LED節(jié)能型光源及其在海洋石油工程中的應(yīng)用展望

張永飛，趙紅濤，曹 寧

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

LED節(jié)能型光源及其在海洋石油工程中的應(yīng)用展望

張永飛，趙紅濤，曹 寧

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

本文主要介紹了LED光源的發(fā)光原理、分類，詳細(xì)闡述了衡量照明質(zhì)量的主要參數(shù)。通過結(jié)合海洋工程的特點(diǎn)和LED燈具在海洋工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討LED光源以其節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)對(duì)海洋工程領(lǐng)域所帶來的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

LED節(jié)能光源；海洋工程；應(yīng)用前景

海洋工程遠(yuǎn)離陸地，照明設(shè)施的維護(hù)和維修費(fèi)用較高，且一般為獨(dú)立的能源系統(tǒng)，能源供給成本大大高于陸地。因此，如何實(shí)現(xiàn)海洋工程照明設(shè)施的長(zhǎng)壽命、高效率是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、降本增效的主要問題。

LED是新一代節(jié)能環(huán)保光源，是繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體燈第四代光源，也是全世界重點(diǎn)扶持的第四代綠色光源。它最大的優(yōu)勢(shì)：節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命，經(jīng)濟(jì)型、科技含量高。同時(shí)，用途廣泛，從一個(gè)電光源到幾個(gè)平方的發(fā)光器件，它都能夠完成。目前在海洋工程中已經(jīng)有所應(yīng)用，在國內(nèi)最大的組塊荔灣3-1項(xiàng)目生活樓內(nèi)采用LED燈具替代傳統(tǒng)熒光燈，國外項(xiàng)目有使用LED燈具作為泛光燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)高壓鈉燈。隨著LED光源的技術(shù)發(fā)展，LED光源的燈具勢(shì)必將大量應(yīng)用于海洋石油工程。

1 LED光源介紹

1.1 發(fā)光原理及分類

LED(Light Emitting Diode)，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以通過半導(dǎo)體PN結(jié)把電能轉(zhuǎn)化成光能。

按發(fā)光管發(fā)光顏色可分成紅色、橙色、綠色、藍(lán)色等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二中或者三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二級(jí)管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二級(jí)管還可以分為有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。除此之外，還可以按發(fā)光管出光面特征、發(fā)光強(qiáng)度角分布圖和亮度大小等參數(shù)來劃分。

1.2 白光LED原理介紹

光學(xué)效應(yīng)是以光學(xué)三基色原理來說明，當(dāng)白光通過棱鏡后被折射出多種顏色的過渡色譜，在可見光400～800μm范圍內(nèi)，顏色可分成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的可見光譜。而人的眼睛就像一個(gè)三色接收器，對(duì)紅(620μm)、綠(555μm)、藍(lán)(470μm)三種顏色特別敏感，而其他顏色可以通過紅、綠、藍(lán)三色按照不同的比例調(diào)配而成，同樣絕大多數(shù)單色光也可以分解成紅綠藍(lán)三種原色。

由三基色原理可知，紅、綠、藍(lán)三種原色是相互獨(dú)立的，任何一種原色都不能由其他顏色合成，而三基色則可按照不同的比例相加合成混色稱為相加混色。目前LED封裝白光也是利用此原理，產(chǎn)生方法為：

(1)3 chips 型: 紅+藍(lán)+綠(Red Chip + Green Chip+Blue Chip)；

(2)2 chips 型:藍(lán)+黃(Blue Chip+ Yellow Chip)；

(3)1 chip 型 :藍(lán)+黃熒光粉(Blue Chip+ Yellow熒光粉)、紫外+三原色熒光粉(UV Chip +RGB熒光粉)(類似于熒光燈白光原理)。

經(jīng)由上述原理可了解，白光LED也可借由此方式混合出來，目前都是利用此三種合成方法來制造白光LED，然后通過封裝和控制芯片來制造LED光源和燈具。

1.3 LED光源的特性

1.3.1 衡量照明質(zhì)量的幾個(gè)主要參數(shù)

