Lampes fluorescentes sans mercure, à la recherche de l`efficacité
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Lampes fluorescentes sans mercure, à la recherche de l’efficacité énergétique E. Robert, S. Point, S. Dozias, C. Cachoncinlle, R. Viladrosa, Jean Michel Pouvesle GREMI, CNRS – Polytech’ Orléans, Orléans, France Sommaire • Lampes fluorescentes • Sans mercure, l’alternatif est sans issue ! • Les vertus de l’impulsion • Bilan et perspectives 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Lampes fluorescentes 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Fluorescence neon cardinalis neon mercure neon « méduse » neon xenon 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Lampes à décharges Cellule en verre, quartz, céramique Gaz (qqs. mbar à plusieurs dizaines de bars) Gaz + Solide, Liquide LAMPE Electrodes ALIMENTATION qqs Volts à plusieurs milliers de Volts qqs. mA à plusieurs dizaines d’ampères Transformateurs, ballasts, starters 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Lampes fluorescentes POUDRE FLUORESCENTE LAMPE ALIMENTATION Basse tension 50 V - 100 V et qqs. centaines de mA Haute tension 1 à 10 kV et qqs. dizaines de mA Basse pression typique 10 mbar 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Lampes fluorescentes blanches Les « néons » Les « fluos compactes » ou lampes à économies d’énergie Les « baladeuses fluo », lanternes de camping, etc. 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Lampes fluorescentes colorées 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Lampes fluorescentes et mercure Photoluminescence fluorescence Electroluminescence Mercure Æ UV + Phosphore _________________ = Lumière 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Lampes fluorescentes, quel problème ? très bonne efficacité, 100 Lm/W longue durée de vie, jusqu’à 20000 heures Mais basées sur le mercure Année 2006: 2 1010 lampes fluorescentes en fonctionnement dans le monde quelques centaines de tonnes de mercure 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Les lois et les bonnes pratiques Directive européenne 2002/95/CE , « Restrictions of Hazardous Substances » dont le mercure: 5, 8 ou 10 mg pour les tubes fluorescents 5 mg pour les lampes compactes fluorescentes Directive européenne 2002/96/CE, Collecte sélective des Déchets d’Equipements Electrique Electronique Responsabilité des producteurs Recyclage, valorisation des déchets 26 Mai 2005, Création de RECYLUM, éco organisme destiné à organiser la collecte et le recyclage des lampes à décharges en fin de vie Il faut utiliser des lampes fluorescentes mais il faut les récupérer, les recycler 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Impact écologique • Production de méthylmercure (HgCH3) par les bactéries de l’eau • Contamination des chaînes alimentaires 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Alternative au mercure ? Sans mercure et efficace énergétiquement Sans mercure (au départ) mais efficacité trop faible, 20 Lm/W 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Décharges sans mercure Excitation AC 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Dispositif expérimental Alimentation (AC: 50 Hz, 25 kHz) Sondes U/I Enseigne en T Electrodes 300 – 400 °C Mélange de gaz rares Bâti de bombardement Spectromètre 110-900 nm Tube photomultiplicateur Fenêtre MgF2 Camera ICCD 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Dispositif expérimental Bâti de conditionnement Diagnostics: Mélange des gaz Alimentation électrique Enseigne expérimentale Spectroscopie et imagerie VUV-UV-Visible résolues en temps Sondes tension, courant rapides Luxmètre chromamètre 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Mélanges de gaz Photomultiplier tube signal (a.u.) 0,2 Neon 0,15 0,1 0,05 0 450 470 490 510 530 550 570 590 Wavelength (nm) Ne Ne/Ar Ne/ Xe Meilleures performances en mélange Ne/Xe Néon décharge en volume, Xénon raie de résonance à 147 nm 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Neon Xenon Les terribles limites de l’excitation AC Saturation du flux lumineux Excitation en cascade (stepwise) 500 2000 0 0 0,2 0,4 0,6 Xenon pressure (mbar) Durée de vie 0,8 1 Photomultiplier signal (a.u.) Illuminance (Lux) 1000 XeI, 823 nm green phosphor, 525 nm 1500 1000 500 0 0 10 20 30 Electrical power input (W) Quelques heures ! 