燈具技術發展現況與趨勢

工業技術研究院能源與資源研究所 李麗玲

摘要:

經貿活動的活絡,科技飛快發展,人類生活模式變遷引發照明需求迥異於前,照明產品設計變化速度遠遠高於過去。傳統單單以照度評量照明系統良窳的概念已 逐漸被淘汰,如今系統要求效率高、均勻度佳、演色性好及造型佳等,再者,數位資訊時代,使用便利性需求度越來越高。同時,因為人工照明的普及化,光對於動 植物生態、人類生心理之影響,越來愈嚴重,近五年來光污染、光與健康等議題每年都在國際會議上討論。整體而言,現代化照明系統設計以舒適性、便利性、省 能、高經濟效益、易維護、低污染等為主要訴求,照明燈具也以此作為發展技術的依歸。由於燈具為國內照明產業最重要的產品,產業競爭力提升為當前要務,本文 將探討照明燈具技術發展現況及未來趨勢。

前言:

邁入21世紀,在環保意識及資訊科技時代,減少照明系統能源耗損以及環境污染技術為國際間共同的使命,照明技術朝向省能、低污染、智能化為發展目標。 近年來光污染影響大自然生態的問題,吸引莫大的討論與研究,如反射式燈具因具備良好光污染防治效果,已成為戶外燈具主流;因此,高效率、低眩光、低光污染 燈具必然是燈具產品的潮流。燈具技術主要由材料及光學設計所掌握,最先進的奈米技術將反射率提高至95﹪以上,而奈米光觸媒燈具具有抗污、抑菌及除臭功 能,七年前已在日本市場問世,藉由減少塵埃附著提高燈具效率、減少維護需求。太陽能燈具在歐洲及日本技術成熟度高,路燈與景觀照明使用越來越普遍。整體而 言,目前先進燈具發展著重於材料及光學設計兩項關鍵技術,而造型、可控制、安全等亦為產品基本功能設計,為營造舒適優質光環境,燈具產品的未來發展將更豐 富也更多元。

一、國內外燈具發展現況

  光源外觀與特性決定照明用途,而燈具的設計必須搭配光源而定;因使用場合不同,使組成架構略有差異。一般居家燈具講究美觀,主要技術為造型設計,所以 又稱為燈飾,燈飾產業也是台灣照明產業的主力產品。至於功能性燈具如OA燈具、路燈、投射燈具等,因為配光必須符合重要規範,因此,反射罩的光學設計為核 心技術,還必須降低眩光指數,滿足燈具配光曲線與舒適度。燈具決定照明的形式,也決定光的有效使用率;因為生活型態與使用環境改變,光污染對自然生態與人 類生活影響日益嚴重。國際上照明先進國度對燈具的效率、眩光、光污染等已制定標準,歐洲、日本等更以管理辦法來嚴格要求,故當前燈具的技術以高效率、舒 適、低光污染為發展目標。

目前國內燈具在材料進口、無法規限制環境下,燈具效率與設計能力不足,也缺乏開發高水準燈具的誘因。過去的十餘年來,由於缺乏人才新技術的開發緩慢,同時 外在大陸低價競爭下,企業競爭力下降、產值逐年減少;如此情況導致產業投入研發意願不高,技術與國際水準落差日漸拉大;茲以表一說明。

國外技術發展

國內技術發展

高效率(>0.9)、低眩光、反射式

太陽能燈具、光觸媒燈具
光感測自動開關、人員使用自動開關
自動調光螢光燈具
環保燈具,材料可回收利用率92%

 