1)照度：illuminance 表面上一點(diǎn)的照度等于人射到包含該點(diǎn)的面元上的光通量與面元的面積之商。照度的符號(hào)以E表示，單位為勒克斯(lux)。

2)照度均勻度: Uniformity Ratio of illuminance 表示給定平面上照度變化的量。通常用最小照度與平均照度之比表示；有時(shí)指最小照度與最大照度之比。

3)顯色性：Color Rendering 與參考標(biāo)準(zhǔn)光源相比較時(shí)，光源顯現(xiàn)物體顏色的特性。用顯色指數(shù)來衡量。

4)一般顯色指數(shù)：General Color Rendering Index 光源對(duì)CIE規(guī)定的8種色樣的特殊顯色指數(shù)的平均值。CIE(CIE：國際發(fā)光照明委員會(huì))用一般顯色指數(shù)Ra作為表示光源顯色性能的指標(biāo)，國標(biāo)中規(guī)定的建筑場(chǎng)所顯色指數(shù)Ra大于80滿足要求。

5)色溫：Color Temperature 當(dāng)某一種光源的色品與某一溫度下的完全輻射體(黑體)的色品相同時(shí)，完全輻射體的溫度即為這種光源的色溫，以符號(hào)Tc表示，單位為K。

6)光效：Luminous Efficacy 光源所發(fā)出的總光通量(流明、亮度)與該光源所消耗的電功率(瓦)的比值，稱為該光源的光效。單位為流明/瓦(lm/W)。

1.3.2 LED燈具特性

相對(duì)于傳統(tǒng)光源的燈具而言，LED光源制造的燈具有許多特性：

1)節(jié)能。由LED光源制造的燈具，由于光效高，所以在同等輸入功率下照度高，且沒有鎮(zhèn)流器的附加損耗。在同等照度下將來耗能會(huì)低于目前光效最高的鈉燈，更比傳統(tǒng)的普通熒光燈燈具節(jié)電60%～80%。

2)顯色性好。LED照明系統(tǒng)顯色指數(shù)在80以上，不會(huì)象一般照明燈容易出現(xiàn)“夜不觀色”的現(xiàn)象，也就是說在一般燈光下看花草、樹木、衣物等都不是本色調(diào)，顏色失真較大；而LED燈對(duì)環(huán)境顏色顯示比較接近真實(shí)色彩，各種東西的顏色與白天陽光下的顏色基本一致。相比較一般高壓鈉燈20～30的顯色指數(shù)，顯色性優(yōu)異。