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 40 50 Excitation en cascade, régime AC et impulsionnel AC Décharge établie, courant et densité électronique élevées, température électronique « faible » Impulsion Courant, VUV, Visible, infrarouge 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Plasmas Ne/Xe en régime impulsionnel 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Impulsionnel? Tension crête Courant crête Fréquence Largeur d’impulsion qqs. kV, qqs. A, 1-25 kHz, 1-20 µs, Rapport cyclique 1‰ - 1% Raie de résonance Xe à 147 nm Décharge et post-décharge 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Générateur d’impulsions (HT, µs, kHz) VDC * k VDC 0 ton toff - VDC * k Largeur Fréquence Tension 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Des plasmas Ne/Xe à plus hautes pressions Visée VUV in situ 2500 (J.Mathias, GREMI) Illuminance (Lux) 2000 1500 nouvelle gamme 1000 500 0 0 20 40 60 80 100 Ne/Xe mixture pressure (mbar) VUV atomique et moléculaire Xe* 147 nm Intensity (a.u.) 0,03 90 mbar 90 0,02 0,01 50 50 mbar NeXe* radiation Vide Ne/Xe 10 10 mbar 0,00 145 145,5 146 146,5 147 147,5 148 148,5 149 Wavelength (nm) 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Des plasmas Ne/Xe à plus hautes pressions Coordonnées chromatiques 0,6 10 30 Cordonnées chromatiques 0,55 80 50 80 5 0,5 0,45 50 enseigne mercure 1 1 0,4 0,35 0,3 0,25 5 10 30 0,2 Durée de vie 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Impulsion Fréquence Décharge Post décharge Cinétique 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Une décharge en deux phases Voltage (x 100 V), Current (A) 25 Tension Voltage 20 Courant Fréquence 2 µs 15 Durée impulsion 5 µs 10 Puissance 10 µs Current 5 0 -5 0 5 Début phase 2 10 Time (µs) 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 15 Cinétique durant la décharge XeI, 146,9 nm 1 Normalized intensity XeII, 529,2 nm Ne*, 640,2 nm Voltage Current 0,5 0 0 Phase 1, VUV sans puissance? 2 4 6 8 Time (µs) Phase 2, intérêt pour le phosphore? 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 10 Cinétique durant la décharge Le début de la cascade, le néon, les ions, … XeI, 129,6 nm 1 XeI, 146,9 nm Current Normalyzed intensity 0,8 Voltage 0,6 XeII, 529,2 nm 0,4 0,2 0 0,E+00 -0,2 5,E-06 1,E-05 2,E-05 Time (µs) 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 2,E-05 Après l’excitation, la recombinaison en cascade Tension 1 Xe* (823,1 nm) Courant 147 nm 0,5 Ne* (640,2 nm) Xe Ion (529,2 nm) 0 0 1 2 3 Time (µs) 4 5 6 1 146,9 nm 823,1 nm 0,5 0 0 20 40 60 Temps (µs) 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 80 100 De la décharge à la post décharge Collisionnal radiative recombination: VUV intensity (a.u.) 0,006 Xe:1 mbar Xe+ + 2 e- Æ Xe* + e- Xe-Ne:1-70 mbar 2,8 x 10-27 Te-9/2 cm6s-1 0,003 Dissociative recombination: 0 0 20 40 60 80 100 XeII, 529,2nm, intensity (a.u.) Time (µs) Xe2+ + e- Æ Xe2* Æ Xe* + Xe 2,3 x 10-6 Te-0,7 cm3s-1 0,05 5 µs Xe+ + Ne* Æ Xe+* + Ne 10 µs 16 µs Xe+* Æ Xe+ + hν (529 nm) 0,025 Ne* + Xe Æ Xe+ + e- + Ne 0 0 5 10 15 20 25 30 Time (µs) 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Optimisation de la largeur d’impulsion Illuminance (a.u.) 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 Pulse duration (µs) 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 10 Bilan et perspectives 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Où en est t’on ? 4000 Pulsed excitation AC AC Æ Impulsionnel Illuminance (Lux) 3000 Flux lumineux produit 2000 1000 Efficacité de la lampe 0 0 5 10 15 20 Electrical power input (W) 10000 25 30 mercury sign Mercure Æ Illuminance (Lux) Ne-Xe 10 mbar Ne-Xe 50 mbar 7500 Xénon Efficacité toujours à améliorer ! 5000 2500 0 0 10 20 30 40 Applied electrical power (W) 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Plasma Ne/Xe excité en régime d’impulsion Optimisation de la pression de mélange de la durée d’impulsion Description des phases de la décharge et de la post décharge Spectroscopie VUV, excitation du phosphore Progrès significatif flux VUV et visible produit par le phosphore efficacité énergétique durée de vie de la lampe Perspectives Spectroscopie d’absorption résolue en temps Caractérisation plus complète de la décharge Optimisation de phosphores … 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 Remerciements 6ème Journées du Réseau Plasmas Froids, Bonascre, Octobre 2007 That’s All Fluorescent 1,E-02 1,E-03 1,E-04 146 146,5 147 147,5 Wavelength (nm) 350 Luminous efficiency (lux/w) Intensity (a.u.) 1,E-01 300 Ne-Xe medium pressure Ne-Xe low pressure 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 Applied electrical power (W) 40
