LEDLED光源特點及其在水泥廠的應用

劉薇薇，李嘉

LEDLED光源特點及其在水泥廠的應用

劉薇薇，李嘉

LED（Light Emitting Diode）光源是一種近年來發(fā)展迅速的新型節(jié)能光源，它的發(fā)光原理與現(xiàn)有的幾種傳統(tǒng)光源完全不同。早期LED光源發(fā)光效率較低，多應用于儀器儀表的指示燈、信號燈等領域。隨著這種新型光源技術(shù)的不斷成熟和提高，國內(nèi)已形成完整的LED光源產(chǎn)業(yè)鏈。LED光源正快速進入工業(yè)照明領域，并逐步替代傳統(tǒng)的照明光源。了解LED光源的特點、性能及適用范圍，對水泥廠照明節(jié)能設計十分重要。

1　LED光源的特點

LED是發(fā)光二極管的簡稱，是一種將電能轉(zhuǎn)變成光能的半導體芯片。芯片由P型半導體和N型半導體組成PN結(jié)，當電流通過PN結(jié)時，電子與空穴復合釋放過剩能量引起光子發(fā)射發(fā)光，發(fā)光顏色由PN結(jié)的半導體材料決定。LED燈具是利用LED的發(fā)光原理作為照明光源制造的新型燈具，一般由光源模塊、電源模塊、散熱模塊、配光模塊等部分組成。

LED光源與傳統(tǒng)光源有較大區(qū)別。白熾燈是利用金屬鎢絲電熱輻射發(fā)光照明；氣體放電燈是由氣體和金屬蒸氣混合放電發(fā)光照明，是通過氣體放電將電能轉(zhuǎn)換為光的照明光源，熒光燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈等都是氣體放電燈；而LED光源是利用半導體發(fā)光二級管的電子發(fā)光照明，具有傳統(tǒng)光源無法比擬的優(yōu)勢：

（1）LED光源光效高。光源發(fā)出的光通量除以光源功率稱為光源的光效，單位為流明每瓦特（lm/W）。常用的熒光燈光效為70lm/W，金屬鹵化物燈光效為80lm/W，鈉燈光效為90～130lm/W，而LED光源的光效實驗室可達到200lm/W，目前商業(yè)化產(chǎn)品的LED燈具光效已經(jīng)超過150lm/W，是目前所有發(fā)光材料中發(fā)光效率最高的。因此LED光源耗電低，比熒光燈節(jié)能50%以上。

（2）壽命長。因為LED光源本身是半導體器件，一般沒有老化和燒斷現(xiàn)象，頻繁開關不會導致?lián)p壞，使用壽命可達5萬小時以上，是熒光燈的10倍，可節(jié)約大量資源。

（3）環(huán)保無污染。LED是由無毒無污染材料制造，不含鉛、汞等有害物質(zhì)，對環(huán)境沒有污染。同時LED可回收再利用，減少廢棄燈具對環(huán)境的污染。

（4）響應速度快。LED光源沒有傳統(tǒng)光源的熱慣性和余輝效應，點亮響應時間為納秒級。

（5）堅固耐用。LED光源被固態(tài)封裝在環(huán)氧樹脂里面，結(jié)構(gòu)中沒有傳統(tǒng)光源的玻璃、燈絲等容易損壞部件,因此耐震動、抗沖擊、方便安裝和運輸。

2　LED燈在水泥廠的應用

（1）工廠室內(nèi)照明

水泥廠室內(nèi)照明主要是水泥廠內(nèi)部高度＜6m的低空間室內(nèi)照明，傳統(tǒng)的水泥廠室內(nèi)照明一般采用節(jié)能熒光燈，配合節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器的T8型直管熒光燈。隨著LED照明技術(shù)的快速發(fā)展，LED光源的高光效和LED照明配光技術(shù)都有了突破性進展，現(xiàn)在的商品化T8型LED直型燈管已經(jīng)是成熟產(chǎn)品，在替代T8直管熒光燈方面得到越來越多的應用。表1以水泥廠中控室的照明設計為例，采用各類熒光燈和LED燈的設計計算對比。

