LED節能型光源及其在海洋石油工程中的應用展望

2017-04-09 05:50:46張永飛趙紅濤

山東化工 2017年3期

張永飛，趙紅濤，曹寧

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島 266520)

張永飛，趙紅濤，曹寧

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島 266520)

本文主要介紹了LED光源的發光原理、分類，詳細闡述了衡量照明質量的主要參數。通過結合海洋工程的特點和LED燈具在海洋工程中的應用現狀，探討LED光源以其節能、環保、使用壽命長等優點對海洋工程領域所帶來的經濟和社會效益，具有廣闊的應用前景。

LED節能光源；海洋工程；應用前景

海洋工程遠離陸地，照明設施的維護和維修費用較高，且一般為獨立的能源系統，能源供給成本大大高于陸地。因此，如何實現海洋工程照明設施的長壽命、高效率是實現節能環保、降本增效的主要問題。

LED是新一代節能環保光源，是繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體燈第四代光源，也是全世界重點扶持的第四代綠色光源。它最大的優勢：節能、環保、長壽命，經濟型、科技含量高。同時，用途廣泛，從一個電光源到幾個平方的發光器件，它都能夠完成。目前在海洋工程中已經有所應用，在國內最大的組塊荔灣3-1項目生活樓內采用LED燈具替代傳統熒光燈，國外項目有使用LED燈具作為泛光燈代替傳統高壓鈉燈。隨著LED光源的技術發展，LED光源的燈具勢必將大量應用于海洋石油工程。

1 LED光源介紹

1.1 發光原理及分類

LED(Light Emitting Diode)，發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以通過半導體PN結把電能轉化成光能。

按發光管發光顏色可分成紅色、橙色、綠色、藍色等。另外，有的發光二極管中包含二中或者三種顏色的芯片。根據發光二級管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發光二級管還可以分為有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。除此之外，還可以按發光管出光面特征、發光強度角分布圖和亮度大小等參數來劃分。

1.2 白光LED原理介紹

光學效應是以光學三基色原理來說明，當白光通過棱鏡后被折射出多種顏色的過渡色譜，在可見光400～800μm范圍內，顏色可分成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的可見光譜。而人的眼睛就像一個三色接收器，對紅(620μm)、綠(555μm)、藍(470μm)三種顏色特別敏感，而其他顏色可以通過紅、綠、藍三色按照不同的比例調配而成，同樣絕大多數單色光也可以分解成紅綠藍三種原色。

由三基色原理可知，紅、綠、藍三種原色是相互獨立的，任何一種原色都不能由其他顏色合成，而三基色則可按照不同的比例相加合成混色稱為相加混色。目前LED封裝白光也是利用此原理，產生方法為：

(1)3 chips 型: 紅+藍+綠(Red Chip + Green Chip+Blue Chip)；

(2)2 chips 型:藍+黃(Blue Chip+ Yellow Chip)；

(3)1 chip 型 :藍+黃熒光粉(Blue Chip+ Yellow熒光粉)、紫外+三原色熒光粉(UV Chip +RGB熒光粉)(類似于熒光燈白光原理)。

經由上述原理可了解，白光LED也可借由此方式混合出來，目前都是利用此三種合成方法來制造白光LED，然后通過封裝和控制芯片來制造LED光源和燈具。

1.3 LED光源的特性

1.3.1 衡量照明質量的幾個主要參數

1)照度：illuminance 表面上一點的照度等于人射到包含該點的面元上的光通量與面元的面積之商。照度的符號以E表示，單位為勒克斯(lux)。

2)照度均勻度: Uniformity Ratio of illuminance 表示給定平面上照度變化的量。通常用最小照度與平均照度之比表示；有時指最小照度與最大照度之比。

3)顯色性：Color Rendering 與參考標準光源相比較時，光源顯現物體顏色的特性。用顯色指數來衡量。

4)一般顯色指數：General Color Rendering Index 光源對CIE規定的8種色樣的特殊顯色指數的平均值。CIE(CIE：國際發光照明委員會)用一般顯色指數Ra作為表示光源顯色性能的指標，國標中規定的建筑場所顯色指數Ra大于80滿足要求。

