大功率LED在廠房照明中的應(yīng)用分析

李江 馬傳豹 何濤 王璐

(中船重工集團(tuán)有限公司連云港杰瑞電子有限公司，連云港 222006)

1 引言

我國(guó)能源形勢(shì)趨向緊張，能源短缺給工礦企業(yè)帶來(lái)巨大的沖擊。工礦企業(yè)走節(jié)能之路是大勢(shì)所趨。企業(yè)有20%以上的節(jié)能潛力，由于缺乏節(jié)能改造資金和節(jié)能咨詢服務(wù)，沉重的能耗費(fèi)用使企業(yè)的成本大大提高，不但使電力供應(yīng)緊張，同時(shí)污染了我們的生存環(huán)境。

大功率LED被稱為第四代照明光源和綠色照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、高效、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)［1］。隨著大功率 LED光效的不斷提高，大功率LED已經(jīng)漸漸進(jìn)入通用照明領(lǐng)域，而且其優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。

2 廠房照明的要求

工礦作業(yè)一般都有場(chǎng)所廣闊和全日作業(yè)的特點(diǎn)，照明系統(tǒng)規(guī)模龐大且運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，必須引入日光作為系統(tǒng)的組成部分，籍以降低能耗、調(diào)節(jié)光色、提高色彩還原能力。

工廠照明設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞主要從以下幾方面衡量［2］:

(2)視野內(nèi)亮度分布是否合理;

(3)光源的光色和顯色性能是否良好;

(4)燈具的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和節(jié)能指標(biāo)是否最優(yōu);

(5)燈具的維護(hù)周期是否夠長(zhǎng)。

以上幾方面，(1)、(2)、(3)主要取決于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、燈具的排布、照明方式、廠房的高度與用途以及被照表面的材料特性等。(4)、(5)受到節(jié)能光源的選擇以及光源驅(qū)動(dòng)電路、散熱設(shè)計(jì)等幾方面的綜合影響。

3 大功率LED廠房燈的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)

3.1 二次光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

大功率LED應(yīng)用于不同種類的廠房照明，要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的照度要求不僅要根據(jù)LED燈具的特性計(jì)算燈具的系統(tǒng)功率而且要通過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì)配置燈具的發(fā)光角度以適應(yīng)不同高度廠房的照明要求(見(jiàn)表1)。在高大的廠房，需要配置窄角度的光源。而低矮的廠房，可以配置寬角度的光源。表1比較形象的描述了不同高度的廠房所需的燈具配光曲線以及燈具排布的最大間隔限度。

3.2 散熱設(shè)計(jì)

高效的散熱系統(tǒng)能夠保證LED廠房燈穩(wěn)定可靠工作。LED照明產(chǎn)品在電能轉(zhuǎn)化為光能的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，如果不能及時(shí)很好的解決散熱問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致管芯溫度過(guò)高，引起LED光衰，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能，因此任何LED產(chǎn)品散熱問(wèn)題是首先應(yīng)該考慮和解決的問(wèn)題。

玉璧置于墓主人右臂部位，估計(jì)墓主人祭天時(shí)是用右手握住玉璧的。琮既可置于墓主人的左肩上方，又可置于墓主人右手部位，可見(jiàn)琮左右手均可，但因?yàn)殍禐橛沂钟?，所以，琮主要還是左手用。

為了解決LED廠房燈的散熱問(wèn)題。首先，要考慮散熱材料的選擇，從理論上講，散熱器的熱傳導(dǎo)系數(shù)越高、熱阻越小，散熱面積越大則散熱效果越好，但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而被廣泛使用，但由于純鋁硬度較小，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金，為此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片的首選。AA6061與AA6063具有不錯(cuò)的熱傳導(dǎo)能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12適合于壓鑄成形，但熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替，可惜加工機(jī)械性能方面不及ADC12。AA1050則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細(xì)薄的鰭片。LED廠房燈殼體多采取擠壓成型的方式，建議采用6063或6061作為殼體材料。

表1 不同角度的LED廠房燈所對(duì)應(yīng)的廠房高度［3］

其次，要考慮散熱片的設(shè)計(jì)和面積的計(jì)算，散熱片加工中被廣為采用空冷散熱器看起來(lái)似乎比較簡(jiǎn)單，但為了達(dá)到最佳散熱性能，選用時(shí)要對(duì)功率損耗、散熱器寬度、長(zhǎng)度和高度、散熱器厚度和間距、及環(huán)境條件等多個(gè)變量進(jìn)行綜合考慮。為達(dá)到最佳實(shí)際效果，在具體應(yīng)用中散熱器應(yīng)根據(jù)不同的工作環(huán)境而作出相應(yīng)的設(shè)計(jì)。LED廠房燈為一體成型，采用的是對(duì)流散熱的方式，通常根據(jù)如下對(duì)流散熱方程來(lái)估算所需散熱面積。