3)色溫高。目前通過技術(shù)改進(jìn)，色溫范圍已經(jīng)可以滿足各種照明需求。

4)壽命長(zhǎng)。目前熒光燈一般壽命為8000h，而LED光源壽命超過50000 h。

5)免維護(hù),頻繁開關(guān)不會(huì)導(dǎo)致任何損壞。

6)安全且有穩(wěn)定的質(zhì)量，可以經(jīng)受4kV高電壓，散熱量低，可以工作在低溫-30℃，高溫55℃。

7)無環(huán)境污染。沒有紫外線和紅外線，沒有有害材料，如汞，保護(hù)眼睛，也沒有噪聲。

2 LED燈具在海洋工程中的應(yīng)用

2.1 海洋工程對(duì)照明的設(shè)計(jì)要求

海洋工程照明設(shè)計(jì)一般分為工作場(chǎng)所照明設(shè)計(jì)和生活場(chǎng)所照明設(shè)計(jì)。工作場(chǎng)所分為室內(nèi)、室外。室內(nèi)一般為配電間、控制間、工作間、發(fā)電機(jī)房等，部分房間無舾裝板(例如變壓器間)時(shí)需要考慮增加燈具的防護(hù)等級(jí)(IP等級(jí))，設(shè)計(jì)類似于陸地建筑內(nèi)照明，但由于盤柜或者設(shè)備外形不同，需要考慮燈具布置。室外由于存在危險(xiǎn)場(chǎng)所①，所選燈具必須符合相應(yīng)的防爆要求，適用于不同的危險(xiǎn)場(chǎng)所(0區(qū)、I區(qū)、II區(qū))。具體布置根據(jù)層高結(jié)合具體設(shè)備布置及應(yīng)急要求進(jìn)行布置。生活場(chǎng)所指為操作人員提供住宿及生活支持的部分。根據(jù)不同的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 LED光源的燈具在海洋工程的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于LED光源的優(yōu)良特性，在海洋工程中已經(jīng)開始使用。在以往的項(xiàng)目中，LED光源僅作為逃生燈光源使用。

目前在建的國內(nèi)國外項(xiàng)目中，已有使用LED光源的燈具代替熒光燈在作為生活區(qū)照明使用和LED作為光源的泛光燈?？紤]到光衰減及散熱等問題，目前還沒有大量使用LED燈具代替熒光燈具。

2.3 LED燈具應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

2.3.1 節(jié)能

LED燈具比傳統(tǒng)的普通熒光燈燈具節(jié)電60%～80%。一般萬噸級(jí)的海洋平臺(tái)燈具使用量約為熒光燈700盞、金屬鹵化物燈80盞、泛光燈投光燈35盞，若全部采用LED燈具，照明功率將降低約40kW。目前量產(chǎn)的LED燈具光效已經(jīng)達(dá)到100lm/W，高于目前使用的熒光燈具80～90lm/W，將來量產(chǎn)的LED燈具光效會(huì)達(dá)到150lm/W以上。將可以減少燈具使用量。

2.3.2 環(huán)保

LED燈具光源采用發(fā)光二極管封裝，不含汞、鉛等重金屬，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生紅外線和紫外線，對(duì)環(huán)境無任何污染。目前大量使用的熒光節(jié)能燈是汞蒸氣受激發(fā)而發(fā)光，所以每支節(jié)能燈都含汞。一支節(jié)能燈的汞含量也約為3～5 mg。按歐洲最新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，一旦破碎，僅3 mg就會(huì)污染約1000 t水、300 m3的空氣。相比較目前應(yīng)用廣泛的熒光節(jié)能燈，LED在制造和報(bào)廢后無污染的特性顯得尤為可貴。

2.3.3 使用壽命長(zhǎng)

相比較目前使用的熒光燈具8000 h的壽命，LED燈具使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)50000 h以上。且在使用過程中很少產(chǎn)生故障，可節(jié)省大量的維護(hù)維修成本。

3 結(jié) 語

隨著LED技術(shù)的進(jìn)一步成熟，LED將會(huì)在照明領(lǐng)域取得更多更好的發(fā)展，逐漸降低生產(chǎn)成本，走進(jìn)千家萬戶。不久將來的海洋工程照明LED燈具將取代傳統(tǒng)的熒光燈、鈉燈、金屬鹵化物燈等。LED燈具將改變每個(gè)人的生活，成為照明產(chǎn)業(yè)的一次偉大變革。

[1] 建設(shè)部.GB 50034-2004 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2] 北京照明學(xué)會(huì)照明設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì).照明設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京:中國電力出版社，2006.

[3] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB3836.14-2000 爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備 第14部分-危險(xiǎn)場(chǎng)所分類[S].北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

(本文文獻(xiàn)格式：張永飛，趙紅濤，曹 寧.LED節(jié)能型光源及其在海洋石油工程中的應(yīng)用展望[J].山東化工,2017,46(3):63,100.)

2016-12-19

張永飛(1982—)，男，大學(xué)本科，工程師，主要從事海洋石油平臺(tái)電氣儀表設(shè)計(jì)工作。

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1008-021X(2017)03-0063-01