5)色溫：Color Temperature 當某一種光源的色品與某一溫度下的完全輻射體(黑體)的色品相同時，完全輻射體的溫度即為這種光源的色溫，以符號Tc表示，單位為K。

6)光效：Luminous Efficacy 光源所發出的總光通量(流明、亮度)與該光源所消耗的電功率(瓦)的比值，稱為該光源的光效。單位為流明/瓦(lm/W)。

1.3.2 LED燈具特性

相對于傳統光源的燈具而言，LED光源制造的燈具有許多特性：

1)節能。由LED光源制造的燈具，由于光效高，所以在同等輸入功率下照度高，且沒有鎮流器的附加損耗。在同等照度下將來耗能會低于目前光效最高的鈉燈，更比傳統的普通熒光燈燈具節電60%～80%。

2)顯色性好。LED照明系統顯色指數在80以上，不會象一般照明燈容易出現“夜不觀色”的現象，也就是說在一般燈光下看花草、樹木、衣物等都不是本色調，顏色失真較大；而LED燈對環境顏色顯示比較接近真實色彩，各種東西的顏色與白天陽光下的顏色基本一致。相比較一般高壓鈉燈20～30的顯色指數，顯色性優異。

3)色溫高。目前通過技術改進，色溫范圍已經可以滿足各種照明需求。

4)壽命長。目前熒光燈一般壽命為8000h，而LED光源壽命超過50000 h。

5)免維護,頻繁開關不會導致任何損壞。

6)安全且有穩定的質量，可以經受4kV高電壓，散熱量低，可以工作在低溫-30℃，高溫55℃。

7)無環境污染。沒有紫外線和紅外線，沒有有害材料，如汞，保護眼睛，也沒有噪聲。

2 LED燈具在海洋工程中的應用

2.1 海洋工程對照明的設計要求

海洋工程照明設計一般分為工作場所照明設計和生活場所照明設計。工作場所分為室內、室外。室內一般為配電間、控制間、工作間、發電機房等，部分房間無舾裝板(例如變壓器間)時需要考慮增加燈具的防護等級(IP等級)，設計類似于陸地建筑內照明，但由于盤柜或者設備外形不同，需要考慮燈具布置。室外由于存在危險場所①，所選燈具必須符合相應的防爆要求，適用于不同的危險場所(0區、I區、II區)。具體布置根據層高結合具體設備布置及應急要求進行布置。生活場所指為操作人員提供住宿及生活支持的部分。根據不同的需要進行設計。

2.2 LED光源的燈具在海洋工程的應用現狀

由于LED光源的優良特性，在海洋工程中已經開始使用。在以往的項目中，LED光源僅作為逃生燈光源使用。

目前在建的國內國外項目中，已有使用LED光源的燈具代替熒光燈在作為生活區照明使用和LED作為光源的泛光燈。考慮到光衰減及散熱等問題，目前還沒有大量使用LED燈具代替熒光燈具。

2.3 LED燈具應用的經濟和社會效益

2.3.1 節能

LED燈具比傳統的普通熒光燈燈具節電60%～80%。一般萬噸級的海洋平臺燈具使用量約為熒光燈700盞、金屬鹵化物燈80盞、泛光燈投光燈35盞，若全部采用LED燈具，照明功率將降低約40kW。目前量產的LED燈具光效已經達到100lm/W，高于目前使用的熒光燈具80～90lm/W，將來量產的LED燈具光效會達到150lm/W以上。將可以減少燈具使用量。

2.3.2 環保

LED燈具光源采用發光二極管封裝，不含汞、鉛等重金屬，同時不會產生紅外線和紫外線，對環境無任何污染。目前大量使用的熒光節能燈是汞蒸氣受激發而發光，所以每支節能燈都含汞。一支節能燈的汞含量也約為3～5 mg。按歐洲最新環保標準，一旦破碎，僅3 mg就會污染約1000 t水、300 m3的空氣。相比較目前應用廣泛的熒光節能燈，LED在制造和報廢后無污染的特性顯得尤為可貴。

2.3.3 使用壽命長

相比較目前使用的熒光燈具8000 h的壽命，LED燈具使用壽命長，可達50000 h以上。且在使用過程中很少產生故障，可節省大量的維護維修成本。