CN103608895B - 无电极灯 - Google Patents

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Abstract

一种适于在太阳模拟器中使用的无电极放电灯，具有尽可能遵从AM1.5G标准的发射光谱。根据优选实施方案，灯包括石英灯泡，其填充有惰性气体例如N2、He、Ne、Ar、Kr、Xe或它们的混合物，以及第一和第二活性成分，第一活性成分为锑或铋的卤化物或锑卤化物的混合物；而第二活性成分为SnI2或以下元素卤化物的混合物：In、Sn、Ag、Bi、Cu。优选地，所述卤化物是溴化物、碘化物或氯化物，这是由于其较好的挥发性。

Description

无电极灯
技术领域
本发明涉及放电灯，特别是用于模拟太阳光的放电灯，以及涉及这种灯在光伏系统的测试表征中作为源的使用。
背景技术
高强度放电灯(HID灯)是最广泛使用的照明方式之一。无电极灯是一种通过使用RF或微波能量在密封的透明灯泡内获得放电的放电灯。无电极灯的灯泡包含化学惰性的气体以及一种或多种活性成分，例如汞、硫、碲、或金属卤化物。
与有电极灯相比，无电极灯具有更长的寿命并且在其整个寿命中保持均匀的光谱特性。虽然需要射频电源，但是它们使用结构非常简单的灯泡，不需要高成本的玻璃-金属界面。此外，它们可以使用与金属电极化学不相容的填充组合物。
很多HID灯填充有含汞的组合物。这对于所考虑的光发射是有利的，但是汞是有毒且对环境有害的物质，预计它的使用将受到限制或者在将来逐渐淘汰。已知其它用于填充无电极灯的灯泡组合物的变体。由US5606220可知含有硒或硫的填充物，而US6633111描述了含有SnI2的填充物。WO08120171A和US6469444B公开了硫与锑卤化物一起使用的填充物。US5866981公开了包含稀土和诸如碘化锑(SbI3)或碘化铟的金属卤化物的组分，WO10044020、US2010117533描述了包含一氧化物化合物和金属卤化物的填充物。这些文献通常关注用于一般照明应用的灯，并致力于提供具有高发光效率和显色性的填充物。
使用太阳模拟器对光伏系统进行测试和表征，该太阳模拟器包括设计用于模拟自然太阳光照明的特性的光源。为了确保准确和可重复的测试结果，希望模拟的太阳光应当与地面接收到的太阳光的强度和光谱匹配。存在几个国际标准旨在规范和标准化太阳模拟器的光谱特性，例如IEC60904、ASTMG173和ISO9845-1，以及用于光伏元件的测试协议，例如IEC601215、IEC61646。这些标准规定例如固定取向的陆上应用的光伏系统应当在规定的误差内遵从表1所给的AM1.5G光谱。
在所属领域，已知使用氙放电灯或者放电灯与卤素灯的不同组合来提供与太阳光照紧密匹配的发射光谱。在某些情况下，这种匹配可以通过使用适合的滤镜来提高。US3202811、US20100073011和US7431466描述了这种太阳模拟器的实施例。
这些太阳模拟器提供了具有与太阳发射相匹配的光谱的光，但这是以组合几个光源和滤镜为代价的。因此，需要一种能够直接产生与太阳光谱紧密匹配的光的灯，其为与现有技术方案相比更紧凑、经济和高能效的形式。
发明内容
根据本发明，这些目的通过作为独立权利要求的主题的灯来实现，而从属权利要求涉及优选实施方案和有用的变化。
附图说明
借助于以举例方式提供的实施例的描述及附图的展示将能够更好地理解本发明，其中：
图1概念性地简单展示了根据本发明实施例的放电灯。
图2至9显示了根据本发明的不同实施例和实施方案的放电灯的发射光谱。相对于以nm计的波长绘制纵坐标上的相对光强度。发射光谱叠加于标准AM1.5G太阳光谱(虚线)。
具体实施方式
等离子体灯本身在本领域是已知的，这里将概略地讨论它们的结构和制造。图1显示了适于实现本发明的放电灯的一种可能结构。该灯包括透明密封的灯泡20，其包封的体积24中填充有适合的填充组分，如下文中所示。灯泡20放置在提供有射频能量的电磁外壳32中，以便使填充物达到光及红外发射的等离子体状态。
在一种典型的实现方式中，磁控管40产生适当强度的射频信号，并通过波导35和开口36耦合到腔室32中。这种变体是有利的，因为具有约1kW功率的、在开放的2.45GHz频段内发射的磁控管是容易以诱人的价格获得的，但是本发明能够以任何适当的将激励功率耦合到灯泡中以便在灯泡中产生光和红外发射等离子体的方式来实现。例如，本发明可以在UHF频段或者以其它频率，例如LF或HF频段使用固态RF源。也可想象到在灯泡中插入电极，并通过放电向填充物传送能量。
本发明也不局限于特定的耦合布置。实际上，波导35和开口36可以采用任何适当的形式。在一种可能的变化中，波导35可以整个被禁止，且磁控管或RF源可以直接耦合到外壳32。根据激励辐射的频率，耦合可能包括磁性元件、铁氧体(ferrite)芯或类似物。