低眩光、反射式
燈具效率0.5 ~ 0.8
太陽能燈具
光感測自動開關、人員使用自動開關

(表一) 國內外照明燈具技術發展比較

(1) 燈具材料

  鋁是照明系統最主要的材料,從燈管(複金屬燈氧化鋁管)、電極、燈箱、格柵及至於決定燈具效率的關鍵的反射面等,由於鋁材非常易於配合需求加工處理, 舉如電鍍、拋光、蝕刻等,因此,高反率鋁材的開發對照明燈具效率提升相當重要。傳統白色塗漆之反射率為0.6,鋁鏡面為0.7,而材料反射率最高為 87%,德國Alanod公司所推出的MIRO系列鋁材,全反射率95%,是專門為照明系統所研發之材料,材料本身採用高純度鋁材(Al 99.99%)與PVD(Physical Vapour Deposition)製程,利用此種材料作為格柵可提升10-15%出光量,它在投射燈具、工業照明、日光系統、太陽能系統等均非常適用。此外,根據日 本Musashi公司產品資料顯示,反射板的全反射率已可達到95%,利用此種材質可迅速將照度提高1.5至2倍,在商店照明上效益卓著,或減少燈管數以 達到節能、經濟、環保兼具。德日兩種高反射率鋁材結構近似,日本Musashi產品並強調最表面塗上奈米級二氧化鈦,不僅將反射率大幅提昇同時兼具防污、 除臭等功能,在室內戶外燈具均可發揮良好效益,整體螢光燈具效率可以高於90Lm/W,此類材料結構如圖一所示。

(圖一) 日本Musashi公司高反射率鋁材結構

(2) 螢光燈具

  螢光照明系統用途以辦公室最高,燈管則以直管螢光燈最為普及,然而隨著高頻細管徑螢光燈管的發展,環型以及緊密型燈具在效率高、外觀造型變化更多的情 況下,螢光燈在日本居家應用亦相當普及。傳統辦公室螢光燈具,總共有燈箱、反射罩以及格柵三部份,燈箱為燈具之支撐結構,可分為嵌入式、吸頂式與懸吊式三 大類;反射面主要功能為配光設計,可分為為擴散性、指向性與鏡面反射性等。依照光線反射特性所設計的反射面是燈具配光與控光功能的基礎,同時對燈具效率有 決定性的影響。反射面使用材料多為金屬,以鏡面(Specular)、噴砂(Sputter)、或霧面(Matte)處理。至於格柵主要功能為遮擋光源體 直接光減少眩光,並增加導光效果,主要類型可大致歸類為:圓形格柵、遮光百葉、孔格格柵等不同造型。格柵可使燈具之眩光減少,但另一方面卻因遮光而降低燈 具之光輸出量。所以此類型燈具效率一般不超過50%,為提昇燈具效率,反射罩與格柵材料反射率為關鍵。

目前國際間螢光燈具最新技術為搭配精巧的PL燈及T5環形燈,燈具設計理念為半直接照明、防眩光、簡潔外觀造型,核心技術在光學配光設計與材料開發兩部分,此類型燈具應用可延推至居家照明參考,燈具外觀如下圖二。

(圖二) 反射式、低眩光螢光燈具技術示意圖

(3) HID燈具

  HID燈光源體積小、發光強度高,國內在高頂式燈具以及投射燈具均有相當成熟產品技術。隨著小功率光源推出,應用範疇更延伸至室內,因此燈具在造型、 配光品質、效率設計技術愈形重要。根據市場分析,反射式燈具為HID燈具趨勢,圖三為反射式燈具示意圖。反射式燈具將光源體隱藏在燈具反射罩之內部,將全 部的光先反射於上層的高反射率金屬反光板、或是高反射率金屬層鍍膜的高分子板上,然後再散射到照明所在的層面(地面、桌上等)上,此類燈具可將HID光源 引入室內之商業照明或是家庭照明領域中,使得室內照明燈具數量減少,也不會有高強度之眩光直刺人眼,而反射式燈具也可使用於戶外中、大區域之照明設計。就 成本效益分析,一般照明用氣體放電燈,當功率愈大時發光效率就愈高,以複金屬燈為例;400W∼2000W`機幾乎有著相同的發光效率,若能以高反射率材 質配合光學設計避開眩光災害,即可選擇較大功率的燈以減少燈具使用量,相對減少材料的消耗與成本。此類型燈具兼具照明品質、環境及整體能源效益,由圖三可 說明,HID燈具之技術關鍵在高反射率反射板以及光學配光控制。