LPD（Lighting Power Density）照明功率密度是照明節(jié)能的重要評價指標，目前國際上很多國家都采用LPD作為節(jié)能評價的指標。我國的建筑照明設計標準規(guī)定了LPD限值，并根據(jù)照明產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展趨勢給出了LPD的目標值。目前國內(nèi)很多省市的地方節(jié)能標準都將國家標準LPD的目標值作為限制值執(zhí)行。LPD是照明設計是否符合節(jié)能要求的分界線，水泥廠中控室的照度要求為500lx，LPD限值為15W/m2，目標值為13.5W/m2。設計的LPD值不超過標準規(guī)定的LPD限值時，屬于照明節(jié)能設計的“合格品”，低于或大大低于規(guī)定的LPD限值時，為“良品”或“優(yōu)品”。所以從節(jié)能角度講，設計時應力求降低LPD值，使照明節(jié)能設計達到“良品”或“優(yōu)品”。從表1數(shù)據(jù)中可以看出，采用LED燈管時，與T8熒光燈燈管相比優(yōu)勢明顯，相同功率時，LED燈管的光通量遠遠高于熒光燈。其LPD計算值為11～13W/m2，不僅達到目標值，且遠優(yōu)于LPD的目標值指標。

（2）高大廠房照明

水泥廠的工業(yè)廠房一般結(jié)構(gòu)高大，燈具懸掛高，照明空間大，燈具數(shù)量較多，傳統(tǒng)設計一般采用高壓鈉燈或金屬鹵化物燈。隨著近幾年LED光源光效和散熱效果的不斷提高，各種以LED光源制作的大功率工廠燈已經(jīng)廣泛應用。表2為以水泥廠生產(chǎn)車間廠房的照明設計為例，采用常用燈與LED燈的照度及LPD數(shù)據(jù)對比。

水泥廠主要車間的照度要求為100lx，LPD限值為4.0W/m2，目標值為3.5W/m2。對于高大廠房的照明設計，室形指數(shù)一般＜1，燈具安裝高度較高，導致利用系數(shù)較低，LPD限值不易達到。雖然規(guī)范規(guī)定當房間或場所的室形指數(shù)值≤1時，其照明功率密度限值可以修正增加，但不能超過限值的20%，余量較小。從表2數(shù)據(jù)可以看出，對于高大廠房設計時采用LED燈具比采用鈉燈和金鹵燈更容易滿足LPD的要求。與傳統(tǒng)的高壓鈉燈和金屬鹵化物燈相比可節(jié)電50%～60%，在照度均勻性、色溫舒適、顯色指數(shù)方面也有很好的優(yōu)勢。使用LED燈具照明不僅可以改善廠房的照明環(huán)境，還可以大大提高能源利用率，大幅度降低能源損耗，減少維護工作量，節(jié)約運行維護成本，為工廠高效安全生產(chǎn)提供保障。LED燈具在工業(yè)廠房中的應用也得到了越來越多企業(yè)的認可。隨著LED照明技術(shù)的迅猛發(fā)展，LED照明在工業(yè)廠房中必將得到廣泛的應用。

（3）工廠道路照明

水泥廠的道路主要以行人和時速＜30km/h的車輛為主，在道路分類中屬于次干路或支路，對照明要求不高。水泥廠的道路照度要求為10lx，LPD限值為0.6W/m2。表3為以水泥廠200m的照明計算為例，采用常用燈與LED燈的照度及LPD數(shù)據(jù)對比。

表1　室內(nèi)照明的熒光燈與LED燈的照度及LPD數(shù)據(jù)對比

表2　高大廠房照明常用燈與LED燈的照度及LPD數(shù)據(jù)對比

從表3數(shù)據(jù)中可以看出，水泥廠道路照明采用LED光源時，照度和LPD值均可滿足規(guī)范要求，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)高壓鈉燈，在節(jié)能上有較好優(yōu)勢。近年來，大功率LED路燈發(fā)展迅速，一些廠家的LED路燈產(chǎn)品配光設計比以前更加合理，散熱設計也更加科學，整體燈具效能在不斷提高。與傳統(tǒng)光源路燈相比，性能優(yōu)良的LED路燈在顯色性、節(jié)能、響應速度以及調(diào)光控制等方面均有著突出優(yōu)勢。以LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照明光源，可以更高效地實現(xiàn)道路照明。另外，LED路燈與太陽能、風能結(jié)合的應用也逐漸受到青睞。采用太陽能和風能電池、蓄電池及光控電路組成LED路燈，可根據(jù)感光智能控制，有效利用間歇的風能和太陽能。白天太陽能和風能電池板接收太陽輻射能和風能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚由蓄電池供電照明，天黑時自動點亮，天亮時自動斷電，可有效實現(xiàn)路燈的智能控制。我們曾在馬來西亞某水泥廠的廠區(qū)道路照明中采用LED路燈，業(yè)主給予了較高的評價。