式中Q表示LED芯片的功耗，A為散熱面積，△T表示LED結(jié)溫與環(huán)境溫度之差，h為自然對(duì)流時(shí)散熱器的綜合換熱系數(shù)，h的典型值為5W/(m2·℃)。

根據(jù)計(jì)算我們得出LED散熱所需的散熱面積約40cm2/W的散熱器。這只是理論推導(dǎo)值，實(shí)際燈具設(shè)計(jì)中考慮到廠房燈的應(yīng)用場(chǎng)所較封閉，通常會(huì)乘以1.5的比例系數(shù)，大約為60cm2/W。對(duì)于150W的LED廠房燈具來(lái)說(shuō)所需散熱面積約為9000cm2。

3.3 驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

LED廠房燈在散熱問(wèn)題解決的基礎(chǔ)上，影響燈具使用壽命的主要因數(shù)就是燈具驅(qū)動(dòng)電源的可靠性。一般廠房在大型設(shè)備開(kāi)啟和關(guān)斷的過(guò)程中，會(huì)在電網(wǎng)上產(chǎn)生很大的電壓波動(dòng)以及有害諧波。所以要求LED廠房燈的驅(qū)動(dòng)電源不僅要具有較寬的電壓輸入范圍還要能夠忍受有害諧波對(duì)電源本身的損害。

總之，只有解決了光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)這三方面關(guān)鍵問(wèn)題，才能保證大功率LED應(yīng)用于廠房照明以及燈具的長(zhǎng)壽命。

我們于2009年下半年研發(fā)設(shè)計(jì)了一款150W LED廠房燈。目前該款燈具已經(jīng)在相關(guān)工程項(xiàng)目中大量使用。燈具安裝后照明效果良好。在將近一年的使用過(guò)程中，幾乎沒(méi)有出現(xiàn)損壞和光衰等現(xiàn)象。

4 大功率LED應(yīng)用于廠房照明的可行性分析

工廠包括的范圍很廣，從基礎(chǔ)工業(yè)的巨大廠房到精細(xì)的顯微電子工業(yè)的超凈車間。根據(jù)視覺(jué)功效的研究，對(duì)比敏感度的變化是亮度 (照度)的函數(shù)，在達(dá)到某一對(duì)比敏感度值以前，增加亮度對(duì)于提高對(duì)比敏感度是很有效的［2］。當(dāng)照度由50lx提高到200lx時(shí)，在工傷事故次數(shù)、差錯(cuò)件數(shù)和由于疲勞而缺勤的次數(shù)會(huì)明顯降低。一般的照明規(guī)范由于要求的視覺(jué)功效水平不同，所以在實(shí)際使用中，關(guān)于工業(yè)生產(chǎn)所需的照度差別較大。我國(guó)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定了各類生產(chǎn)車間工作面(0.75m水平面)上的平均照度值。

4.1 LED應(yīng)用于廠房照明的照度水平

無(wú)論是采用傳統(tǒng)光源還是LED，照度值都是最主要的指標(biāo)。目前，我國(guó)廠房的高度以及所采用的傳統(tǒng)燈具如表2所示。

2010年重慶齒輪有限責(zé)任公司C區(qū)聯(lián)合廠房照明中的燈具項(xiàng)目就選用了150W的LED廠房燈來(lái)替換原設(shè)計(jì)中400W的金鹵燈。該廠房為風(fēng)電裝配車間 (見(jiàn)圖1)，主要用來(lái)組裝大型風(fēng)電設(shè)備。該廠房總面積為5萬(wàn)平方米，高度為18米。燈具懸掛高度為15米，燈具安裝方式為6×6m等間距安裝。根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定，該廠房屬于大型機(jī)電、儀表裝配車間，車間的工作面平均照度值為200lx，可另加局部照明。

我們根據(jù)該廠房的特點(diǎn)并結(jié)合表1中對(duì)應(yīng)15m高度的廠房燈的配光和排布進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。燈具系統(tǒng)功率為150W，燈具的配光角為特狹照型，燈具以6×6m的等間距排布方式安裝在15m的高度。該排布方式滿足了表1中規(guī)定的燈具間隔最大限度為0.5h的基本要求。我們通過(guò)光學(xué)工程軟件對(duì)該方案進(jìn)行了模擬 (見(jiàn)圖2)。軟件模擬的結(jié)果平均照度值達(dá)到了220lx(見(jiàn)圖3、4)，超過(guò)了一般照明200lx的要求。

