探討新型照明方式在發電廠的應用

劉 淼

[摘 要]介紹照明光源的發展史,詳細闡述第三、四代光源的優缺點,分析發電企業復雜的照明環境,通過原理分析及經濟對比,闡述第三、四代照明光源在發電企業推廣的可行性。

[關鍵詞]高頻無極放電燈 半導體照明燈具 發電企業照明環境特點

[中圖分類號]TP923[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0028-04

目前節能減排已經成為國家一項基本國策,發電廠作為能源生產單位,同時也是耗能大戶,節能減排壓力尤為重大。面對當前電力市場疲軟,負荷率下滑以及節能經濟調度的試點,深度挖潛,節能降耗是企業必須自我推進的一項工作。

由于發電廠照明點多面廣,部分區域需長期照明,照明用電量占廠用電比例雖然不大,但耗電量也相當可觀。當前老發電企業照明方式多停留在白熾燈、汞燈階段,新建電廠照明設備的選型雖然有所提高,但仍以照明效率相對較低、維護費用偏高的細管徑直管熒光燈、緊湊型熒光燈和高壓鈉燈為主。近幾年隨著照明技術的更新換代,高頻無極放電燈、半導體照明燈具技術已經相對成熟具備了大面積推廣的條件。因此做好老發電企業照明系統的節能改造,尤其是新建電廠照明系統的選型其節能成效是相當顯著的。本文通過對照明新技術的介紹以及發電企業照明環境的分析,來探討新型照明方式在發電廠的應用前景。

1 照明光電源發展史

第一代電光源:白熾燈(鹵鎢燈)

由強大的電流形成自由電子,使鎢絲升溫產生熱輻射而發光,鎢絲溫度達2000℃左右,大部分電能轉變為熱輻射,少部分電能轉變為光能,白熾燈的使用壽命在2000小時以內。

第二代電光源:熒光燈(日光燈、節能燈)

低壓氣體在電場作用下被電離,電離的氣體原子發射紫外光并激發管壁上的三基色熒光粉,發射熒光,包括日光燈、節能燈、緊湊型節能燈等,壽命在6000～8000小時。熒光燈含汞,玻璃含鉛,有污染,廢棄物不可回收。

第三代電光源:高強度氣體放電燈(HID)

高強度氣體放電燈是目前大功率照明應用較廣的燈具,其原理是燈管內充滿了氣體和金屬。氣體幫助燈泡啟動,而金屬加熱達到蒸發點,形成等離子態后而發出光線。包括水銀燈、金屬鹵化燈、低壓鈉燈、高壓鈉燈以及最新型的高頻無極放電燈。發光效率可達60～80 lm/w,壽命為1000～3000小時。

第四代電光源:半導體發光二極管(LED)

半導體發光二極管(Light Emitting Diode,縮寫成LED),是由P型半導體和N型半導體組成的晶片,它們之間形成的過渡層叫P—N結,當P—N結加正向電壓時有電流注入,電子和空穴復合而發光。LED晶片的體積很小,通常只有幾十到幾百微米見方,屬于固態光源,選擇適當匹配的材料和制造工藝,電能大部分可轉變成光能,理論上發光效率可達400 lm/w(但是目前LED實際發光效率還在100 lm/w左右),工作狀態穩定,可靠性高,壽命超過10萬小時。

2 電廠照明的環境特點

2.1 電壓不穩,沖擊大

發電廠照明電壓穩定性相對較差,電壓通常情況下偏高,而且由于發電廠均是大功率輔機,在輔機啟停過程中電壓波動沖擊很大,對照明燈具壽命的影響非常大,由其沒有專用的照明變壓器的發電廠,現象尤為明顯。

2.2 工作環境復雜惡劣

對于發電廠發熱源較多,環境溫度高,工作環境污穢,不利于燈具散熱;轉動機械多振動大,對采用燈絲照明的燈具壽命有較大的影響。

2.3 照明電壓等級多,防護等級高

發電廠普通照明為380V、220V等級。電纜溝、電纜夾層以及低于2.2米生產車間照明用24V電壓等級,檢修用臨時燈具采用12V電壓等級。 應急照明為直流220V或110V電壓等級。油庫氫站應配備防爆燈具,化學車間酸堿庫應配備防腐蝕密閉燈具,橋吊、斗輪機等振動大擺動大的機械需配備具有防脫落裝置的照明燈具。

