LED在南極科學(xué)考察站室外照明的應(yīng)用

王 磊 / 海明慈

(清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京 100084)

1 前言

南極作為世界上唯一沒有常駐人口的大洲，有著無數(shù)未知的領(lǐng)域等待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，而人類自十九世紀(jì)發(fā)現(xiàn)南極洲開始就從未停止對南極的探索，越來越多的國家在南極建立臨時或永久科學(xué)考察站。我國于1984在喬治王島建立了長城站，1989年在維斯托登半島建立了中山站，并在南極高地DOOM A建成了我國第一個內(nèi)陸科考站昆侖站。科考站一般占地200ha～300ha，考慮到火災(zāi)的危險，科考站內(nèi)的建筑都相隔一定距離，另外站區(qū)內(nèi)的很多研究和日常活動都要在室外進行，因此，科考站的室外照明是科考站照明設(shè)計關(guān)注的重要問題之一。

2 科考站室外照明的特點和現(xiàn)狀

南極科考站室外照明具有諸多不同于大陸通常室外照明的特點。首先，南極氣候寒冷，以中山站為例，科考站的年平均氣溫為-9.5℃，夏季最高氣溫9.6℃，冬季最低氣溫-33.6℃。室外光源需要具有抗寒冷的能力，能夠保證在低溫下順利啟動，正常工作；其次，科考站年降水天數(shù)為162天，年大風(fēng)天數(shù)多于174天，最大風(fēng)速43.6m/s，照明光源應(yīng)能夠?qū)箰毫拥氖彝猸h(huán)境；第三，南極地區(qū)有極夜現(xiàn)象，如中山站連續(xù)黑夜時間58天,這需要燈具有極高的可靠性，以減少在惡劣條件下維護室外照明裝置的工作；最后，科考站遠(yuǎn)離大陸，站區(qū)電能由柴油發(fā)電機供給，而包括柴油在內(nèi)的所有補給物資都需要通過破冰船和飛機運輸，科考站發(fā)電機所用的低溫燃油，國內(nèi)參考價格為4 500元/t，綜合考慮所有運輸成本后，到達南極中山站的費用達到8 200元/t。因此，一方面在設(shè)計中應(yīng)選用高效節(jié)能的方案，減少能耗和對環(huán)境的污染，另一方面應(yīng)選用長壽命的燈具光源可以減少備件數(shù)量。

上世紀(jì)建設(shè)的科考站通常采用白熾燈和鈉燈作為室外照明光源。白熾燈具有迅速啟動、光源價格低廉、更換方便和易于調(diào)光的特點，低色溫的光譜特點也能很好地滿足寒冷地區(qū)的心理需求。但是，白熾燈在低溫下燈絲電阻減小，很容易在啟動瞬間因過流損壞。白熾燈壽命短，維護工作量較大。另外很嚴(yán)重的問題是白熾燈光效低，能耗大，與科考站綠色照明節(jié)能的目標(biāo)背道而馳。

高壓鈉燈的光效高，壽命較長，黃色光譜的光源特性透霧能力強，非常適合科考站室外照明需要具有指示性的特點。雖然鈉燈的顯色性不好，但科考站的室外工作一般不需要很高的顯色性，因此高壓鈉燈在各國科考站的室外照明中得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，高壓鈉燈低溫性能一般，尤其是鎮(zhèn)流器等器件通常不耐低溫，應(yīng)用中通常將鎮(zhèn)流器等安裝在室內(nèi)，以避免低溫的影響。高壓鈉燈對震動比較敏感，在南極的大風(fēng)環(huán)境中，高壓鈉燈極易因震動損壞。鈉燈啟動性能較差，不僅啟動時間長，多次開關(guān)還會影響光源壽命，這些都是鈉燈的劣勢。

