江城大道快速化改造:灯的未来

    为了节能环保，欧洲和美国均已计划逐步淘汰目前普遍使用的白炽灯。无论人们愿意与否，在不远的将来，我们的住宅和办公室的照明方式都将发生改变。照明产业普遍认为LED（发光二极管）将是取代白炽灯的最理想技术。

    在费城会议中心，一个狭小的展览亭里，布雷特·谢尔劳正在邀请路过的人观察两块有光线照射出的白色挡板，一块挡板后是一个标准的白炽灯，几乎和132年前爱迪生发明的灯泡完全一样；另一块挡板后面是一个装有10只发光二极管（LE D）和一种神秘液体的装饰风格灯泡。这是一个液体冷却灯泡，和爱迪生的发明有天壤之别，谢尔劳希望它能成为年产值300亿美元的照明产业的下一种伟大技术。他的问题是：你能看出两者区别吗？

    这是灯展的第一天。500家来自世界各地的参展商在此展示他们的照明产品。2.4万名来客在一排又一排形状各异的灯具中看花了眼。

    这是美国新的灯泡节能政策于明年1月生效前的最后一次灯展。在展厅里似乎闻得到历史变革的气息。无论人们是否愿意，我们的家庭和办公室照明的方式都将发生改变，而未来的照明技术就在展厅的某个地方展出。

    根据2007年《能源独立安全法案》，从2012年起，美国将全面禁止100瓦的白炽灯。2013年，75瓦的白炽灯将被淘汰，再过一年轮到60瓦和40瓦灯泡。在大洋彼岸的欧盟各国，从2009年9月1日开始，100瓦、75瓦、60瓦的白炽灯陆续停止销售。白炽灯已经注定要像渡渡鸟一样从世上消失。因此，找到一种合适的替代技术成了迫切问题。照明产业将赌注压在了LED上。灯展上，几乎所有参展公司展出的都是LED灯泡。

    LED被看好并非没有道理：发光二极管是半导体，随着技术发展，它们的性能越来越高，价格越来越低。1999年，当时在惠普公司领导半导体研究的罗兰德·海茨和人合作写了一篇论文，成为照明产业的宣言，重要的是它预测了LED的未来价格。海茨预测，LED的亮度将以每10年20倍的速度增长，与此同时生产成本将减少10倍。海茨法则被证明惊人准确。但是，在LED被消费者接受前，照明产业仍然有巨大的障碍需要克服。除了真正的技术问题———冷却、成本、灯光颜色———还有公众的抗拒。之前，政府曾大肆推广C FL（紧凑荧光灯），因为这种灯非常省电，又叫节能灯，被吹嘘为未来灯泡。但是在使用过程中它的诸多毛病逐渐暴露出来，引起公众反感。茶党甚至借机要求推翻废弃白炽灯的法案。

    《能源独立安全法案》要求逐步淘汰白炽灯的规定并不难理解：白炽灯只能将输入电能的10%转化为光，其余全部作为热能散失。效率更高的灯泡可以节省数十亿美元，减少对外国石油的依赖，减少温室气体排放。

    道理是这样，但消费者就是讨厌节能灯，不仅因为它们样子难看、光线闪烁、容易坏。进化生物学家认为，人类对灯光的偏好是由我们的三色视觉决定———这让我们非常适应日光，对于原色尤其敏感。过去40万年里，人类一直在用火驱赶黑暗。而爱迪生的灯泡，从本质上说是灯丝燃烧产生的火光。抛弃白炽灯泡意味着，在人类历史上，第一次不再用火光作为主要的光源。

    正如所有的行业展一样，越往里走，灯展的展示亭变得越小。大厅的前排是行业三巨头———飞利浦、欧司朗和爱迪生创建的通用电气。再后面是东芝、三星、立维腾和霍尼韦尔。再后面，各种小公司———零件制造商、经销商、亚洲零件供应商———填满了剩余空间。这些只有热狗摊大小的展亭中包括谢尔劳把守的Sw itch展亭。Sw itch是硅谷一家新兴小公司。谢尔劳是公司的首席财务官。

    “哪个是哪个？”谢尔劳问。多数人会判断错误。这非常重要。当他们选择心目中更好的光源时，他们同时选择了Sw icth.