表3　水泥廠道路照明常用燈與LED燈的照度及LPD數(shù)據(jù)對比

3　注意事項

近年來，LED的發(fā)光效率在逐步提高，商品化燈具已達到較高水平，白色LED發(fā)光效率接近T5熒光燈管的水平，但在普及應用方面仍存在一些技術(shù)性問題。

（1）產(chǎn)品標準和檢測。LED照明產(chǎn)業(yè)處于迅速發(fā)展的階段，潛力巨大。國際電工委員會（IEC）和國際照明委員會（CIE）都非常關注LED的發(fā)展及相關LED器件的標準化工作。目前IEC和CIE已發(fā)布一些LED產(chǎn)品性能方面的國際標準，我國也在積極建立LED標準體系。近年來，我國相關標準化組織開展了大量標準化工作，一批LED照明產(chǎn)品標準相繼發(fā)布，標志著我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始進入標準化時期。但目前產(chǎn)品標準還不完善，一些產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，導致市場無序競爭。LED照明產(chǎn)品的標準涉及電氣安全、電磁兼容、光色要求、壽命要求等多方面。在設計選用和工廠應用時，應仔細查詢產(chǎn)品標準，保證應用的產(chǎn)品符合相關技術(shù)要求。

（2）散熱和眩光問題。LED光源是點發(fā)光光源，發(fā)光時熱量集中于一點，若散熱不好會使LED芯片在正常工作時結(jié)溫過高，加速環(huán)氧樹脂碳化變黃，使LED光源在使用一段時間后的發(fā)光衰減，降低LED燈具的使用壽命。因此LED燈具需要特殊的散熱設計。目前有些LED燈具由于散熱和封裝技術(shù)不成熟，造成光衰嚴重，這類產(chǎn)品在照度、壽命上均達不到產(chǎn)品標準的要求，難以發(fā)揮LED光源的優(yōu)勢。因此在進行LED照明設計選型時，需關注燈具的散熱問題，選擇具有良好散熱性能的產(chǎn)品。另外，由于LED是高亮度點光源，安裝高度較低時，容易產(chǎn)生眩光問題，人眼會產(chǎn)生不舒適感。在進行照明設計時，應根據(jù)不同的使用場合采取相應的預防措施，特別是生活和辦公區(qū)域，應重點關注眩光問題。合理設置燈具的安裝高度和選用合適的反光罩方式，避免LED燈具安裝過低，造成視覺不適感。選用帶防眩光格柵、納米反光涂層或遮光葉的燈具可改善光線分布，使光線更加柔和，減少眩光。

（3）價格較高。LED光源價格較高是影響LED照明普及的主要原因。但近年來隨著技術(shù)的提高和制造工藝的改進，LED光源正向低成本方向發(fā)展，LED燈具價格呈逐年穩(wěn)步下降趨勢，為LED光源的廣泛應用提供了有利條件。

4　結(jié)語

水泥廠中的各類建筑、作業(yè)場所很多，照明要求各異，目前的LED光源產(chǎn)品完全可以覆蓋水泥廠的各種應用領域。水泥廠照明電耗約占全廠總電耗的1%～2.5%，雖然比重不大，但仍有較大的節(jié)電空間。在水泥廠節(jié)能技改的照明設計中廣泛采用LED光源，不僅有利于水泥廠的整體節(jié)電，同時對推廣綠色照明理念和提高節(jié)能意識有重要意義。隨著LED光源技術(shù)的發(fā)展，應用中存在的產(chǎn)品標準、散熱、成本等問題也會逐漸解決。LED光源在水泥廠節(jié)能技改的照明應用將越來越廣泛。

Characteristics of LED Light Source and its Application in Cement Plant

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