LED應用于船舶航行燈的可行性探究

◎ 廖琪學 北部灣大學

1.引言

隨著科技的不斷進步，LED燈已逐漸取代白熾燈等其他技術的光源，在各大生活場所應用非常廣泛[1]。白熾燈作為船舶使用已久的燈具，容易損壞，壽命短，需要頻繁更換以保證正常使用，缺點已經逐漸暴露出來。在對船舶航行燈進行更換與維修時，需要高空作業，工作環境極其惡劣，觸及人身安全。故對船舶航行燈的優化以減少故障次數，避免高空作業，提高維修人員安全。LED作為21世紀的綠色照明光源，與傳統光源相比，LED光源具有高效節能、使用壽命長、抗震、抗沖擊、防腐防爆、光效高、光線柔和等優點[2]。這對于船舶航行燈的缺點有著互補的效果，能夠提高船舶在航行中的能見度，表示自身的動態位置，從而保證航行中的安全，減少水上碰撞事故的發生。

2.傳統船舶航行燈

2.1 航行燈的種類及分布

航行燈在船上種類居多，且分布的位置也是各不相同，以下從種類和分布地區去介紹：

1）桅燈是一種位于船首和船尾中線之上的一束光線，它在225°的水平弧度上顯示出不間斷的光線。顏色：白色。

2）舷燈是指在112.5°的水平弧線上，在右舷的綠色和左舷的紅色指示燈，并在112.5°的水平弧線中分別顯示。對于比20M短的船舶，其舷燈組合成一盞，并安裝在船頭和船尾的中心線上。顏色：左紅、右綠。

3）尾燈和拖曳燈是在最接近船尾位置的一盞白色的燈，在135°的水平弧線上顯示不間斷的燈。顏色：白色、黃色。

4）環形燈是一種不間斷的燈以360°水平弧形表示。顏色：紅色、黃色、綠色、白色。

5）閃光燈是指在一定時間內每分鐘閃爍120次以上的燈。

2.2 航行燈的工作原理

航行燈主要是以白熾燈為主，它的發光體是螺旋形狀的，被稱為燈絲。當有電流通過時，會產生大量的熱量，燈絲被加熱到白熾度并發出光，這就是我們通常所說的發熱致光。白熾燈結構簡單、瞬間點燃、光線可調、無頻閃、價格低廉。功率超過60W的燈泡充滿稀有氣體（惰性氣體），以減少鎢絲的蒸發并延長其使用壽命。現如今船舶航行燈，船舶信號燈和應急照明燈都使用白熾燈。使用壽命一般為1000小時的白熾燈，可以承受較大波動的電壓，但是長期處于波動較大的工作電壓下，使用壽命會縮短[3]；當電壓增加5%時，使用壽命將縮短25%；當電壓降低5%時，發光強度會損失18%。燈頭有螺口式（E27等）、插入式（B22和P285等）。

3.LED燈發光原理及特點

3.1 LED發光原理

LED的全稱是Light Emitting Diode（發光二極管），是一種半導體元件。如圖1所示，其核心部分是P型半導體和N型半導體形成的晶體，兩者之間會有一個交匯層，該層稱為PN結。LED光的顏色，取決多余的能量，而多余的能量是載流子多數與少數結合時產生的。PN結具有單向導電性，利用這一特性，加反向電壓，少數載流子難以加入，所以此時不發光。在LED兩邊加上正向電壓時，電流從LED陽極流向陰極，半導體會發生不同顏色的光線。電流的大小決定著光的強弱，電流越大那么發光越強[3]。

圖1 LED燈的組成結構

3.2 LED燈應用特點

1）光利用率高：在室內照明方面，LED在光利用率和能源效率方面具有顯著優勢。比如在教室，傳統的照明燈管在教室存在很多缺點，尤其是光照范圍，大部分都反射到了其他地方，直照到桌面，黑板上少之又少。

2）光線柔和：傳統照明存在較大的眩暈效果，在長期照明后，容易對視力產生影響，甚至會近視。而LED燈能很好地改變這些缺點，更好的發光強度，柔和的光線，更少的能耗，加上可控的燈光，很好地解決了傳統照明產生的問題。

3）體積小，功率小：例如在醫院，為了達到應急啟動的需求，早期的手術臺上的無影燈，就以鹵素燈和鹵素燈加少量金鹵燈為主，但是功率高達2～3KW，且大部分都是用過熱輻射的形式進行輻照，對醫生長期烘烤會影響良好的手術狀態。在空間狹小但光源集中的環境，LED冷光源的出現解決上面問題，改善了醫生在手術時環境，提高的工作條件，還可應用于人體器官的內窺鏡照明，是傳統照明無法達到的效果。

4）節能環保：在戶外照明方面，LED在光特性和節能方面具有顯著優勢。比如城市照明中，在這個智能化的時代、道路照明、廣告牌、景觀照明等，對待不同的場景，LED的功能多樣性都能夠與之匹配，滿足照明系統需求，加上良好的可控性，亮度、范圍、顏色、光效等都能夠達到一個最佳狀態，節省能耗的同時，提高了城市的環保[4]。

4.傳統航行燈和LED燈對比分析

4.1 LED燈是否符合船舶航行燈的要求

4.1.1 規范要求

依據《1972年國際海上避碰規則公約》（以下簡稱《規則》）對船舶航行燈要求，必須要保持最小發光強度，以確保在規定的可視距離處能被觀察到。而過度的光芒會影響駕駛人員的瞭望，所以《規則》要求對船舶航行燈的最大發光強度予以限制，但未提出具體的數值，一般以超過規定的能見1n mile距離為宜。