    在灯展上展出的60瓦LE D灯泡不计其数，但是它们很少和白炽灯做并排比较。多数被放在封闭的展览箱里，甚至只存在于宣传册上。而Sw itch的灯泡就那样放在外面：偏黄色的L E D透过冷却液发出足够照亮客厅的灯光，只需要13瓦的电力。

    在美国销售的灯泡中，约80%为60瓦、75瓦或100瓦，而迄今为止，市面上销售的LED灯泡的亮度基本相当于40瓦以下，只适用于壁橱等狭小空间。较亮的灯泡要么太热要么太贵（售价超过50美元，号称可以使用20年）。Sw itch计划从今年秋天开始，以每个30美元的价格出售亮度相当于60瓦白炽灯的LED灯泡。

    “光一直是人们必需的”谢尔劳说“而这种灯将是人们期待的。”

    早在上世纪30年代就出现了荧光灯，直到1975年，通用电气公司的物理学家爱的·哈默才想到将充满气体的灯泡装进标准灯座方法。他的扭曲灯管是一项重大成就，生产起来非常麻烦，直到今天，很多紧凑荧光灯泡（C FL）依然由人工弯曲。在亮度相同的情况下，通用电气的CFL的耗电量只有白炽灯的20%.但是CFL非常脆弱，它们发出的光线像脱脂牛奶一样不受人欢迎。因此，通用搁置了哈默的设计。

    1980年，飞利浦成为第一家销售CFL的公司，它没有采用哈默的螺旋形设计，而是将灯管多次弯曲。但是能源危机已经过去，市场对这种灯泡反应冷淡。直到上世纪90年代，出于节能考虑，CEL再次引起关注。通用电气终于将哈默设计的螺旋形灯泡投入生产。到2000年中期，CFL已经和白炽灯一起并列出现在商场货架上。由于广告大肆宣传这种灯泡多么节能，加上大型的公共灯泡分发计划，一开始，消费者是很欢迎这种灯泡的。2009年，仅仅洛杉矶水电部就分发了240万个CFL，并预计它们每年将帮助减少排放13.1万吨二氧化碳，相当于减少2.4万辆汽车。

    但是CFL的毛病依然存在：忽明忽暗、闪烁、颜色不讨喜。生产商宣传的使用寿命严重夸大。消费者们不知道，如果开关时间的间隔少于15分钟，将大大影响灯泡使用寿命。他们不知道，如果安装不当可能导致灯泡过热；他们还被告知没有标准的60、75、100瓦灯泡。

    “有些产品宣传完全夸大其辞，”飞利浦北美公司照明系统经理爱德·克劳福德说，“有太多的空洞承诺。”虽然，确实有很多问题源自早期进口的廉价灯泡，现在的C FL也确实有了很大改进，但问题依然存在。那些无名产品依然品质低劣，即使是大品牌，如果用于声控或运动感应路灯，同样会非常短命。这是非常不恰当的用法，因为这类灯频繁开关，导致灯泡寿命大幅缩减。最致命的打击源于消费者得知C FL含有水银。美国环境保护署公布的关于清理破碎C FL的指示长达3页，开篇就要求打开窗户，疏散人和宠物。

    在这样的背景下，2008年，美国能源部启动了一场竞赛，意图推动从白炽灯向LED的过渡，这等于宣判CFL的死刑。L大奖（“明亮的明天照明大赛”的简称）金额1000万美元，奖励第一家设计出亮度相当于60瓦白炽灯，并能够满足一系列要求的灯泡的公司。系列要求包括：实际使用电力少于10瓦；可调光；开关不会导致灯光闪；散发令人喜欢的光线；当然它还必须能够旋进标准灯座，寿命至少长达20年。

    研究这样的灯泡仅研发经费就不止1000万美元，但获胜者不但能够扬名，还能获得利润可观的政府合同。8月3日，美国国防部宣布飞利浦———唯一一家上交参赛作品的公司———获得大奖，这个决定经过两年的评估才作出。

    要创造符合L大奖的耗电量不超过10瓦的灯泡并非不可能；要创造消费者能够负担的灯泡也并非不可能。但是，谢尔劳说，要同时满足两个要求则几乎不可能。研发一个L大奖灯泡需要的经费是像Sw itch这样的小公司所无法承担的。事实上，飞利浦推向市场的售价40美元的LE D灯泡并不是它用于参赛的那款，也就是说，那是专门为比赛设计的。