圖1 重齒廠房LED照明效果

表2 國(guó)內(nèi)廠房高度與所采用的傳統(tǒng)燈具

該項(xiàng)目于2010年二季度完成了燈具的安裝和調(diào)試工作。工程人員在燈具全部點(diǎn)亮的夜間環(huán)境下對(duì)工作面的照度值進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，平均照度值＞200lx，均勻度 ＞0.7(見(jiàn)圖5)。

該工程案例的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了大功率LED廠房燈完全可以滿足廠房一般照明的需要。該款LED廠房燈選用了德國(guó)OSRAM公司的大功率LED光源。發(fā)光效能＞100lm/W，而目前白光LED的光效早已達(dá)到了130lm/W，所以我們相信未來(lái)LED廠房燈的光效會(huì)有更大的提升空間。

圖2 燈具的排布圖和配光曲線圖

圖3 燈具的模擬等照度分布圖

4.2 LED廠房燈的發(fā)展方向

目前LED廠房燈的發(fā)展方向主要還是陣列排布式 (見(jiàn)圖6)與集成式 (見(jiàn)圖7)。陣列排布式的優(yōu)點(diǎn)是:散熱好、光效高、壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是:體積和重量較大、與傳統(tǒng)廠房的安裝方式不同。集成式LED廠房燈的優(yōu)點(diǎn)是:符合傳統(tǒng)廠房燈的外觀、重量輕、體積小。缺點(diǎn)是:散熱差、壽命短、光效低。所以，集成式LED廠房燈再如果不能很好地解決散熱問(wèn)題，光效不能進(jìn)一步提高，那么未來(lái)LED廠房燈的發(fā)展方向還主要是陣列的形式。但陣列形式的LED廠房燈也要積極尋找輕質(zhì)的散熱材料來(lái)作為殼體解決其體積和重量偏大的突出問(wèn)題。

圖4 燈具的模擬單點(diǎn)測(cè)試圖

圖5 燈具安裝后實(shí)際效果圖和局部現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

4.3 LED應(yīng)用于廠房照明的經(jīng)濟(jì)性

圖6 陣列式LED廠房燈

圖7 集成式LED廠房燈

節(jié)能省電是LED應(yīng)用于照明領(lǐng)域的最大優(yōu)勢(shì)，但LED燈具還是成本較高。省電不省錢(qián)成為了LED燈發(fā)展的最大障礙。但LED應(yīng)用于廠房照明卻有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)重慶齒輪有限責(zé)任公司C區(qū)聯(lián)合廠房中LED廠房燈的使用情況，我們對(duì)150W LED廠房燈與傳統(tǒng)400W金鹵燈進(jìn)行粗略的對(duì)比，對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

可見(jiàn)LED應(yīng)用于廠房照明尤其是用于新建廠房，3年就可以收回?zé)艟叩某跗谕度?。而LED的正常使用壽命大于 ＞50000h。按每天工作10小時(shí)，LED廠房燈至少可以工作10年。而且還可以免去經(jīng)常更換燈具所投入的人工費(fèi)。

表4 LED與金鹵燈對(duì)比

從以上論述可以看出，用LED替代傳統(tǒng)光源應(yīng)用于廠房照明是具有優(yōu)勢(shì)并可行的。

5 結(jié)束語(yǔ)

在節(jié)能與環(huán)保被世人日漸重視的大背景下，半導(dǎo)體通用照明技術(shù)條件已日趨成熟，半導(dǎo)體比較通用廠房燈在多項(xiàng)因素上也更具優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在LED光效越來(lái)越高，而且成本也在不斷降低。LED廠房燈在解決滿足廠房照明亮度需求和可靠性的基礎(chǔ)上，將會(huì)成為未來(lái)廠房燈的首選光源。

用LED進(jìn)行廠房照明是一個(gè)新的領(lǐng)域，從技術(shù)上分析不存在大的瓶頸。而且從成功工程案例也可以看出，LED應(yīng)用于廠房照明的成果和效果是明顯和喜人的。但目前還沒(méi)有專門(mén)針對(duì)LED廠房燈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，所以日后對(duì)LED廠房燈功能性照明標(biāo)準(zhǔn)的制定我們要繼續(xù)進(jìn)行的探討和研究。

［1］林怡，郝洛西．半導(dǎo)體光源照明在辦公室空間中的應(yīng)用分析 ［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2010，21(1):58～59

［2］俞麗華．電氣照明．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2009.02，p192～195

［3］照明手冊(cè) (日)．北京:科學(xué)出版社，2005.01，p322

［4］趙振民．實(shí)用照明工程設(shè)計(jì)．天津:天津大學(xué)出版社，2003.02，p126