电磁外壳32的目的是约束射频场并将其集中到灯泡20上。然而，在本发明的实施方案中，可以省去(suppress)外壳32：例如，如果灯被全部包封在更大的系统中。在其它情况下，外壳可包括光反射和光透射表面，以便投射光束。在典型的例子中，外壳32可以是调谐到磁控管频率的电磁腔室，其壁由导电网格或板网制成，以便将RF能量集中到灯泡20上，同时允许光输出。
可选地，使用电马达60通过绝缘杆26驱动灯泡转动。这对于防止在灯泡自身的表面上形成热点是有用的。
灯泡自身优选由石英、或者任何能够经受高工作温度，例如600-900℃，并且与填充物化学相容的适合透明材料制成。根据所期望的功率，灯泡的尺寸可在0.5cm3到100cm3之间变化，通常约10-30cm3。对于填充压力，灯泡通常在标准温度下以10-100hPa的压力下进行填充，工作时的压力例如在0.1MPa到2MPa(1到20巴绝对值)之间。
本发明旨在提供一种适合用于太阳模拟器的放电灯，其发射光谱尽可能地遵从AM1.5G标准。相对于传统的照明应用，本发明的灯的光谱在红及红外光，例如在700到1000nm范围内，更接近于太阳。这些波长并不会对可察觉的照度水平和颜色增加太多，但是明显有利于光伏单元和面板的热和电行为。本发明的源也适合于模拟其它光谱标准，例如AMG1.0。
根据本发明的优选实施方案，灯泡填充有组合物，该组合物包含：惰性气体，例如N2、He、Ne、Ar、Kr、Xe或它们的混合，以及第一和第二活性成分，第一活性成分为锑或铋的卤化物或者锑卤化物的混合物；而第二成分优选为SnI2，但是其它卤化物或卤化物的混合物：In、Sn、Ag、Bi、Cu也证明是有效的替代物。优选地，所述卤化物是溴化物、碘化物或氯化物，由于其有利的挥发性。
试验表明该组合物提供了与标准太阳光谱紧密匹配的发射，和良好的整体效率。已经证明锑填充物在这些方面比铋填充物优越一些。
也已经发现，光谱匹配可以通过添加额外的活性成分来提高，例如金属铟，或者作为替代，铜或银。
灯泡中活性成分的浓度可为0.1到5mg/cm3不等。在0.5到2mg/cm3浓度下获得最好的结果。对于气体部分，在大气压下以约30毫巴(mbar)的填充压力获得了良好的放电点火。该测试使用了等效结果：纯氩气、Ar/Xe混合物、或者其它惰性气体。
【实施例I】
根据第一实施例，灯泡20是内部容积为15.6cm3的石英球形容器，并填充有：
将灯泡插在具有图1的结构的灯中，以3000rpm的速度旋转并由微波源以2.45GHz和720W激励。所获得的发射光谱显示在图2中。由FLIR摄像机测量的灯泡温度为678℃。该组合提供了优异的光谱和良好的效率。
【实施例II】
根据另一实施例，内部容积为15.6cm3的相同的石英灯泡，其填充有如下：
将灯泡插在与实施例I相同且由微波源以2.45GHz和828W激励灯中。所获得的发射光谱显示在图3中。灯泡(在该测试中不旋转)的温度为810℃。该光谱显示了在连续分量上的更高峰值，相比实施例I，其与太阳光分布的匹配有些差。
【实施例III】
根据另一实施例，内部容积为15.6cm3的相同石英灯泡，其填充有如下：
●BiBr310mg
●In(金属)10mg
●Ar25℃下30mbar
灯泡插在与实施例I相同且以3000rpm旋转并由微波源以2.45GHz和795W激励的灯中。所获得的发射光谱显示在图4中。没有测量灯泡的温度。在光谱的品质方面，该填充物明显不如实施例I的锑填充物。
【实施例IV】
根据另一实施例，内部容积为15.6cm3的相同石英灯泡，其填充有如下：
●SbBr315mg
●In(金属)10mg
●Ar25℃下30mbar
将灯泡插在与实施例I相同且以3000rpm旋转并由微波源以2.45GHz和700W激励的灯中。所获得的发射光谱显示在图5中。灯泡的温度为663℃。与太阳光谱的匹配较好，但是劣于实施例I。
【实施例V】
根据另一实施例，内部容积为15.6cm3的相同石英灯泡，其填充有如下：
灯泡插在与实施例I相同且以3000rpm旋转并由微波源以2.45GHz和720W激励的灯中。所获得的发射光谱显示在图6中。灯泡的温度为652℃。该填充物在性质上与实施例I相同，具有不同的比例，并且也产生了优异的光谱。
【实施例VI】
根据另一实施例，内部容积为15.6cm3的相同石英灯泡，其填充有如下：
灯泡插在与实施例I相同且以3000rpm旋转并由微波源以2.45GHz和735W激励的灯中。所获得的发射光谱显示在图7中。灯泡的温度为791℃。在该情形中由InCl3代替了SnI2，仍提供了良好的光谱，但是强度较低。
表1：AM1.5G光谱