    Sw itch灯泡售价30美元。依然不便宜。一个好的60瓦白炽灯售价不到1美元。但是，一个简单的事实是，要造出真正好的LED灯泡非常复杂，需要物理学、化学、光学、设计学、制造学的综合知识。不同的公司尝试的方法多种多样，结果也千差万别。

    正如个人电脑、摄影和移动电话一样，LED代表的新照明趋势可能创造一批新的成功企业。正如，在电动车的竞赛中，T esla汽车公司超越大汽车公司一样，灵活的新生小公司也可能在向固态照明（利用半导体芯片作为发光材料，直接将电能转换为光能）技术过渡的过程中占据领先地位。这正是阿兰·索尔兹曼所期望的。他领导的风险投资公司V antagePoint曾经为Tesla提供资金，现在又向Switch投入了至少8位数的资金。

    通用电气于1962年发明了发光二极管（LED）。上世纪70年代，发红光的二极管被运用于收音机闹钟、计算器和电子表中。在之后的20年里，又诞生了其他颜色的LED.

    LE D的生产方法和其他半导体大致相同。每个二极管都是用硅基础的晶片切割而成。早期L E D的晶体层为砷化镓或磷化镓，因此散发红光。颜色和亮度的增加需要更精确控制晶体层的厚度和构成。现代L E D制造商通过精确液晶层中的铟、镓、铝和氮的比例达到这一点。

    现代L E D散发蓝光。如果不加改造，即使最先进的LED也不适合客厅照明。因为蓝光和人类喜好的接近日光的暖色白光相距甚远。L E D制造商可以通过两种方法创造更可爱的白光。上世纪90年代，最受欢迎的技术是将红、绿和蓝光LE D结合起来。但它们的效率和控制条件各不相同，灯泡的控制电路必须被做得更复杂。

    因此，现有的家用L E D都是蓝光二极管外涂上一层粉状的涂料，其中包含可以过滤蓝光的稀土金属。这种涂料通常为黄色，取决于涂料的构成和蓝光的比例，最后得到的“白”光可能是适合家庭的偏暖的白色，或是适合商店和室外的偏冷的白色。

    虽然造价依然昂贵，正如海茨所预料的，LED的价格变得越来越便宜。它们的亮度也在增加，这意味着，在每个灯泡中可以使用更少量的LED，进一步减少成本。这一切发展得如此迅速，海茨甚至认为他的法则可能很快就会失效。

    在那之前，要造出人们可以负担的家用LED灯泡，工程师必须解决两大难题：二极管的冷却，光的形状。冷却是必要的，因为过热的二极管寿命会缩短，而且温度越低，可承受电流更大，亮度更大。让LED散发能够照明整个房间的光，这个挑战可能更加困难。LED为点状光源；它们只朝一个方向放射。用作交通信号灯没有问题，但要取代爱迪生的灯泡，它们发出的光必须呈圆形。

    满足上述要求后，还需要一个驱动器控制单个二极管，这就意味着更复杂的线路和硬件。迄今为止，将这一切元素全部塞进一个可以负担的灯泡被证明是一项艰巨挑战。

    超级灯泡公司由罗恩·林克创办。林克是一位物理学家，毕业于麻省理工学院。2007年，在一家半导体公司工作的林克申请了一项专利，在其中它描绘了一种可以解决LED灯泡的发热和光形状问题的新技术。这种灯泡“将采用一种导热液体、凝胶或是塑料，”用于“传导LED产生的热能。”这种物质的“内部还包含一种可以分散光的材料。”

    林克和他的电气工程师妻子卡罗开始在家中进行试验。他们将LED直接连上电源，装在婴儿食品罐里，制成简陋的LED灯泡。夫妇俩花了两年的时间研制出冷却剂，一种类似一次性尿片中使用的超级吸收剂的凝胶。

    2007年，林克夫妇创建了超级灯泡（SuperBulbs）。他们用自己的钱造出了灯泡原型，并雇佣了伊桑·索曼担任负责市场推广的副总裁。索曼又找到布雷特·谢尔劳，征询他的意见。索尔曼和谢尔劳都曾出演一部叫《病菌》的独立电影。但索尔曼知道，谢尔劳还是一名拥有M BA学位化学家，过去20年来曾为多家技术公司担任顾问。在奥克兰的一次会面中，谢尔劳让林克假装正和风险投资家见面。15分钟后，谢尔劳对他说，“你想要诚实的意见呢，还是要看着你的公司消失？”

