發(fā)電廠設(shè)計(jì)采用LED照明的探討

陳海華

（福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福州 350003）

節(jié)能是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，發(fā)電廠要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，減少?gòu)S用電率是有效的方法之一。據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)分析，照明負(fù)荷占廠用電總負(fù)荷的1%～2%，一個(gè)大型發(fā)電廠年照明用電量可達(dá)千萬(wàn)kWh，存在較大的節(jié)能空間，可以采用目前節(jié)能性較好的LED照明，達(dá)到節(jié)約照明用電的目的。

1 LED的特點(diǎn)

1.1 LED的優(yōu)點(diǎn)

LED即發(fā)光二極管，是一種直接把電能轉(zhuǎn)化為光的固態(tài)半導(dǎo)體器件，是現(xiàn)階段發(fā)展最快的新型固體光源。相對(duì)于傳統(tǒng)光源，LED主要有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)。

（1）理論發(fā)光效率高，節(jié)能效果好。LED光源可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光能，且其光譜中沒(méi)有紫外線和紅外線，大部分為可見(jiàn)光，理論發(fā)光效率優(yōu)于傳統(tǒng)燈具，發(fā)光效能已超過(guò)200 lm/W。

（2）光線能量集中，指向性好，亮度衰減小。LED為單向輻射，封裝時(shí)裝上不同折射角的透鏡，可以實(shí)現(xiàn)定向照明，燈具利用系數(shù)可達(dá)0.8～0.9。

（3）光源本身發(fā)熱量小。由于LED光譜中不含紅外線，溫升較小，可以安全觸摸。

（4）允許輸入電壓的范圍寬，可在安全電壓下工作。LED一般通過(guò)直流點(diǎn)亮，單個(gè)大功率LED工作電壓僅為3.2 V，選擇輸入電壓時(shí)比較靈活。

（5）結(jié)構(gòu)性能好。LED體積小且為環(huán)氧樹(shù)脂包裹結(jié)構(gòu)，燈管內(nèi)無(wú)須抽真空及注入惰性氣體，有良好的抗振性及抗沖擊性，不易破碎。

（6）顯色性較好，無(wú)頻閃，啟動(dòng)時(shí)間短。白色LED光源顯色指數(shù)可以達(dá)到75～80，響應(yīng)時(shí)間非?？欤讦蘳級(jí)別。

（7）照明組合方式靈活，可控性好。LED是電流型控制器件，其光電轉(zhuǎn)化時(shí)間很短，在額定參數(shù)范圍內(nèi)，只要控制不同的電流，就可以瞬間得到不同的亮度。

（8）LED光源壽命長(zhǎng)，綠色環(huán)保性好。半導(dǎo)體器件PN結(jié)的理論壽命可達(dá)到106h，且LED為全固態(tài)發(fā)光體，不含汞等有害元素，廢棄物可回收，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，屬于典型的綠色照明光源。

1.2 現(xiàn)階段LED的不足

隨著LED性能的不斷提高，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，但現(xiàn)階段來(lái)看，也存在著一些不足，主要有以下幾點(diǎn)。

（1）實(shí)際產(chǎn)品發(fā)光效率與理論值有較大的差距。目前實(shí)際產(chǎn)品的發(fā)光效率普遍在100 lm/W以下，且功率越小效率越低。

（2）眩光問(wèn)題比較明顯。由于LED出光為伯朗型分布，大多情況下直接使用難以滿足照明要求，且其定向輸出特征更容易產(chǎn)生眩光，目前二次配光設(shè)計(jì)正在逐步完善中。

（3）光電綜合轉(zhuǎn)換能力有待提高，散熱問(wèn)題比較突出。LED芯片工作時(shí)所加的電能僅30%左右會(huì)被轉(zhuǎn)換成光能，其余會(huì)被轉(zhuǎn)換成熱能以傳導(dǎo)的方式散發(fā)出去，散熱不良會(huì)導(dǎo)致LED光輸出能力降低，芯片加快老化，縮短器件壽命。