(圖三) 反射式燈具示意圖

  另一項低眩光燈具技術為遮蔽式燈具,遮蔽式燈具的設計是將光源體包裹在上、下(或左、右)兩層高反射率金屬板之間,下層(或欲照射面)之金屬板為多孔 型之高反射率金屬板,使得另外一層高反率金屬板作為此層金屬板的反光板,部份光線直射出去,其他部份經另一層金屬板反射出去,即可避開高強度眩光對人眼的 傷害;圖五為遮蔽示燈具多孔型高反射率金屬板示意圖。

(圖四) 多孔型高反射率金屬板示意圖

二、燈具效率及品質規範

  燈具效率決定照明省能因素,而燈具眩光則是照明舒適度關鍵。評量室內光環境的三項主要參數為照度、均勻度、視覺舒適率。過去北美常以VCP評量照明眩 光品質,但由於VCP對於小光源(如白熾燈)、大型間接光源、非對稱光源不適用,因為室內電腦螢幕使用率持續增加,1995年國際照委員會(CIE)發布 新的眩光評量系統UGR --- CIE#55,UGR系統根據背景與燈具輝度呈現的比例共分七級,UGR越低表示眩光越小,恰與VCP相反,定義說明參見表二。一般室內燈具要求VCP至 少70,相當於UGR在10~20間,UGR高過28則視覺上相當不舒適,UGR為16時仍可認得出眩光,但10則無法看出;參考示意如圖五。

等級

UGR

剛無法容忍

31

不舒適的

28

剛不舒適

25

不被接受的

22

剛可接受

19

可察覺出

16

不可察覺出

10

(表二) UGR眩光等級分類表

   
(a) UGR:22 ( b) UGR:19 (c) UGR:16

(圖五) UGR眩光等級示意

  其次,在燈具效率部份,美國能源之星的居家照明器具與歐洲及紐澳地區對螢光燈電子安定器都有完善能源效率標準。日本在最新修定的省能源法制定照明器具 管理細則與效率標準;由於螢光燈在辦公與居家應用普遍,所以被選定為節能潛力最高之器具,預計在2005年達節約20%目標,其中110W產品含96W、 105W;40W產品包含32W、24W、55W與PL36W、PL55W,如表三所列之螢光燈照明器具效率標準。此標準與現行國內產品比較,效率水準高 出甚多,但日本多數產品已可符合,未來螢光燈具高效率化必然成為技術發展導向。

 

燈管類型

目標標準值(Lm/W)
直管 110W形快速啟動型螢光燈管 79
40W 高周波點燈用直管形螢光燈 86.5
快速啟動型燈管 71
一般啟動型燈管 60.5
20W 一般啟動型燈管 電子安定器 77
一般啟動型燈管 鐵磁安定器 49
環形 燈管外徑超過72公分 81
燈管外徑超過62公分小於72公分 82
燈管外徑小於62公分 電子安定器 75.5
鐵磁安定器 59
檯燈 緊密形螢光燈 62.5
直管螢光燈 61.5

備註:2005年螢光燈具產品效率標準

(表三) 日本螢光燈照明器具效率標準

  近年來隨著光害日趨嚴重,為了降低光對住宅的干擾,CIE根據不同區域類型對室外照明燈具光強度有明確規範,而澳洲、英國等也開始施行。日本近年積極 推行光害防治,參考國際照明協會(CIE)所分類的四處戶外環境,對不同街道照明燈具已明確制定產品準則,提出照明率、上方光束比、眩光、省能源四項規範 要求。其中,能源效率部份以200W為界限,低於200W發光效率為50Lm/W,其餘必須高於60Lm/W;上方光束最高20%,眩光規定以10米高度 垂直85°方向之光強度此標準不僅對戶外照明光害問題作有效防範,也將減少光對地面人及其他動植物的影響,茲以表四作說明。