    在未来4小时里，谢尔劳提出了很尖锐的意见。“没有一个商业模式”，他回忆说，“没有财务预算，在这种情况下，即使革命性的产品也无法在一个由三巨头主宰的市场里生存。”

    2008年2月，谢尔劳开始和林克合作。5月，他将一个灯泡样本带到了拉斯维加斯。在那里，他和高级照明电器服务公司的乔治·阿比坦见面。阿比坦把谢尔劳领到一张桌旁。桌上有三个灯泡基座，分别插着白炽灯、C FL和谢尔劳带去的LED.

    超级灯泡非常棒，阿比坦甚至不相信它采用的是固态照明技术。他测量了一下电源，发现它果然只用了10瓦电能，亮度却相当于40瓦白炽灯。如果这样的产品能够批量生产，阿比坦说，拉斯维加斯的所有赌场都会购买。

    谢尔劳和林克已经和风险投资公司V antagePoint进行了几轮会谈。在拉斯维加斯之行后，他们终于获得了渴望资金。除了T esla之外，2 0年前，V antagePoint还投资了美国第一家生产LED的公司，还有一家名叫BrightSource的太阳能公司。V antagePoint决定扩大能源方面的投资，于是选择了SuperBulbs.

    现在，谢尔劳和林克有了资金支持、商业计划和产品原型。但原型并非产品。作为产品，SuperB ulb依然存在问题。

    2009年2月，曾在劳伦斯利夫莫尔国家实验室工作的物理学家兼工程师大卫·霍恩加入SuperBulbs担任首席技术官员。之前，霍恩曾经在V antagePoint资助的公司工作，为多家太阳能公司担任顾问。他上任后的第一个行动就是测试现有的40瓦原型，在当时，它是SuperBulbs研制出的唯一样本。但是结果令人失望。为了撼动市场，SuperBulbs的亮度必须相当于60瓦白炽灯甚至更高。但是，当他触摸灯泡的玻璃外壳时并没有感受到热度。他说，“凝胶没有达到应有的冷却效果。”无法满足60瓦等亮（亮度等于60瓦白炽灯）灯泡的冷却要求。

    根据林克的设计，凝胶充满整个玻璃灯泡，将LED散发的热能向外传导。用这种方式冷却的灯泡应该很烫手。但事实正相反，霍恩意识到，凝胶的冷却效果不够。这意味着，所有的热能都通过底部的铝质散热器散发。散热器是多数L E D的标准设计，确实有效，使用凝胶的目的是找到一种更高效的散热方式，允许更多的电力被输入每个L E D，从而减少每个灯泡使用的L E D数量，这正是SuperB ulbs实现低成本目标的主要途径。

    一系列试验证实了霍恩的怀疑。凝胶没有发挥应有的效果。于是，他开始尝试液体冷却剂。当LED周围较热的液体温度升高后，体积膨胀，密度变小，流动上升到灯泡顶部，将热量传导出去，冷却后流回灯泡底部———这一过程叫做被动对流。

    液体的冷却效果确实更好，但是凝胶也有重要优势。它无毒，价廉，而且具有液体无法比拟的让光线散射的特性。

    但林克认为，凝胶足以冷却40瓦等亮的LED灯泡。他说，“我想要产品尽快投入市场。”即使亮度不足，它相比其他公司的产品依然具有价格优势，依然是革命性的产品。“如果我们换成液体，”他争辩说，“那就不得不从头再来。”但谢尔劳和霍恩认为，亮度太低的灯泡不足以达到他们追求的市场效果。

    与此同时，SuperBulbs接近破产。V antagePoiont最初的投资允许公司的雇员增加到12人。现在，不得不裁掉一半的人。霍恩向投资公司报告说，产品依然有机会，但前提是获得新的资金用于研究更高效的液体冷却剂。

    2 0 0 9年，林克夫妇离开SuperBulbs，搬到了亚特兰大。罗恩创办了一家新公司，为环形荧光灯生产L E D配件。林克说，“我们厌倦了总是等待，迟迟看不到‘孩子’出生。”但夫妇俩依然和SuperBulbs保持着良好的关系，作为股票持有者，如果公司获得成功，他们也将获利。现在，SuperBulbs只剩下谢尔劳、霍恩和4名雇员，进入了“隐身模式”。

