим – порядка 15 секунд.
- Форма и размеры светящегося тела – близкая к шарообразной с
диаметром около 20 мм.
- Электропитание – электрическая сеть общепромышленного
назначения 220 В 50 Гц, одна фаза (с заземлением).
- Потребляемая мощность от сети в номинальном режиме не более 1,2
кВ·А при cos φ не менее 0.9.
- Светоотдача в номинальном режиме не менее 100 Лм/Вт.
- Режим работы продолжительный без ограничения по времени.
- Ожидаемый средний ресурс (без проведения регламентных работ) не
менее 10 000 час. Ожидаемый полный ресурс (с проведением регламентных
работ) не менее 50 000 час.
- Регламентные работы проводятся через 10 тыс час и сводятся к
замене двух узлов (стоимостью 50 – 80 $) без дополнительной юстировки
системы.
- Масса составных частей (ламповый модуль и блок питания) – не
более 12 кг.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Сравнение технических характеристик ксеноновых и плазменных СВЧ-ламп
Ксеноновая СВЧ-лампа СоотноПараметр
лампа
0,8 кВт
шение
3,6 кВт
качества
Потребляемая мощность от сети, кВт
7,5
1,2
6
Световой поток
130 000
130 000
1
Светоотдача, Лм/Вт
1,7
10,8
6,5
Диапазон регулирования света
0,65 – 1,1
0,25 – 1,2
2,5
Срок службы, час:
лампы
800 - 1200
50 000
40 - 60
преобразователя
15 000
блока питания
50 000
50 000
Светящееся тело, мм
4 х Ø2
Ø 20
0,2
Габариты лампы
400 х Ø60
100 х Ø36
Количество электродов
2
0
Габариты блока питания, л
200 - 400
4-6
50 - 70
Вес блока питания, кг
120 - 300
2-5
60 - 60
Стоимость, (серийное
производство), руб
лампы
30 000
5 000
5
преобразователя
2 500
блока питания
90 000
10 000
10
12.
13.
14.
15.
16.
17.
17.
19.
20.
светильника
Стоимость:
оборудования для эксплуатации
в течение 50000 час, руб
электропитания для
эксплуатации, руб./час
суммарная, руб./час
Спектр:
УФ область
Видимая область,
ИК область
Форма спектра видимой области
Форсированное охлаждение
Системы тепловой разгрузки
Системы вентиляции
Время выхода в рабочее состояние
Время полного прогрева
Взрывоопасность
Экологическая опасность
100 000
75 000
1 350 000
100 000
13,5
26
4
6,5
53
6
9
~ 10 %
~25-28 %
~60-65 %
Близка к
солнечному,
линейчатая
требуется
требуется
требуется
0,5-1,5 с
3 - 4 мин
есть
есть
~1%
~90 %
~10 %
Близка к
солнечному,
сплошная
не требуется
не требуется
не требуется
12 - 15
1 - 1,5 мин
нет
нет
10
3
6
0,1
2-3
Ожидаемые преимущества
1.Сокращение требуемого количества светильников за счёт их
высокой единичной мощности.
2. Небольшие габариты и вес.
3. Снижение объёма монтажных операций и себестоимости линий
электропитания
4. Низкое электропотребление. Снижение прямых расходов на
электроэнергию в 2-4 раза
5. Отсутствие прямых расходов на приобретение и замену
перегоревших ламп.
6. Снижение эксплуатационных расходов на обслуживание
светильников. Сокращение требуемого для обслуживания персонала и
оборудования
7. Отсутствие взрывоопасности, снижение пожароопасности
8. Отсутствие опасности заражения в случае разрушения
светильников в процессе транспортировки, монтажа и эксплуатации.
9. Отсутствие специальных требований и мероприятий при
утилизации.
10. Возможность регулирования силы света.
11. Плавное включение без бросков тока питания отсутствие
пусковых перегрузок сети.
12. Высокий ожидаемый срок службы, длительный интервал между
техническими обслуживаниями.
13. Улучшенное биобезопасное освещение с естественной
цветопередачей Комфортная работа зрительного аппарата с улучшением
обнаружения и распознавания объектов и снижением утомляемости глаз.
положительное психофизическое воздействие на организм, способствующее
повышению работоспособности персонала, устойчивости к потере внимания
и накоплению усталости.