LED燈具在船舶及海工項目上的應用

倪永亮

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節能，環保，壽命長，體積小等特點。2009年LED燈具開始在發達國家進入主照明普及。在船舶及海洋平臺領域，因氣候相對陸地自然環境惡劣，對產品的穩定性和安全性要求更加嚴格，因此使用LED燈具照明方案相對較晚。

1 LED燈具應用的現狀與發展趨勢

1.1 在船舶與海洋工程行業發展現狀

在船舶與海洋工程行業中，使用LED燈具作為船用照明方案最初應用在豪華游輪等舒適度要求很高的項目上，目前逐漸發展為應用于歐洲船東的部分新造工程船項目、部分新造海工項目以及部分大型海工項目的改裝工程中。國內主要的船廠均有已交付項目或在建的項目使用LED燈具照明方案。在大連中遠海運重工有限公司交付的 MC-CLASS系列模塊運輸船項目部分區域使用 LED燈具照明方案，目前在建的挖泥船項目全船使用LED燈具照明，而且目前進行的多個工程船報價項目規格書中均明確要求使用LED照明方案。

1.2 LED燈具在船舶與海洋工程行業發展趨勢

在船舶與海工領域，LED燈具的高效節能，舒適度高，故障率低等優勢逐漸受到船東和使用方的青睞，同時伴隨著LED燈具生產效率的不斷提升，越來越多的廠家參與到了對LED燈具的研發和生產中，LED燈具的生產成本和市場價格呈現下降趨勢，在船舶和海工行業的應用呈現逐年上升趨勢。

2 LED燈具原理

2.1 基本概念

LED：發光二極管。

光強：指光源的明亮程度，即表示光源在一定方向和范圍內發出的可見光輻射強弱的物理量。單位：燭光（cd）。

光通量：光源每秒鐘所發出的可見光量之總和。單位：流明（Lm）。

照度：照度是反映光照強度的單位，其物理意義是照射到單位面積上的光通量。單位：勒克斯（Lux）。照度是衡量照明系統設計是否滿足使用要求的標準，規范上明確規定了船舶各區域的最低照度要求數值，在交船時需用照度儀實船測量。

燈具IP防護等級：將燈具依其防塵、防水之特性加以分級，由2個數字組成，第一個數字代表燈具防塵、防止外物侵入的等級（分為0級～6級），第二個數字代表燈具防水侵入的密封程度（分為 0級～8級），數字越大表示其防護等級越高。

2.2 LED燈具發光原理

發光二極管燈具即LED（light emitting diode）燈具，是一種半導體固體發光器件。它是利用固體半導體芯片作為發光材料[1]，在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射，直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。LED照明產品就是利用 LED作為光源制造出來的照明器具。半導體發光二極管燈具發光原理是在電壓作用下使PN結的載流子流動，電子與空穴復合時得到的能量以光能的形式釋放出去。

如圖1所示，二極管是一種電子半導體器件，主要的特征就是電流的單向導通。

圖1 二極管

如圖2和圖3所示，發光二極管（LED）首先是一個二極管，一些特殊的有色金屬被摻雜在里面，當電子從高P極流向N極的時候，就會激發出光。

圖2 發光二極管原理

圖3 發光二極管（LED）示意圖

對于照明燈具而言，白色的光源更受人喜歡。上世紀末發白光的LED開發成功，這種工藝原理是藍光LED發光二極管激發黃色熒光粉產生白光，藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋樹脂薄層，LED基片發出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合，可以得到白光。對于白色LED，通過改變熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3 500 K～10 000 K的各色白光。這種通過藍光LED得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多，目前各大品牌LED光源燈具廠家均采用此原理。常用典型LED燈具色溫圖譜如圖4所示。

圖4 典型LED燈具色溫圖譜

2.3 LED燈具散熱要求

LED的基本結構是一個半導體的P—N結，通過實驗得知當電流流過LED元件時，會產生熱量釋放，P—N結的溫度將上升，就把P—N結區的溫度定義為LED的結點溫度。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此也可把LED芯片工作的溫度稱之為結點溫度（Tj）。

圖5 二極管電流電壓坐標圖

圖6 PN節散熱示意圖

如圖5和圖6所示，正向的電流與電壓成指數關系，所以，在電壓變化很小的情況下，電流就會有一個很大的變化，很高電流同時就會產生很高的功率，很高的功率就會導致結點溫度很高，如果在短時間內結點溫度過高，二極管就會燒掉。

如圖7所示，LED與結點溫度（Tj）的關系如下：

1）過高的電流導致很高的結點溫度；

2）過高的環境溫度導致過高的結點溫度；

3）過高的結點溫度導致LED光通量的減少；

4）同時過高的結點溫度，也導致LED壽命縮短。

圖7 結點溫度（Tj）與LED壽命曲線圖

因此，結點溫度對LED使用壽命影響很大，如何對LED進行散熱成為LED燈具的重要技術指標。目前熱導率系數高的材質主要包含鉆石、銀、銅、鋁等，綜合考慮成本因素，市場上LED產品散熱材料通常選用鋁。

3 LED燈具方案設計與選型

本部分將結合部分品牌廠家的實際產品展開，涉及燈具品牌為 LightPartner與 Glamox，LightPartner為大連中遠海運重工有限公司MC-CLASS系列模塊運輸船項目和挖泥船項目LED燈具方案的供貨品牌，Glamox品牌LED燈具目前在本行業國外市場有較多工程業績。現在LED燈具產品能夠做到覆蓋室內、機械處所、露天區域等安裝要求。

