光伏照明的最佳光源——小功率陶瓷金卤灯

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光伏照明的最佳光源——小功率陶瓷金卤灯

帖子pvtool » 2009年 5月 23日 16:40

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来源:中国照明网 作者:杨正名 张明 高光义 柴国生 发布:2008-04-17

(广东雪莱特光电科技股份有限公司 佛山 528225)


摘 要:论述了光伏照明的意义、特征和要求,介绍了光伏照明的最佳配用光源小功率陶瓷金卤灯的特性、特征和参数。

关键词:光伏照明、节能减排、陶瓷金卤灯

  Ⅰ概述

  当前巨额的能量消耗已经对世界、对人类构成了极大的威胁,此起彼伏的旱涝灾害,百年难遇的严寒酷暑和暴风骤雨,千百万人的家破人亡、流离失所,锈蚀万物的无情酸雨、经年如常的蒙蒙灰天、万里奔袭的狂风黄尘等已使人类受尽苦难。生态的变化、物种的绝灭更不知要为子孙后代带来怎样的灾祸。不可再生的巨大能源的耗费是所有这些灾祸的根源。如何改善这种状态,已成如今的燃眉之急,节能减排、保护环境是刻不容缓的世界课题。

  在人们耗费了巨大能源生产的巨大电能中有约14%用于照明,这是一项巨大的能耗,为此排放的CO2、SO2的量也是非常惊人的。当前使用的照明光源中仍存在大量最低能效的白炽灯和卤钨灯,如果将此类光源用节能光源替代,则照明用电可以减少2/3,这样我国现在消费的总电量可以减少9%, 而CO2和SO2的排放量亦将相应降低。

  亿万年来太阳一直不间断的以光辐射的形式向地球输送能量,据估算太阳无休止地向地球投射的总辐射功率约为170万亿千瓦,经过大气层的吸收和散射到达地球表面时总辐射能仍有约80万亿千瓦,其中投射到我国国土上的功率不下2万亿千瓦,即使利用其中的万分之一,也有2亿千瓦,按每日8小时日照计全年可利用的太阳能约折合6000亿千瓦时,可见太阳能的利用具有极为巨大潜在价值。

  植物的光合作用吸收了太阳辐射到地球表面的部分能量,其余部分则为地球表面土地和海洋吸收,转化为热能并引起了地球表面的各种变化,如四季的呈现、如风雨雷电的形成等,这为地球创造了生机,造就了亿万种的生物包括人类文明,但同时也为人类制造了大量灾祸。多年来人类一直在利用的水力、风力和潮汐力包括阳光暴晒等也都是太阳能量的直接和间接利用,这样的利用太少了。而煤炭、石油等则是亿万年来地球储备的太阳能的现代应用,这种应用又太过分了。按照人类目前掌握的技术水平,人们已经能把太阳能直接转换为电能,最简单的方法就是利用专门制作的某种物质如经特殊处理(掺杂)的半导体材料硅片,当阳光照射到这种硅片上的某一面时将产生光伏效应,在二面之间形成一定的电势差,这样的硅片就成了为人类提供电力的所谓光电池。

  上述掺杂的硅片的n型与p型半导体之间的p-n结构成了阻挡层,n型半导体在光照下吸收光子后,其施主(杂质)能级上的电子跃迁到导带中变为自由电子并聚集表面,使之带负电。这时n型半导体与另一侧未受光的p型半导体之间产生电势差、这就是所谓光伏效应。外线路接通时光电子将从n型半导体通过负载流向p型半导体、注入其中的受主能级(正穴)并通过阻挡层再流入n型半导体回到施主能级、并在阳光照射下再次进入导带,从而向负载源源提供电力。太阳是人们所处环境中的最大的辐射源,利用太阳辐射的光伏效应自然就成了人们理想的能源。在这种能源的产生过程中不会排放任何废物,所以这是一种洁净能源。

  目前人们利用太阳能的光伏效应所能提供的电力有限。整个照明的总能耗虽然巨大,而照明是很分散的,单个照明系统很小、耗电不多,完全可以利用不大的太阳能发电系统独立供电,目前的技术水平完全可以实现。例如在开阔地域、每个家庭甚至每盏灯就是一个独立的照明系统,对于这种容量的系统,几片不太大的光电池板、适当容量的储能电池和简单的控制电路就能保证可靠的夜晚照明。