Claims (8)

1.一种用于提供可见光和红外辐射的放电灯，包括含有填充物的光透射灯泡，该填充物包含：
惰性气体，其选自N2、He、Ne、Ar、Kr、Xe或它们的混合物，
第一活性成分，其由锑卤化物、铋卤化物或者锑和铋的卤化物的混合物构成，
第二活性成分，包含下列元素的一种或多种的卤化物或卤化物的混合物：In、Sn、Ag、Cu，
任选的额外活性成分，其为选自金属In、Cu和Ag中的一种成分，其累积质量不超过所述第一活性成分和第二活性成分的合计质量，
其中所述第一活性成分和所述第二活性成分分别具有0.1到5mg/cm3的浓度。
2.权利要求1的放电灯，其中所述第一活性成分和所述第二活性成分分别具有0.5到2mg/cm3的浓度。
3.权利要求1的放电灯，其中额外活性成分是金属铟。
4.权利要求1的放电灯，其中第一活性成分为卤化锑。
5.权利要求1的放电灯，其中第一活性成分为溴化锑。
6.权利要求1的放电灯，其中第二活性成分为碘化锡或氯化铟。
7.权利要求1的放电灯，还具有用于耦合激励功率到灯泡中以便在灯泡中产生光和红外辐射等离子体的装置。
8.权利要求1的放电灯，其中所述卤化物为溴化物和/或碘化物。
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