而緊湊型熒光燈等低壓放電燈由于不耐低溫，不適宜在科考站室外使用。

3 LED在室外照明中應(yīng)用

在筆者進行科考站改擴建項目的過程中，針對科考站室外照明設(shè)計，分析了LED的特性，研究了LED替代傳統(tǒng)光源的可能性。

耐低溫：LED與傳統(tǒng)光源相比，其低溫性能優(yōu)越。經(jīng)過處理后的產(chǎn)品工作溫度可達-50℃。平時在室內(nèi)應(yīng)用中大功率LED的短板是散熱，通常設(shè)計師考慮的是如何降低結(jié)溫保證LED的正常運行。在南極，較低的環(huán)境溫度有利于散熱，從而可以提高光效，延長光源壽命。當(dāng)然，對于LED的驅(qū)動電路，需要采取一定的保護措施，例如選用工業(yè)級的芯片，或者采取一定的電加熱措施。

耐震動：在南極，超過40m/s的大風(fēng)會使7m高的燈桿頂端位移超過0.4m，嚴(yán)重影響燈具的正常工作。LED多采用模塊式封裝，與傳統(tǒng)燈具相比，經(jīng)整合后的LED燈具結(jié)構(gòu)簡單，沒有燈絲等易動元件，尤其是經(jīng)過與廠商協(xié)調(diào)，在燈具組裝過程中對關(guān)鍵部位采用樹脂封裝，更加降低了震動對于燈具的影響。LED的結(jié)構(gòu)使其具有進一步提高抗震性的可能，這也是LED的重要優(yōu)勢之一。同時，配合IP67的燈具可以完全防護南極雨雪對于燈具的影響。

高光效：與白熾燈相比，LED的光效更高，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，LED的光效超過150lm/W甚至200lm/W完全是有可能的。因此選用高效光源所減少的電能消耗可以帶來明顯的經(jīng)濟效益。

長壽命：與傳統(tǒng)光源相比，現(xiàn)在市場上的LED宣稱壽命可達到30 000h以上。相比白熾燈和高壓鈉燈都有明顯的提升。有助于減少站區(qū)的設(shè)備維護工作量。

易于控制：LED的可控性好，無論是開關(guān)還是調(diào)光控制，都比較方便。單個LED燈具由多顆LED模塊組成，通過控制每個燈具中LED模塊的數(shù)量可以實現(xiàn)便捷的調(diào)光、調(diào)色。如果考慮每個LED模塊的調(diào)光，可以精確控制被照區(qū)域的光環(huán)境指標(biāo)。在極夜期間，可以通過控制LED的亮度去人工調(diào)節(jié)站區(qū)的室外照度水平，提供一個模擬的24h光周期，減少因極夜影響人員生理周期所帶來的頭昏、失眠、精神不振等生理和心理病癥。

光譜特性：在設(shè)計科考站室外照明時，還有一個挑戰(zhàn)是來自于對光譜的控制。

我國的南極中山站所處緯度正好在極隙區(qū)，是世界上少數(shù)可進行午后極光觀測的臺站之一。隨著地球自轉(zhuǎn)，中山站白天位于極隙區(qū)，夜晚進入極蓋區(qū)，一天兩次穿越極光帶，是地球空間環(huán)境觀測的理想之地；同時，中山站的磁共軛點位于我國北極考察站附近，中山站與我國北極站可開展極光等高空大氣物理現(xiàn)象的共軛研究。因此極光觀測是極區(qū)空間環(huán)境監(jiān)測的重要組成部分。