4.1.2 物理條件

①發光強度。號燈的最低發光強度數值要求見表1。

表1 號燈規范

船舶的大小決定著航行燈的發光強度，照亮多少海里[5]。對號燈發光強度的測量，可以在暗室或海上進行。一般在暗室內測定，先用調壓器按額定電壓接通燈具，然后用照度計距離燈具1m遠，并上下移動各若干距離（一般以水平上下方各5°的角度為準），即可測定出發光強度。蘇伊士運河信號燈的發光強度是3×106cd。

號燈的最小發光強度通過公式計算得來［6］：

式中：

I為發光強度：在一個單位的角度內，一個光源發出的光束稱為光強度，簡稱“光”。單位是新國際燭光（Candela）。

F為光通量：一種光源在一秒內向各個方向發出的光能，單位是1m。

ω為立體角：從一個圓的半徑r上切下一個圓錐，這個圓錐的頂部是球的中心，底部是球的表面，這個錐形的內部就是這個空間。

T為臨閾系數:即人們所能感覺的最低照度稱為臨界系數，即低于這個照度人的視覺就看不見了。單位是勒克司（lx），公式中所指的

D為號燈的能見距離即號燈的照明距離,以海里（n mile）計算。

K為大氣透射率：光能在大氣中經過一定的距離傳遞，由于媒質的吸收、散射等原因而損失一部分，其剩余部分的光能與原數值之比即稱作大氣透射率。對于規定的號燈，K值應為0.8，相當于13n mile的氣象能見度。

以LED玉米燈舉例：LED玉米燈是LED燈具的一種，屬于光源類，360°環繞發光，其形狀及燈珠分布如同玉米棒，稱為LED玉米燈。其設計成360°發光，其形狀如同玉米棒，特稱為LED玉米燈。燈體小巧，適合國內船舶上的常用燈頭（E27燈頭，B22燈頭，E14燈頭），安裝簡便；款式新潮，工藝精良，產品系列化。根據數據對比，LED玉米燈的理論數據可以替代白熾燈。使用LED燈可以達到與白熾燈相同的光效。

②功耗要求。航行燈功率規格有65W、75W、60W、40W、25W。而桅燈、左右舷燈、尾燈，都是采用65W的白熾燈。相對于其他功率規格的燈，工作環境更加惡劣，要求的抗震性能更高，所以故障率會較高，在航行中經常更換。因此以65W來對比LED的功率。

更換L E D 燈的前提是要符合1972年國際海上避碰規則公約航行燈發光強度所對應的功率。LED玉米燈發光強度符合要求，LED玉米燈的功率才25W就能與白熾燈的65W發出相同的發光強度。也就是說如果更換成為LED玉米燈的話，一個燈位可以比以前省出40W的功率，這樣一來減少了對航行燈的發電量，減輕了發電機的負荷，有更多的電量去服務其他設備。

4.2 船舶航行燈應用于LED的優勢

4.2.1 環保

LED作為二十一世紀的綠色光源，具有眾多優點，其中節能環保是它所突出的亮點，再加它的發光材料使其成為綠色光源。根據有關資料介紹LED的最高發光效率可以達到370lm/W。在同樣的發光強度條件下，LED耗電量更低。同樣亮度和照明的LED照明的功耗僅為白熾燈的1/10[7]，是普通節能燈耗電量的1/4，把白熾燈換成LED可以在保證了發光強度的同時，還減少發電量，又節省了燃料，起到了很好的環保作用。

4.2.2 智能控制

傳統船舶航行燈的控制線路中，每一盞燈對應著一個電流繼電器，燈泡在工作時繼電器會斷開，當有一路發生故障時，所對應的繼電器會失電，然后開關閉合，蜂鳴器就會報警發出響聲。這樣的報警線路太過單一，而且不善于觀察每一盞燈的使用情況。

若把白熾燈更換為LED燈，則需要把報警線路一同更換。從工藝上來說，LED照明光源是電子產品，是低電壓直流電為工作電流，非常適合電子智能控制。智能控制的主要目標是監控航行燈的使用情況，縮短使用時間，節約能源，從而更好地控制航行燈，保障船舶安全航行。

5.結論與展望

（1）從光照強度的方面，在同等光效下，很明顯LED更有優勢，LED燈有比白熾燈更小的功率，更簡單的結構設置，再加上光線的柔和，且LED燈的使用壽命更加長，還會大幅度地減少維修人員的維修任務，縮小了高空作業的風險，減少安全事故的發生。

（2）在功率方面，LED的可調性，使得功率更低且多樣化，減小了所需功率，對航行燈的發電量就可以減小了，在緊急情況下不會占用太多電量，避免了在全船失電時沒有航行燈的危險。

（3）從環保的角度，LED作為二十一世紀的綠色光源，在這個方面有著得天獨厚的優勢，在節能環保上更是突出，小功率，同光效。

同時LED的缺點也比較明顯，目前在國內沒有統一的生產標準，受到了很多制約因素的影響，尤其是散熱的影響比較大，對電氣技術人員的水平提出了更高的標準。

隨著科技的發展，已經有少部分船舶采用LED作為船舶航行燈去使用，但是大部分依舊沿用白熾燈，而白熾燈的缺點會隨著使用時間的增加更加凸顯出來。綜上所述，LED作為新一代的綠色燈源還有更大的進步空間，相信在不久的將來，LED能夠完全代替白熾燈將作為船舶航行燈出現在大眾的視野。