（4）LED的穿透能力較弱，色溫仍在較高區(qū)間。根據(jù)瑞利散射和米德拜散射的使用范圍，小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的顆粒散射與波長(zhǎng)有關(guān)，而白光的波長(zhǎng)比黃光短，因此LED的穿透能力不如高壓鈉燈。

（5）驅(qū)動(dòng)裝置等附屬件的壽命影響了LED的整體使用壽命。恒流性驅(qū)動(dòng)裝置具有防浪涌、防沖擊和防過(guò)熱等多項(xiàng)保護(hù)功能，增加了電路的元器件數(shù)量,從而降低了可靠性，減少了使用壽命。

（6）抗雷電及強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾能力不足。由于雷電形成的廣譜無(wú)線電波所產(chǎn)生的共模干擾，對(duì)地可以達(dá)到上千伏，很容易擊穿驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)的接地電容或較小的對(duì)地間隙，從而造成驅(qū)動(dòng)電路的損壞。

（7）價(jià)格過(guò)高，性?xún)r(jià)比須詳細(xì)論證。成本高是LED推廣應(yīng)用不可回避的問(wèn)題,一次性投入較大是影響LED照明普及的重要原因。

（8）缺乏有效的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)間離散性大。2009年12月我國(guó)發(fā)布了LED系列標(biāo)準(zhǔn)，但目前各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品性能離散性大，產(chǎn)品升級(jí)換代速度很快，兼容性不好。

2 在發(fā)電廠照明設(shè)計(jì)中采用LED的可行性分析

2.1 發(fā)電廠環(huán)境對(duì)照明的要求

發(fā)電廠的工作環(huán)境復(fù)雜多樣，典型特征有潮濕、多塵、高溫、振動(dòng)和擺動(dòng)較大等，根據(jù)工作場(chǎng)所的不同照明要求，照明方式分為混合照明、一般照明和局部照明3種。根據(jù)工作場(chǎng)所的照明不同性質(zhì)，分為正常照明、應(yīng)急照明、警衛(wèi)照明和障礙照明等。照明器具應(yīng)根據(jù)工作場(chǎng)所的環(huán)境條件，選擇防潮、防塵、防腐蝕、防爆或加裝防護(hù)措施等類(lèi)型的燈具。

近年來(lái)，LED已應(yīng)用于一些大型工程，如北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博園等。但在工業(yè)照明領(lǐng)域中，尚沒(méi)有大面積使用的報(bào)告，在發(fā)電廠照明中采用LED更是一個(gè)新興的課題，因此需要展開(kāi)可行性分析。

2.2 對(duì)發(fā)電廠運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性

（1）防水性。LED采用環(huán)氧樹(shù)脂包裹結(jié)構(gòu)，屬于固態(tài)照明光源，防水性能良好，且由于發(fā)熱小，燈具整體在進(jìn)行防水設(shè)計(jì)時(shí)不會(huì)受到發(fā)熱的限制，比較容易實(shí)現(xiàn)較高的防護(hù)等級(jí)。

（2）防塵性。盡管LED密封性能好，但在多塵環(huán)境中長(zhǎng)期使用后，散熱裝置由于積灰使散熱能力將大打折扣，從而使LED的光效大幅下降，使用壽命減少。

（3）耐高溫性。LED芯片的壽命及光輸出百分比隨著PN結(jié)溫的升高而減少，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生光譜移動(dòng)、色溫升高、熱應(yīng)力增高、熒光粉環(huán)氧樹(shù)脂加速老化等危害。而處于高溫的環(huán)境下，PN結(jié)的熱量無(wú)法順暢排出，耐高溫性低下。

（4）防腐蝕性。燈具的防腐蝕性結(jié)構(gòu)會(huì)降低燈具散熱裝置的散熱作用，需要兼顧材料的散熱性和防腐性。目前尚未有實(shí)際工程的應(yīng)用，也沒(méi)有看到相關(guān)的分析研究，因此LED應(yīng)用在腐蝕性場(chǎng)和宜謹(jǐn)慎。