  光伏效应在人类技术史上已经应用了近百年,最早的硒和氧化亚铜光伏电池并不是向人们提供电能,而是作为检测光的信号、根据转换电压的高低判定光强。直到约40年前,硅光伏电池开始用于为某些小型电器如计算器等提供电能。利用光伏效应作能源的应用则是从人造卫星开始的,在遥远的太空除太阳能外,不可能方便地能获得其他能源,这时人们学会了如何利用太阳能的光伏效应向人造卫星长期不间断地提供运行所必须的电能,自此光伏电池得以快速发展。人造卫星的太阳能光伏电池是由单晶硅片制作的,它的光—电转换效率较高,也较为昂贵。为提供足够电力,卫星用单晶硅光电池都做得十分庞大、十分昂贵。人造卫星是不计成本的,这一应用的成功推动了太阳能光伏电池的快速发展。

  随着科技的发展,人们制造光伏电池的方法已经大幅改进,简化了工艺,成本大幅降低,并已开始了大规模工业化生产,但即使如此目前其发电成本也比常规火力发电贵十倍以上。

  Ⅱ 光伏照明光源的选择

  当前的单晶硅电池产品的光电转换效率已经达到16%左右,但因价格较高只用于某些特殊场合。多晶硅光伏电池产品的光电转换效率约为13%,因成本较低,是一种正在推广的产品。非晶硅光伏电池生产工艺较简单,但转换效率较低,约10%以下,且寿命较短仍在改进。

  目前情况下,多晶硅光伏电池用于照明比较适合,而最经济的单元规模为20W~50W。若以每天工作8小时计这种照明系统每天耗电0.16KW·h—0.4KW·h,若以储备三天电能计,则储能电池必须储存0.5 KW·h—1.2 KW·h的电能,并配备相应容量的太阳能光伏电池板。

  为适应如上所述的光伏电池的特征和要求,宜选择50W以下的高效、节能光源以设施光伏照明。对于照明距离较远的照明系统如高杆路灯、大厅吊灯、吸顶灯等可选用35W、50W的灯型,而且每一支灯就是一个独立照明系统,对于室内或庭园照明以采用20W光源为宜。当前可供选择的光源。

  1、大功率白光LED:通常选择单灯功率为0.5W或1W为宜,也有采用0.3WLED的,其光效约50lm/W此类 LED已达到工业生产规模(虽然这种器件的实验室水平已超过150lm/W,但工业产品尚远未达到)。目前普遍认为LED是光伏照明的优选光源,在多所城市均已建立了样板工程。一支20W的LED照明灯需采用20只1W的LED,可以产生约1000lm光通量,对于三米以下高度的庭园灯及室内照明这也差强人意了。但是对于6~8米高的小区路灯照明则至少需要50W即约2500lm左右的光通量,这需采用50只1W白光LED或100只0.5W的LED。对于这样的设计一则成本太高、二则灯具较难设计,所以还是选用其他更为经济的光源为好。

  我们所参观的LED光伏照明的实际效果并不理想,不仅成本太高、光效较低、而且由于LED有一定的光发射角必须进行二次光学设计否则将出现斑马效应,即二灯之间的三分之一以上的路面完全没有光,加以光衰太快,虽然其寿命号称50000小时以上,但在使用了1000~2000小时甚至几十小时后效果已经很差,这是由于在此类实施中运转时LED的p-n极温度太高,造成荧光粉光衰所致,所以部分公司已将LED从他们的光源候选名单中排除。

  2、紧凑型荧光灯:这是一种非常成熟、非常廉价的产品,已经普及到家庭和各种应用场合,推广极为方便。3W~20W的各类紧凑荧光灯的光效在50lm~80lm/瓦之间,寿命约5000~8000小时。一支灯泡的价格与一粒1W的白光LED相仿或更低,成本非常低廉,灯具设计简单,目前在光伏照明样板工程中已被广泛试用。例如二只12W紧凑型荧光灯可以产生1600lm的光通量,对于一般家庭室内照明和庭园照明已经差强人意了。