3.1 照明設計

照明方案的設計[2]，需綜合考慮電源配置、照度需求、美觀、經濟性等各指標要求，最終實現各區域的照明滿足船級社和船東技術規格書的要求。照明系統的電源配置需根據船級社的要求配置不同類型的電源。

照度計算是照明設計的工作之一，它的目的是根據技術規格書和規范的要求，確定具體工作（生產）場所、生活區域和公共活動場所的被照平面上需要多少光通量，進而確定需要使用多少個適合該區域安裝的燈具。

照度計算可以通過公式手動計算，也可以通過軟件進行計算，目前各主要照明燈具廠家均有其計算軟件。

照明系統的方案設計，通常會通過軟件對典型的房間或區域進行照度計算來初步預估典型區域的大致燈具數量配置，隨著設計的不斷深入，照度計算所需參數將不斷完善，并根據照度計算結果對照明布置進行修正，最終完成項目的整體照度計算報告和照明設計方案。

典型照度計算報告、照度計算軟件仿真模型和照度計算效果如圖8～圖10所示。

圖8 典型照度計算報告結論

圖9 典型照度計算軟件仿真模型

圖10 典型照度計算效果圖

3.2 LED照明燈具選型

結合部分品牌廠家的實際產品對主要區域燈具類型進行參考選型，實際項目執行需根據船東技術規格書和選定品牌型號執行。

目前LED船用燈具產品IP等級滿足各個區域的要求，部分型號產品能實現IP68，可應用于易浸水區域的使用要求。燈具的設計溫度能夠覆蓋?35～55℃的環境溫度，船級社要求的臨時應急照明也可以通過帶蓄電池模塊的LED燈具實現。

表1 部分品牌廠家的實際產品和使用區域

表1 部分品牌廠家的實際產品和使用區域（續）

4 LED燈具與傳統燈具比較

4.1 健康環保

LED燈具光線中不含紫外線和紅外線，不產生輻射（普通燈光線中含有紫外線和紅外線），不含鹵素等有害元素，不會產生電磁干擾（普通燈管中的電子鎮流器會產生電磁干擾）。

4.2 使用壽命

LED燈具光源在光強衰減至 70%之前使用時間約為25 000 h（參考GLAMOX燈具在50℃環境溫度測試數據）。LED燈具光源使用壽命為30 000 h～100 000 h，遠遠高于其他傳統照明燈具光源的使用壽命[3]。

4.3 燈具維護

LED燈具故障率低，經與LightParter、Glamox等知名品牌燈具廠家的溝通，LED燈具通常為整體設計，不需要更換光源（燈管，燈泡等），非外界原因很少會發生故障。廠家通常對其產品會提供較長時間的保修服務（GLAMOX為發貨后5年內免費更換，LightParter標準為項目交付后兩年內保修，具體時間需和廠家進一步溝通）。而傳統照明燈具光源如熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈等類型的燈具，其工作原理通常為高壓激活介質發光、故障率本身較高，維護過程中因需定期打開燈具外殼更換內部光源又進一步提高了故障率。因此LED燈具的維護效率和維護成本遠遠低于傳統船用照明燈具。

表2 不同燈具的使用壽命（單位：h）

4.4 能耗對比

圖11 高壓鈉燈實測效果圖

圖12 LED泛光燈實測效果圖

LED燈具能耗低，同等光照強度的需求下，1個LED耗能僅為傳統光源的一半左右。在船舶與海工平臺上，照明系統為I類連續運行系統，單個項目運行時照明系統整體耗能通常為幾十千瓦至幾百千瓦之間，使用LED光源的照明系統降低能耗的作用明顯。

4.5 實測數據差異

經廠家實際測量結果顯示，對比使用LED光源的泛光燈與傳統光源泛光燈進行照度實驗。當達到同樣的視覺效果時，2種情況下實測的照度值不同。如圖11和圖12所示，分別為使用高壓鈉燈和LED光源泛光燈使房間達到了大致相同的視覺效果，LED光源泛光燈呈現的視覺效果更好一些，此時分別測量房間照度值，圖11使用高壓鈉燈照明時照度值為286 lux，而圖12使用LED光源泛光燈照明時照度值僅為95 lux，這就導致了照明視覺效果好但是照度測量數據低的現象。若項目中以照度數據作為測量標準，此種情況將會導致LED光源燈具數量明顯增加。在實際項目的執行過程中，針對此種情況需要在設計階段與船東提前溝通確認，說服船東接受以照明的實際視覺效果作為檢驗照明系統的依據。

4.6 綜合成本分析

在現階段，1個LED燈具價格相當于同樣光強或照度需求所使用的傳統燈具的二倍左右。若考慮后期運行期間的整體維護費用，LED燈具在船舶或海工項目運行的壽命周期內綜合成本是低于傳統燈具的。

從船東的角度分析，LED燈具綜合成本低，因此在以后的新造項目中對 LED光源燈具的需求將會逐漸增多。

從船廠建造采購成本的角度分析，考慮到LED燈具當前采購成本仍高于傳統燈具，如合同條款或技術規格書中沒有明確約定使用 LED燈具作為照明方案，傳統燈具仍將作為當前船廠的優先選擇方案。

5 結論

作為船廠建造和設計方，考慮初次采購成本的限制，我們現階段仍以船東技術規格書要求作為方案選擇的主要依據，若當前技術規格書無明確使用LED燈具的要求，仍需以傳統的熒光燈具、金屬鹵化物燈具等方案作為優先選擇項。綜合考慮船舶與海洋工程領域照明系統的發展趨勢，LED光源燈具在未來一段時間將很可能會大幅降低生產成本，完全替代傳統的船用燈具。