（5）抗振動(dòng)性。LED屬于固體照明光源，采用的是環(huán)氧樹(shù)脂包裹結(jié)構(gòu)，其抗振動(dòng)性?xún)?yōu)良。

（6）防爆性。由于LED的發(fā)熱量低，工作溫度大大低于傳統(tǒng)光源，屬于可觸摸型，對(duì)爆炸性環(huán)境的影響較小。此外，LED本身為固體密封結(jié)構(gòu)，也不宜受到爆炸性環(huán)境的影響。

（7）安全性。LED不添加危害健康的元素，且本身屬于固體結(jié)構(gòu)，既使燈具脫落甚至破碎，對(duì)人身和環(huán)境造成的影響也都較小，故其安全性能優(yōu)良。

（8）耐高場(chǎng)強(qiáng)性。LED屬于電子發(fā)光元件，在高場(chǎng)強(qiáng)環(huán)境中不但工作性能會(huì)打折扣，而且使用壽命也會(huì)大大減少，因此，需要做好燈具的屏蔽措施。由于尚未對(duì)該方面展開(kāi)相關(guān)的設(shè)計(jì)研究，考慮其耐高場(chǎng)強(qiáng)性能較差。

綜合以上的分析，發(fā)電廠典型運(yùn)行環(huán)境中LED的適應(yīng)性如表1所示。

表1 LED的適應(yīng)性

3 LED應(yīng)用于發(fā)電廠照明的技術(shù)性能分析

3.1 對(duì)發(fā)電廠照明控制方式的適應(yīng)性

發(fā)電廠照明控制方式，根據(jù)不同場(chǎng)合有：調(diào)光控制、頻繁開(kāi)關(guān)、常明不滅及偶爾開(kāi)關(guān)4大類(lèi)。傳統(tǒng)燈具中：鈉燈和汞燈的點(diǎn)亮?xí)r間長(zhǎng)，調(diào)光幅度??；熒光燈調(diào)光光效低，對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成高次諧波干擾；白熾燈由于能耗太大，已經(jīng)漸漸退出實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。相比之下，LED對(duì)發(fā)電廠照明控制方式的適應(yīng)性很強(qiáng)，特別是在事故照明的切換中，可以克服傳統(tǒng)光源的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不間斷切換。

3.2 照明性能的適應(yīng)性

由于發(fā)電廠照明環(huán)境復(fù)雜，不同的工作環(huán)境，對(duì)照度、色溫、眩光、顯色性、方向性和穿透性有著不同的要求，LED與傳統(tǒng)光源的照明性能對(duì)比見(jiàn)表2。

（1）LED的光效與熒光燈相比并不高，甚至還低于高壓鈉燈，因此在需要高照度的區(qū)域，沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（2）LED的色溫較高，可以讓人感覺(jué)清醒，但長(zhǎng)時(shí)間也容易引起視覺(jué)疲勞，因此比較適合用于廠房等運(yùn)行人員不會(huì)長(zhǎng)期停留的區(qū)域。

（3）由于LED的眩光性較強(qiáng)，當(dāng)使用于控制間時(shí)就要特別注意燈具的二次配光，以及照明燈具的布置。

（4）發(fā)電廠各生產(chǎn)車(chē)間和工作場(chǎng)所的顯色指數(shù)要求一般小于80，LED適用。

（5）在局部照明場(chǎng)合，LED的高指向性就比較有優(yōu)勢(shì)，即可以提高能源的利用率，也可以避免光污染。

（6）由于LED的穿透能力較弱，在多粉塵車(chē)間或室外等場(chǎng)合，其性能不如高壓鈉燈。

綜上所述，就目前LED的發(fā)展階段來(lái)看，相對(duì)于傳統(tǒng)光源，在照明性能方面并沒(méi)有很明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 LED應(yīng)用于發(fā)電廠照明的經(jīng)濟(jì)性分析

