CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Nouvelle génération de lampes très basse consommation avec décharge fluorescente initiée à la cathode par plasma micro-onde inférieur au watt, sans mercure et sans impact négatif pour l’environnement – ADELINE

Résumé de soumission

Le projet ADELINE vise une nouvelle génération de lampes très basse consommation où la décharge fluorescente entre cathode et anode n’est plus initiée et entretenue comme dans les lampes actuelles par une cathode chaude thermo-émissive très coûteuse en énergie (chauffage de la cathode, extraction et accélération des électrons pour produire le plasma de cathode), mais par 1 cm environ de plasma à onde de surface de forte densité généré à la cathode par champ électrique micro-onde, à une puissance inférieure au watt. Le gain global en puissance électrique est ainsi supérieur à un facteur 2. L’absence de cathode chaude permet aussi le remplacement très avantageux du mercure (additif émetteur d’UV) par le soufre, très réactif à haute température, mais dont le spectre UV (280 - 400 nm), proche du domaine visible (contrairement à la raie 253,7 nm du mercure), procure un gain supplémentaire de 1,4 sur la conversion des photons UV en photons visibles avec luminophores optimisés. Ainsi, par comparaison directe avec les tubes au mercure de 100 lm/W disponibles dans le commerce, on peut désormais escompter des efficacités lumineuses de l’ordre de 100×2×1,4 = 280 lm/W.
En outre, avec le contrôle direct de la densité du plasma de cathode (et donc du courant de décharge) par les micro-ondes, la présence de ballast devient inutile, d’où des gains significatifs en termes de réduction de puissance électrique (de l’ordre de 17% à puissances de décharge identiques) et de réduction des coûts. Enfin, l’initiation du plasma par micro-ondes permet un allumage instantané de la décharge ainsi que la modulation du courant de décharge, par variateur ou à distance pour les lampes connectées. Un second défi du projet ADELINE concerne l’étude des mélanges N2/O2 à faible teneur en oxygène (< 1%) comme alternative au soufre (peu volatil à basse température) pour la production de photons UV proches du domaine visible. Alors que, dans le cas du soufre, les photons UV proviennent du spectre moléculaire de S2, dans le cas des mélanges N2/O2, c’est la formation de molécules NO dans les états excités NO(A) et NO(B) qui est responsable de l’émission importante de photons UV, en particulier dans le domaine 200 - 275 nm pour le système NO_gama et dans le domaine 280 - 400 nm pour le système NO_beta. C’est donc ce dernier domaine spectral, contigu au domaine visible, qu’il faut favoriser (par ajustement des conditions opératoires de la décharge) afin d’obtenir un rendement maximum pour la conversion de photons UV en photons visibles avec luminophores optimisés. Le dernier défi du projet ADELINE porte sur le choix des luminophores. La conversion de photons UV en lumière blanche requiert l’association d’au moins 3 luminophores émettant dans le rouge (R), le vert (G), et le bleu (B), formant ainsi un système RGB dont la somme des spectres d’émission recouvre l’ensemble du domaine visible. Le choix de luminophores inorganiques présentant une bonne stabilité sous contraintes thermiques ou photoniques, et surtout chimiques (vis-à-vis du soufre ou de l’oxygène) s’impose. Le domaine d’excitation de ces luminophores doit être en outre compatible avec les spectres UV des émetteurs S2 ou N2/O2 et leur rendement quantique de conversion proche de l’unité. Le programme comporte la réalisation d’une série de maquettes et prototypes avec différents paramètres (e.g., luminophores ou formulations de systèmes RGB) aux stades successifs d’avancement du projet, depuis les pré-maquettes à décharge hybride jusqu’aux prototypes de lampes afin d’en déterminer leurs caractéristiques colorimétriques (indices de rendu des couleurs IRC et de température CCT) et d’en mesurer leurs valeurs nominales, puissance électrique en W et flux lumineux en lm (ou lm/W). La stratégie de valorisation vise essentiellement l’éclairage tertiaire et domestique avec les tubes fluorescents et les ampoules fluo-compactes pour lesquelles l’absence de ballast et de cathode chaude facilite grandement la miniaturisation.

Coordinateur du projet

Madame Ana Lacoste (Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Pprime Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique
LPSC Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie
ICCF INSTITUT DE CHIMIE DE CLERMONT-FERRAND

Aide de l'ANR 408 312 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2020 - 42 Mois

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