  3、小功率金卤灯:20~50W之间的小功率型金卤灯,由于光效较高(70~85lm/W),显色性好(>70),寿命约3000~4000小时,发光体小(点光源)加以这是一种成熟的光源,较易通过常规灯具获得所需要的光分布,满足不同应用的需要。但是此种小功率照明金卤灯的制作十分困难,必须是在特殊条件下生产的产品才能达到所述指标,用目前市售普通照明金卤灯的装备生产的此类超小功率金卤灯的各种性能指标是非常差的,加以光衰太大、寿命短,最简单的方法是了解一下他们生产装备,如果是在纯Ar手套箱体中生产,则质量较为可靠,否则很难超过500小时,选用时切宜慎重。

  4、大功率高压钠灯也是光伏照明的灯源选项之一。虽然其光效很高但由于显色性过低,只适宜于路灯照明。

  5、小功率陶瓷金卤灯:20~49W型小功率陶瓷金卤灯的光效可达85~100lm/W以上,初始光效甚至超过100 lm/W,光通维持率很好,具有很高的显色指数(85~95),而寿命则在8000~10000小时之间或更长。与目前可能用于光伏照明的各种高效小功率光源相比,小功率陶瓷金卤灯当属最佳灯选。但是制造小功率陶瓷金卤灯电弧管必须在完全没有空气、水氧含量在百万分之一以下的纯惰性气体中进行,不仅要求非常高的工艺技术和极好的装备,灯结构的设计、所选用的材料以及陶瓷电弧管壳更是质量的关键。
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  Ⅲ 小功率陶瓷金卤灯

  1、陶瓷金卤灯电弧管的结构

  Fig.1(右图)示出是最新一代高性能、高效、长寿命光源——陶瓷金卤灯,其主要参数已如前述。此种光源采用了半透明高纯氧化铝陶瓷作电弧管,管壳的透光率为96%。由于这种陶瓷材料化学性能十分稳定,比石英能够承受更高温度,通常电弧管内壁设计的工作温度约1200℃~1250℃,加以陶瓷管壳的导热性能较好,管壳温度均匀,点燃时其冷端温度比石英泡壳高得多,充入的各种金属卤化物得以充分蒸发,加以泡壳的形状和尺寸的一致性很好,不仅灯的一致性很好而且在整个寿命过程中光谱结构、光效、色温和显色指数等均十分稳定。在大量使用同一种陶瓷金卤灯的场所如大厅、机场、车站、大商场等处,灯的光色非常一致,不似石英金卤灯那样各灯呈现不同的光色。
  决定陶瓷金卤灯寿命的关键是陶瓷管壳与电极引线(铌杆)之间的封接质量,其间的密封依赖陶瓷—玻璃焊料,这种焊料有很好的密封性能,但不耐高温,更不能承受热冲击和高温下液态酸性金属卤化物或其蒸汽的腐蚀,因此陶瓷金卤灯都是在中心电弧管泡壳二端对称设计二根细长陶瓷袖管作为电极引线道(Fig.2,如右图),使得陶瓷—铌杆的封接部位远离高温电弧区域,以保证封接部位的低温(<800℃)和灯的长寿命。
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  陶瓷金卤灯的另一有创意的设计在于其电极结构,广东雪莱特陶瓷金卤灯的电极设计[1]示如Fig.3,在电极引线铌杆1之后与一根较细的钨杆电极2连接,2的直接接受和发射离子和电子的顶端设置有钨丝螺旋3,3的作用是接收电子和离子,调节电极温度,保证电极的最佳工作状态和长寿命。在钨杆的靠近铌杆的适当段落密绕或疏绕钼、钨、镍等金属材料制成的螺旋4,其外再涂敷一层适当厚度的Al2O3、SiC或BC等高温陶瓷材料涂层5,对之进行适当处理使陶瓷化。当然也可在钨杆2外不绕金属螺旋4而直接涂敷陶瓷材料或套以陶瓷或石英套管。陶瓷袖管中铌杆与袖管内壁之间为陶瓷—玻璃封接材料6所融封。这种复杂的电极结构可以保证有很好的导电率,但确具有较大的轴向和径向热阻。较长的电极引线和袖套管以及大的热阻保证了封接处的低温。这种结构的电极填满了电弧管袖管中的绝大部分空间,余留的空隙甚少,并有一定柔性,不致因热冲击或膨胀而撑破陶瓷袖管。
Fig.3
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  制成的电弧管第一次点燃时首先是汽化点较低的汞大量蒸发,当放电使电弧管加热后金属卤化物继之蒸发,这些蒸汽随即进入温度较低的袖套管与电极系统之间的细微缝隙并凝聚其中,数分钟后将基本平衡。市售陶瓷金卤灯的电极结构均为GE专利结构[2],该三段式结构电极的中段钼杆外的钼螺旋外不加陶瓷涂层,直接插入袖管中,这样不仅有较多的热量传给陶瓷袖管,而且电极中轴的钼杆与钼螺旋之间以及螺旋与陶瓷袖管之间存在较大缝隙,不仅点灯初期较多的汞和金属卤化物渗入并凝聚其中,而且在较长的时间中袖管内外物质将相互置换,需较长的时间才能达到平衡状态。这一过程造成了早期灯光电参数的漂移。由于该电极引线与陶瓷袖管间缝隙较大,渗入物较多,因此早期的漂移较大、持续时间也长。雪莱特电极与陶瓷袖管间的缝隙小得多,渗入其中的物质很少,最后渗入其中的是汽化点较高、蒸发较迟的金属卤化物。这些物质凝结在电极与陶瓷袖管之间的缝隙的最外端,并渗入到陶瓷的孔隙中,阻断了放电空间与袖管内部的通道,灯的运转过程中较少产生袖管内外物质的置换,因而灯的光电参数在整个寿命期间非常稳定。