2.4 更換難度大

由于發電廠工作環境復雜高溫高壓設備多,部分部位照明更換難度較大,如煙囪頂部障礙燈,爐外及爐頂照明等,一旦損壞更換難度及危險程度均較大,這類照明對燈具壽命要求較高。

針對發電企業上述照明環境特點對配套照明燈具提出了較高的要求,既要抗震、耐高溫環境適應性強,還要壽命長,電壓適應幅度寬,而這些要求正是高頻無極放電燈、半導體照明燈具所具備的優勢。

3 高頻無極放電燈的工作原理及特點

3.1 工作原理

高頻無極放電燈是基于熒光燈氣體放電和高頻電磁感應兩個人們所熟知的原理相結合的一種新型電光源。他是由高頻發生器、功率耦合器和涂有稀土三基色熒光粉的燈泡三部分組成。當電流通過高頻發生器,產生一個2.65MHz高頻正弦電壓,并同時產生一個3000V左右的點火電壓,通過功率耦合器在涂有稀土熒光粉的玻璃泡殼內瞬間建立一個高頻磁場,在高頻磁場的作用下,泡殼內部的惰性氣體(氪氣和氬氣的混合氣體)發生電離并進而產生雪崩效應,從而產生強紫外線,稀土熒光粉在強紫外線的作用下從而發出可見光。由于玻璃泡殼內壁涂有氧化鋁金屬粉層,相當于在泡殼內壁建立了一個金屬屏蔽層,從而阻擋了電磁波外泄,這使得高頻無極燈不會產生超出國家標準的電磁空間輻射。傳統電光源不論是白熾燈還是高、低壓氣體放電燈,都是由一個玻殼和一根燈絲組成,電能通過燈絲進入燈泡轉換為光能。而高頻無極燈則是通過把高頻電磁能以感應方式耦合到燈泡內,因此它沒有常規電光源所必須的燈絲或電極,故名無極燈。如圖1所示。

3.2 燈具特點

(1)壽命長:一般的白熾燈、日光燈、節能燈、及其它氣體放電燈都有燈絲或電極,而燈絲或電極的濺射效應恰恰是限制燈使用壽命的必然組件。高頻無極燈沒有燈絲,所以它不存在限制壽命的必然組件。使用壽命僅決定于電子元器件的質量等級、電路設計和泡體的制造工藝,一般使用壽命可達5萬～10萬小時。是白熾燈的60倍,節能燈的12倍,高壓鈉燈的4倍。

(2)高效節能發光效率高:可達60Lm/W以上。比白熾燈節能70%以上,比高壓汞燈、高壓鈉燈、金鹵燈節能50%以上,具有極低的運行成本和維護成本。

(3)無頻閃:高頻無極燈所使用的工作頻率為2.5～3.0MHz,也就是說,高頻無極燈的工作頻率比普通白熾燈和日常使用的電感式日光燈、金鹵燈、高壓鈉燈等燈種的工作頻率(50Hz)高出5萬～6萬倍,比普通節能燈或電子鎮流器的工作頻率(30～60KHz)高出約250倍。由于它的工作頻率高,所以視為“完全沒有頻閃效應”,不會造成眼睛疲勞,保護眼睛健康。

(4)不需預熱、瞬時啟動、適應溫度范圍大:可立即啟動和再啟動,啟動時間均小于0.5秒,完全消除了燈絲啟動的弊端,即開即亮,開關壽命3萬次以上,在-40℃至50℃范圍內,均可正常啟動和工作。

(5)顯色性好,可見光比例高:光色柔和,呈現被照物體的自然色澤;在發出的光線中,可見光比例達80%以上,視覺效果好。

(6)高頻功率數、可靠性高:功率因數可高達95%以上,減少了無功消耗,節能降耗效果顯著。采用了電磁感應、高頻觸發和獨特的燈泡制作工藝,使整燈的可靠性極高,真正實現免維護。

如表1所示。

由高頻無極放電燈的特點可以看出,因為無極燈無燈絲、電極,所以抗震性能十分優異;此外采用電磁發光,低氣壓放電原理,防爆性能優越;激勵源在燈泡外,自身的發熱量在高壓鈉燈、金鹵燈的1/5以下,環境溫度適應性好;壽命長維護量小。綜上所述他是目前燈具中最適合在發電廠應用的燈具。