    同年9月，霍恩继续寻找理想的冷却剂。飞利浦宣布角逐L大奖。2010年12月，这家世界最大的照明公司推出了节能方面稍逊于其L大奖作品的灯泡A m bientLE D，售价40美元。迄今为止，这是市场上唯一一款60瓦等亮的LED灯泡。

    飞利浦灯泡和Sw itch灯泡在外观上大相径庭。Sw itch好像弗里茨·朗的科幻电影中的道具。而A m bientLED则很有现代感，底部铝质的散热器几乎占据了4英寸长的灯泡的一半，但是最为突出的地方在于，它没有灯“泡”。

    爱迪生1879年发明的灯泡之所以叫这个名字与它的球形外观不无关系。这个设计并非偶然，而是为了让热量最大散失。飞利浦的平顶灯泡点亮时摸上去是暖的，但其形状并非散热系统的主要部分。散热的工作主要交给底部巨大的散热器，和从底部延伸到顶端的3条金属爪，在这个金属框架中，镶嵌着3块黄色的塑料板，让灯泡散发柔和的接近白炽灯的白光。

    L大奖的裁判花了两年时间才宣布飞利浦获胜，部分原因在于，这款LE D灯泡太新奇。“这些产品和传统的白炽灯或荧光灯完全不同，”参与评判的能源部西北太平洋国家实验室的项目经理凯利·戈登说，“测试需要完全不同的方法。”而且需要反复测试。避免出现重复C FL的错误。

    戈登将评判标准分成4类：寿命、颜色、亮度和光的形状。L大奖的选手需要上交2000个灯泡，确保有足够样本接受所有测试。

    最大问题在于寿命。LED并不会一夜之间灭掉。它们逐渐变得暗淡。目前的标准为L70，指的是，当LED的亮度只有初始亮度的70%的时候，就意味着报废。L大奖的标准规定，在达到L70前，LED灯泡需要能够使用2.5万小时。相当于连续使用3年，如果每天照明3个小时，那么可以使用20年。戈登说，“我们没有这样多的时间。”

    Sw itch也在做自己的寿命试验。灯泡生产商通常用高温模拟多年的使用。高温可加速LED老化，从而更快捷地估计它们的寿命。能源部的规则要求在45℃的温度下连续使用6000小时（250天）。“我们最初的样本只能坚持几个小时，”霍恩说，“周五的时候我们把灯打开，周一时发现它们已经废了。”在接下来的7个月里，他尝试了超过200种冷却液，从矿物油到乙二醇。但是都不理想。

    霍恩开始将各种冷却液混合。2009年10月，他找到了一种有效配方。Sw itch不愿透露它的具体构成，只保证它价格低廉，不污染环境。霍恩说，“你可用普通的纸巾把它清理干净。”

    剩下的设计———散热器、驱动器、形状———相对容易。灯泡中的10个二极管呈环形排列，这种排列方式不但美观，还帮助创造类似白炽灯的光的形状。

    霍恩说，现在，在测试灯泡寿命的烤箱里，有从2010年8月就一直没有关闭过的灯泡。2011年4月，公司更名为Sw itch.它的产品在国际灯展上粉墨登场。10月，售价30美元的60瓦等亮Sw itchL E D灯泡将在美国开售，11月还将推出75瓦，2012年2月推出100瓦。谢尔劳信心满满地说，“这些灯泡将改变世界。”

    灯泡关键词

    流明

    流明是光通量单位，指一个灯泡发出的光量。又称作“亮度”或“光产量”。一个标准100瓦白炽灯产生约1700流明。

    瓦特

    瓦特并非亮度单位；它衡量的是一个灯泡达到最大亮度所消耗的能量。

    瓦特等亮

    既然我们已经将瓦特和亮度合并，那么很容易以瓦特为单位来谈论灯泡。如果一个100瓦的白炽灯产生1700流明，而一个20瓦的LED也可产生同等亮度，那么这LE D可以被当作100瓦来销售。

    能效

    每消耗1瓦特电力可产生的流明数量。数值越大，说明灯泡能效越高。白炽灯的能效约为18，CFL约60，LED约54.

    灯泡寿命