相對(duì)于白熾燈的1 000～2 000 h，熒光燈的8 000～15 000 h，高壓鈉燈的 20 000～28 000 h 的使用壽命，即使考慮到目前LED的驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)并不成熟，其壽命也可達(dá)50 000 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光源，這為L(zhǎng)ED應(yīng)用的良好經(jīng)濟(jì)性打下了基礎(chǔ)。

為對(duì)比LED的經(jīng)濟(jì)性，本文從全壽命成本周期的角度合理取費(fèi)，并計(jì)及資金的折算因素進(jìn)行分析。以某工程的主控室方案為例，該主控室面積為120 m2，照度要求值為300 lx，工程使用壽命為30年。為方便分析，照明燈具按每年使用5 000 h，電費(fèi)按0.7元/kWh，折現(xiàn)率按8%計(jì)算，工程采用熒光燈和LED燈2個(gè)方案進(jìn)行分析對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 LED與傳統(tǒng)光源的照明性能對(duì)比

表3 2個(gè)照明方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

考慮到照明技術(shù)發(fā)展迅速，在工程壽命周期內(nèi)，燈具性能和費(fèi)用都可能發(fā)生變化，因此采用更合理的費(fèi)用凈年值進(jìn)行分析，熒光燈方案和LED方案的費(fèi)用凈年值分別為1.424萬(wàn)元以及1.309萬(wàn)元，LED方案比熒光燈方案少0.116萬(wàn)元。

從以上分析可知，雖然LED的一次投資遠(yuǎn)高于熒光燈，但從全壽命周期成本的角度出發(fā)，LED要更優(yōu)一些。隨著LED的技術(shù)日漸成熟，LED的成本會(huì)進(jìn)一步下降，發(fā)光效率及壽命能進(jìn)一步提高，經(jīng)濟(jì)性將更加明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

LED是新興的綠色照明光源，具有著節(jié)能、環(huán)保、利用率高、光污染少及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)電廠的生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多樣，對(duì)照明的要求相對(duì)也較高，加上目前LED過(guò)高的售價(jià)，在經(jīng)濟(jì)上沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，LED暫時(shí)還無(wú)法全面滿足發(fā)電廠照明的要求。然而，LED的發(fā)展前景樂(lè)觀，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)會(huì)成為工程照明的主流產(chǎn)品，現(xiàn)階段發(fā)電廠中也很有必要在一定范圍內(nèi)應(yīng)用，積累相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，并將所遇到的問(wèn)題反饋給燈具制造商，促使LED產(chǎn)品的不斷進(jìn)步，為將來(lái)全面應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

[1]于君，王洋.智能LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程探討[J].電氣應(yīng)用，2011，30（6）：36-39.

[2]楊超，王志偉.LED在隧道照明工程中的應(yīng)用研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011，22（2）：64-68.

[3]文尚勝.LED燈具的光品質(zhì)分析[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011，22（5）：107-110.

[4]張東亮，章怡圣，王祥偉，等.淺談白光LED在未來(lái)海洋平臺(tái)照明中的應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011，22（5）：115-119.

[5]周驊.基于恒流二極管的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2011，35（9）：1157-1159.

[6]裴繼剛.LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程，2009，30（7）：177-181.

[7]郭起宏，高京泉，賀孝田.LED道路照明若干技術(shù)瓶頸問(wèn)題探討[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010，21（2）：64-68.

[8]王洪，張小凡，杜乃鋒，等.面向大功率LED集成光源的反射器設(shè)計(jì)方法[J].紅外與激光工程，2011，40（7）：1282-1286.

[9]付賢政，胡良兵.LED燈的散熱問(wèn)題研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011，22（3）：73-77.

[10]駱揚(yáng)，何志毅，朱艷菊.LED的效率2電流特性自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研制[J].光學(xué)技術(shù)，2011，37（3）：336-340.