3.3 經濟性比對

我們將同照明等級的高頻無極燈與當前廣泛應用的高壓鈉燈的進行了成本對比分析。高頻無極燈顯色指數、功率因數明顯高于高壓鈉燈,因此135W的高頻無極放電燈的照明效果高于250W高壓鈉燈的照度。且使用壽命為高壓鈉燈的6倍,隨著無極燈的大批量規模化生產,鎮流器加燈泡的整體成本與高壓鈉燈成本正逐漸拉近。以無極燈的一個使用周期60000小時來對比兩款燈具的成本,電價按照發電廠標桿上網電價0.37元/kwh進行測算,結論如下表。從對比表中可以看出高壓鈉燈的成本高出無極燈一倍,尚未考慮高壓鈉燈更換的人工成本。通過上述經濟效益對比得出以下結論,電廠初設階段如選擇高頻無極燈在一次性投資增加不大的前提下,高頻無極燈長遠效益明顯要高出高壓鈉燈。如表2所示。

4 半導體照明燈具

半導體發光二極管是由P型半導體和N型半導體組成的晶片,它們之間形成的過渡層叫P—N結,當P—N結加正向電壓時有電流注入,電子和空穴復合而發光。目前發光二極管分為大功率發光二極管(>1W),小功率發光二極管(<1W)。如圖2所示。

4.1 燈具特點

(1)光電轉換率高、低功耗、節能省電:傳統日光燈會產生大量的熱能,而LED日光燈則是把電能全都轉換為光能,不會造成能源的浪費。 而且對墻面、衣物不會產生退色現象。LED一般12V-24V直流供電,單顆功率為0.06～1W,用量大的可以通過多種方式組合或集成,以滿足不同需要,功率因素接近于1,用低電壓帶來高光效能,比傳統白熾燈節省電能約80%以上,如果一個LED發光要特定亮度時所需的耗電量是15W,那麼傳統白熾燈泡要達到同樣亮度的耗電量可能會高達高達150W。

(2)壽命長、免維護:目前LED理論壽命可達5～10萬小時,標稱壽命也在2萬小時以上,由于壽命長,經久耐用;LED燈體本身使用的是環氧樹脂而并非傳統的玻璃,更堅固牢靠,磕碰和振動對LED不會造成損壞,減少了維護維修費用,降低了成本。

(3)環境適應能力強、安全性好:LED只要在溫度-40℃-85℃,濕度≤65%的情況下都可以正常安全的使用,由于LED屬于冷光源照明,沒有燈絲,防爆性能好,對惡劣環境適應能力強。

(4)光線柔和、無頻閃、使用安靜:LED燈具是把交流電直接轉換為直流電,不會產生閃爍現象,且沒有鎮流器使用安靜。

(5)電壓可調、范圍廣:傳統的日光燈是通過整流器釋放的高電壓來點亮的,當電壓降低時則無法點亮。而LED燈具在較大范圍的電壓之內都能點亮,只是在電壓偏低時,亮度降低而已,但仍能保證正常啟動。如表3,表4所示。

LED照明技術目前正處在精進階段, 120 Lm/w的純白色LED即將量產,這將是目前光效最高的照明燈具。LED燈具分為大功率LED照明與小功率LED照明,大功率LED照明燈具主要應用在路燈等大空間照明領域,成本相對較高,而小功率LED照明燈具已經走向民用,民用燈具市場已經可以買到LED燈泡、LED燈管,與普通燈具互換性強,不需進行燈具改造直接更換LED燈泡、燈管即可使用,且而隨著LED光源產業的壯大,其價位不斷下降,使企業更換燈具成本大幅下降。

如圖3所示。

雖然LED照明燈具從光效率上與T5新型熒光燈管基本相同,但LED固體照明在環境適應性上是T5熒光燈所無法比擬的,而且LED燈的電壓等級覆蓋非常廣,可按需定做,為電纜溝等低壓供電區域照明十分便捷。

5 結語

通過對高頻無極燈及半導體照明燈具特性的了解得出以下結論,高頻無極放電燈適合于發電企業空間廣、大范圍的大功率照明,如機爐房、廠前區等;半導體燈具適合于低電壓、振動大惡劣環境下的照明,如配電室電纜夾層煙囪障礙燈等。兩種燈具一大一小均具備節能、抗震、防爆、電壓適應能力強、使用壽命長等多方面的的優點,涵蓋了發電廠的全部照明環境,十分符合發電廠的照明要求,具備在發電企業推廣的潛力,尤其在新項目規劃過程中應積極采用新型燈具照明,這樣在前期投資增加不大的前提下,大幅降低投運后的維護費用。