  雪莱特陶瓷金卤灯的另一特点是其陶瓷管壳的壁厚不是均匀的[3],如Fig.3、Fig.4(如右图)所示,在电弧管球泡的中部正对电弧的光辐射的主体部分是厚度薄而均匀透光率很高的多晶氧化铝陶瓷薄壳,向二端陶瓷袖管过渡时泡壳的厚度逐渐增加。这样的结构虽然增加了泡壳制造的难度,但由于向二端的逐渐加厚提高了保温效果,该处内壁温度相应上升,从而降低了电极根部附近的冷端效应,有利于光电参数的提高和稳定。
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  我们采用的这种一体式球形、椭圆形或橄榄形陶瓷电弧管壳结构,虽然在制造上难度较                             大,成本较高,但是这种泡壳结构的光辐射均匀,没有接头机械温度高,温度场均匀,运转时电弧管内部的高温、高压、高腐蚀性气流在泡壳内回旋时均匀顺畅,不产生热冲击力(Fig.4),因此泡壳内部腐蚀较轻微,寿命过程中从泡壳逸散到放电空间或泡壳从放电空间吸收的物质很少,对灯参数的稳定和寿命的延长颇有助益,陶瓷金卤灯的长寿命记录主要是此种圆形一体式电弧管创造的。

  2、部分测试结果

  测试了39W陶瓷金卤灯及电弧管裸管的管壳温度场及光电参数。Fig5 a、b、c为同一只39W陶瓷金卤灯电弧管在完全相同的点灯条件下的热象图照片。Fig.5 a是竖直点燃的电弧管的温度场图,Fig.5 b、c则为水平点燃时的电弧管热象照片。其中b是横向侧面拍摄、而c则是顶部俯视拍摄的热象照片。Fig5三幅照片中都标注了电弧管外表面各特征点的实际温度。由图可见电弧管运转时外表面温度在900~1100℃之间。由于电弧管裸露在大气中与周围环境温差很大,从下部快速上升的气流对电弧管强烈冷却(Fig6)。参照陶瓷管材料的热导率可以估计在所述状态下陶瓷管内壁温度比表面要高100℃左右,高温部位内外壁温差更大一些,但低温部位尤其下冷端则相差稍小。
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  对比Fig5中的a、b、c可以看出竖直点燃时管壳外表面最高温度区域为在电弧中心部位偏高处的电极附近的一圈。这是由于电弧中向上的高温气流形成的。最低温度点则在电弧管的下电极根部,该处温度为792.6℃,而上电极根部则高出80℃达到872.6℃。这一差异也是由电弧管中沿灯轴上升的高温气流形成的。可以想见在6000K的高温热电弧的作用下,上电极要比下电极温度要高出100℃或更多。这对电弧管的稳定性、光衰和寿命不能没有影响。Fig5 a所示电弧管温度表明,裸电弧管竖直点燃时下冷端的温度太低了,其内壁温度不会超过900℃,这一温度下各种金属卤化物的蒸汽密度太低,因此表I所示竖直点燃的电弧管光电参数很差。