在中山站，極光觀測的主要設(shè)備是多波段全天空CCD成像系統(tǒng)，它由三波段極光4 278A、5 577A、6 300A單色成像儀和全色成像儀構(gòu)成。在觀測期間，設(shè)備要求盡量減少來自地面雜散光的影響，特別是要避免在上述三個波段的影響。傳統(tǒng)光源多為廣譜連續(xù)光譜，在室內(nèi)照明中，與日光光譜相似的連續(xù)光譜對處于人工光環(huán)境的人員非常有益，但是應(yīng)用于室外特殊環(huán)境，特定的光譜會對CCD成像系統(tǒng)造成干擾。通常的解決辦法是在觀測設(shè)備工作期間關(guān)閉站區(qū)的室外照明，但是由于極光觀測經(jīng)常會連續(xù)觀測幾個小時，而極夜期間沒有人工室外照明會帶來一定的安全風(fēng)險。有的國外科考站采用專用濾光片將室外光源的光譜限制在某個特定區(qū)域以減少對觀測設(shè)備的影響。但是這種方式燈具效率低，平時還要摘除濾光片，使用較為繁瑣。

在項目設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，LED光源的窄光譜特性為站區(qū)的室外照明提供了一種全新的解決方案。根據(jù)市場調(diào)研，訂制了一款特制燈具，內(nèi)含12個普通的白光LED模塊，功率約60W；14個波長為594nm的橙色LED模塊和2個波長為450nm的藍色LED模塊，功率約80W，封裝在一個燈具中。平時開啟白光LED為站區(qū)照明，當(dāng)進行極光觀測時，關(guān)閉白光LED，開啟橙色和藍色LED為站區(qū)提供照明。由于光源的主波長錯開了CC成像系統(tǒng)的敏感波段，從而在滿足站區(qū)照明的同時，最大限度地減少了室外照明對CCD成像系統(tǒng)的干擾。與此同時，利用LED指向性好的特點，結(jié)合燈具的配光設(shè)計，減少無序的散射光進入觀測設(shè)備。在2014年底，燈具將安裝在中山站，屆時可現(xiàn)場測試此燈具的實施效果。

圖1 科考站室外照明選用的LED的光譜參數(shù)

盡管LED在本項目中與傳統(tǒng)光源相比有上述優(yōu)勢，但不可否認(rèn)的是，現(xiàn)階段LED還存在諸多問題影響其應(yīng)用。首先，LED現(xiàn)在的規(guī)格不統(tǒng)一，市場沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對于設(shè)計選擇產(chǎn)品和業(yè)主采購產(chǎn)品造成一定的困難。例如，本項目只能通過定制產(chǎn)品以滿足設(shè)計要求。其直接后果是帶來了產(chǎn)品的價格問題，本項目由于相對采購數(shù)量較少，價格因素的影響相對較小，但是可以推想這對于LED的推廣造成了障礙。此外，LED的驅(qū)動電路可靠性有待提高，雖然LED光源的壽命較長，但是與之匹配的驅(qū)動電路如出現(xiàn)問題，同樣影響燈具的壽命。用戶在使用過程中，也提出了諸如LED的色溫偏高，顯色性不好等問題，需要對設(shè)計和產(chǎn)品做進一步優(yōu)化。

4 結(jié)束語

LED作為快速發(fā)展的一種新型光源，雖然還有很多不完善之處，存在尚待解決的問題。本項目針對LED的特性和南極科考站具有的獨特的地域特性、氣候特征及使用功能，充分利用LED耐低溫、防震性能好、系統(tǒng)壽命較長、指向性好、光譜集中的優(yōu)點，同時減少LED散熱要求高，顯色性較低等缺點對系統(tǒng)設(shè)計的影響，使得LED與傳統(tǒng)光源相比，具有一定的產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢，使之在現(xiàn)階段成為南極科考站室外照明設(shè)計的最佳選擇。

[1] 北京照明學(xué)會照明專業(yè)設(shè)計委員會.照明設(shè)計手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2006.

[2] 中國電光源所，中國照明學(xué)會. 電光源實用手冊[M]. 北京：中國物資出版社，2005.

[3] 國家經(jīng)貿(mào)委,中國綠色照明工程項目辦公室. 綠色照明工程實施手冊[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4] Joseph B. Murdoch. ILLUMINATION ENGINEERING. Macmillan Publishing Company 1995.