區域類型

安全性道路照明上方
光束最高比例

景觀性道路照明上方光束最高比例

臨時性
照明設備

長期性
照明設備

公共綠地

0

----

----

一般住宅區、
農村

0 ~ 5

都會住宅區

0 ~ 15

0 ~ 15

住商混合住宅區

0 ~ 20

眩 光

垂直85°以上光強度

20,000 Cd/m2

垂直85°方向光強度

燈具<4.5 m

4.5m<燈具<
6 m

6m<燈具<10m

2,500 Cd/m2

5,000
Cd/m2

12,000 Cd/m2

能源效率

燈管功率>200W

60Lm/W

燈管功率<200W

50Lm/W

(表四) 日本街道照明燈具準則

三、 燈具未來趨勢

  燈具決定照明的形式,國際照明協會(CIE)根據燈具依配光方式向下與向上光通量比例將燈具分為五類,如表五說明。此五類燈具因配光不同,光環境特徵 也不一樣,在考量照明系統經濟效益與品質下,燈具的重要性不言可喻。在舒適度、節能、美觀等功能導向之下,間接照明只見光不見燈的照明系統,必然促成燈具 技術從材料、光學設計、外觀甚至鍍膜等技術,受到更甚於往的重視;而環保可回收材料的使用,如塑膠燈具也有重回舞台的機會。其次,奈米技術在照明燈具的應 用如光觸媒燈具已相當成功,本技術是否能研發出新的燈具材料,也是後續技術關注的重點。

燈具類型 示意圖 向下光通量比例 向上光通量比例
直接照明 90~100 0~10
半直接照明 60~90 10~40
一般擴散照明 40~60 40~60
半間接照明 10~40 60~90
間接照明 0~10 90~100

(表五) CIE燈具分類


美國在能源部BTS計畫主導下,彙集產、官、學、研的想法與需求,規劃了一系列技術藍圖,在2000年初正式發表一份二十年的照明產業發展計畫,稱為Vision 2020—The Lighting Technology Roadmap,希望在2020年時,照明系統在建築與其他環境下將會達到以下五項目標:

提高照明表現與增進人類幸福。

可迅速適應任何使用者的需求改變。

照明使用更具效率

照明之系統整合(而非僅是元件之組裝)

整體照明對環境影響最低(包括製造、安裝、維護、操作至廢棄)


本Vision 2020計畫同時提出的具體策略涵括市場滲透與技術發展,針對技術面提出三項策略:(a)發展先進光源與安定器技術,以提升品質、效率與成本效益;(b) 發展包含高智能化、介面化功能、多階段與操作簡單之照明控制;以及(c)發展燈具及系統技術,提昇出光品質與配光之自由性。從本長程規劃中可看出未來燈具 技術將朝向效率、品質及使用彈性三方向發展。



結論:

台灣照明燈具產業發展數十年來,在燈飾領域有卓越表現,建立了優良生產技術及造型設計能力。然而先進燈具需考量能源效率、光學性能以及光環境舒適度。 由於燈具高反射率材料技術仰賴進口,關鍵的光學設計技術不足,對燈具效率與品質提昇必然為大障礙;因此,國內照明燈具技術發展,必須率先培育燈具光學設計 人才。至於高反射率材料部份,奈米光觸媒燈具自潔功能、降低光衰成績斐然,奈米塗料對提高反射率效果也相當顯著,國內正積極發展奈米科技,利用奈米技術協 助提高反射率,為燈具技術發展不容忽視的項目。而隨著LED光源的進步,發展LED照明產品更是一項相當具市場潛力的技術,國內燈具產業擁有精良製作技 術,面對新世代照明,整合其他科技發展先進燈具為贏得市場的關鍵。

謝誌:

本研究由經濟部能源局「高效率照明技術開發四年計畫」贊助。