  Fig5 b、c的热象图及各点标定的温度表明在这样的运行状态下管壳温度比竖直点燃时高而且更为均匀,这时泡壳顶部温度达1094℃(Fig5 c),底部温度866℃,比电极根部的冷端温度835℃更高。可见这样点燃时灯的冷端位于两根电极的根部,而非球泡低部。但是这一温度比竖直点燃时下电极根部(冷端)高出33℃。这两种状态下,冷端温度的差异造成了放电参数的不同,表I所示实测数据表明了冷端温度的影响。该数据还表明陶瓷金卤灯电弧管裸露工作时性能很不理想。
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  上表数据表明在两种不同的点燃状态下,同一电弧管的灯压降与功率完全相同,但光效、色温和显色性则有一定差异。这是由于前者主要是由汞气压力决定,两种点燃条件下,汞均已全部蒸发,所以灯压降和灯功率没有差别。但二者冷端温度的不同使得充入电弧管的各类金属卤化物蒸发情况不同,蒸汽成份和密度不同,因而光效、色温、显色指数均产生了明显差异。在点燃裸电弧管的情况下冷端温度较高的水平点燃较竖直点燃为好。
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  将上述同一电弧管封入外石英罩壳(滤除紫外光石英玻壳)并将外罩壳抽空密封(Fig.1),从而消除了电弧管外上升气流的冷却作用、四周气体的传导热损失降到最低,这时的外壳温度场照片示如Fig7,Fig7a为垂直点燃时的温度场,而b、c则为水平点燃时的温度场,其中图c为俯视图。由Fig5 a、b、c所示数据的对比可见竖直或水平点燃时其外壳温度分布差异比电弧管要小也均匀得多,它的最高温度不过250℃(Fig7 c)或230℃(Fig7 a)这个温度与周围空气温差甚小,没有强烈上升气流的冷却作用。粗略估算可知在真空密封情况下,电弧管壳外壁温度比裸露在大气中时应升高100℃~150℃,所以此时电弧管内壁温度应在1200~1250℃之间,这一温度是石英管难以长期承受的,而在这样的温度下各种金属卤化物得以充分蒸发,所以其性能比石英电灯为好。陶瓷金卤灯电弧管加封外罩壳以后的光电参数的测试结果表明在表Ⅱ中。

  表II所示数据表明外罩壳使电弧管冷端温度上升、更多金属卤化物蒸发,管内气压上升,所以与裸电弧管相比,其灯电压显著提高,同时光效、显色指数等参数均大幅度改进、充分显示出了陶瓷金卤灯的优越性能。表Ⅱ数据还表明成品陶瓷金卤灯竖直点燃和水平点燃时性能差别不大,这是由于外罩壳使电弧管温度特别是冷端温度大幅度提升的结果,两种情况下灯的冷端温度均足以保证金属卤化物充分蒸发,使电弧管中的状态达到了设计要求。但表II数据表明水平点燃时灯压降还是提高了5V,光效和色温略为降低,但显色指数稍稍上升。这是由于与竖直点燃相比水平点燃时电弧管中的冷端温度稍高,金属卤化物蒸发更为充分,蒸汽压力相应升高所至。
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  Ⅳ 小功率陶瓷金卤灯是当前光伏照明的最佳灯选

  实际测试表明目前陶瓷金卤灯的光效仅次于高压钠灯,但是陶瓷灯的显色指数则远高高压钠灯,通常都在85以上并且很容易做到90甚至95。陶瓷金卤灯的寿命很长,即使最难做的20W、39W等超小功率灯种其寿命也能达到8000小时或以上。陶瓷金卤灯虽然是一种超新型的高性能光源,但却有十分传统的结构,其巨大光能集中在很小的中心发光体中,因此很容易与各种现有的成熟高效灯具匹配,产生非常好的照明效果。利用完全成熟的技术可以为这种高性能点状光源很方便地设计出具有理想配光曲线的灯具取得最佳照明效果,例如用一支39W的小功率陶瓷金卤灯配置在现有的150W的高压钠灯路灯灯具中,安装在不同高度时的照明效果示如下表:
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  上表测试结果表明这对小区的道路照明是十分理想的。表Ⅱ数据还表明有外壳时点燃位置对灯参数影响不大,通常产品说明书大都标明要求竖直燃点,但是我们的数据表明水平点燃略好一些。考虑到电弧管内部情况水平点燃对灯本身更为有利。

  目前陶瓷金卤灯的制造成本相对较高,但是由于灯的高效、节能和长寿命而使较高的价格得到了充分补偿。光伏照明中的最大制约条件是电能,在这样的条件下,最节能、寿命最长的陶瓷金卤灯自然成为最佳灯选。

  Ⅴ 光伏照明是一个急待开发系统工程

  由于能源及环保问题,使得光伏照明成为一个十分迫切而又热门的课题和话题,关心这个问题的机构和人员不少,但是应当主要从其巨大而深远的意义和效果去考虑,不能单纯将之看成是一个商机,目前有关无关的行业和人员都想插一脚,唯恐失去这个商机。这虽然也是一个商机,但必须到明天才能成为大的商机,这是一个涉及环境、涉及人类的生存和发展的千秋大业、涉及子孙万代的重要课题和事业,必须把其真正的意义放在首位。目前这种照明还远未达到普及推广的程度,例如目前这种电力的成本约为火力发电站的十倍,太昂贵了,需要进行深远和长远的规划并采取相应措施,踏踏实实地去研究、开发、实践,在确实成熟以后再稳步地推广,这个项目是不可能一蹴而就的。

  光伏照明是一项高科技工程,有诸多环节紧紧联系在一起,首先需要有高效能、长寿命、廉价的光电转换器件——光伏电池或类似器件,目前使用的硅光电池的转换效率有待进一步提高,成本有待下降,使用寿命和承受各种恶劣环境和条件的能力有待考验;光伏照明还需要一种将白天的太阳辐射转换得到的电能储存起来供夜间照明用的高效率、低损耗、长寿命、廉价的蓄电池,这是一个比光电转换器件难度更大,存在问题更多的瓶颈,处理失当还会成为一个严重的污染源;它还需要一种高效率、高可靠、使用方便、廉价的能将蓄电池电能变换为可以直接点灯的电源的电器——电子镇流器或变压器等转换器件;它还需要有一种高性能、高效率、廉价的能将光源辐射的光能经济合理地分配到需要照明的区域的灯具;它还需要一些高效、可靠的控制器件,包括定时器、传感器等。目前普遍使用的酸铅电池必须要有可靠的充电保护电路,既不能充电过度(不大于14V)使用时又不能放电过度(不小于10.4V),否则电池寿命将大受影响;当然更关键的是它需要有一个高效率地将电能还原为光能的高性能器件——这就是本文专门讨论的光源,这个关键问题现在我们已经很好地解决了,这就是小功率陶瓷金卤灯。

  目前存在的突出的问题是铅酸电池的不到两年(或说4年)的寿命对于光伏照明太短了,这些废衰的铅酸电池如处理不当,则将成为所实施的绿色照明中的一个严重污染源而使光伏照明的意义大幅度降低。可见与光伏照明配套的一系列管理体制有待建立和完善。

  从太阳光能转换为电能,再从电能的转换到光能的链条中的每一个环节都需要我们进行不懈的努力去思考、设计、大胆地试验,并持续地进行改进,不断地逐步完善、完美,在这个伟大的任务取得扎实有成效的结果以后再大力普及、全面推广。这项涉及人类千秋万代的伟大、艰难而光荣的长期使命有待我们锲而不舍地努力完成。

  参考文献
  [1] 杨正名,高光义,张明,柴国生. 200610035874.6. 一种高效长寿命陶瓷金卤灯电极系统. 2006.6.9
  [2] Gary R.Allen, James Howard, James A. Leonard. US6621219B2. THERMALLY INSULATING LEAD WIRE FOR CERAMIC METAL HALIDE ELECTRODES. Sep.16, 2003
  [3] 杨正名,高光义,张明,柴国生. 200610035124.9. 一种陶瓷金卤灯电弧管. 2006.4.21

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