浅谈白光LED在未来海洋平台照明中的应用[1]

　　1 引言

　　LED ( Light Emitting Diode) 即发光二极管，它的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片(PN结),当对PN 结加正向电压时，半导体中的载流子发生复合，释放出过剩的能量引起光子发射而产生可见光，把电能直接转化为光能。上世纪60 年代，基于半导体这种发光原理，研制出了世界上第一个红光LED。近十多年来，随着半导体制造工艺的不断进步和各种新材料的开发和应用，各种颜色高亮度LED 取得了突破性进展，其发光效率也有了大幅提高，其中白光LED ( 1996 年日本日亚公司成功研发) 的诞生，是LED 发展史上一个重大的里程碑。由于白光LED 光线接近日光，能较好的反映物体的真实颜色，从而其作为一种全新的照明光源成为可能。

　　与传统的照明光源相比，白光LED具有光效高( 90%的电能转化为可见光) 、发热量低( 没有热辐射) 、寿命长( 平均使用寿命为5 万～ 10 万小时) 、绿色环保( 灯具中不含汞、钠等有害金属元素，容易回收) 等特点。LED 作为一种固态光源，无灯头和灯座连接机构， 发光二极管牢靠固定在灯板上，耐振、耐冲击、不易破碎。单体驱动电压低，电流小，启动时间短，无频闪现象，不存在启动延时问题，其在照明市场的发展值得期待。

　　目前，大功率白光LED 在实验室光效已突破100 lm /W，并已逐步应用到商业领域。随着市场的需求和人类对于LED 照明能够早日推广到通用照明领域的渴望，促使大功率白光LED 技术迅速发展，不久的将来，LED 光效将会达到或突破200 lm /W，超过目前光效最高的气体放电光源。在全球性能源危机日渐加剧，环境压力越来越大的情况下，LED作为新一代的绿色照明光源所独有的节能、环保、安全、长寿等优点， 开辟了照明领域节能环保新途径。

　　2 海洋平台照明系统分析

　　照明光源的选择要考虑到光源的光效、显色性、寿命、启动及再启动时间等特性指标，以及周围环境对光源要求等。近年来，气体放电光源( 钠灯、荧光灯、金属卤化物灯等) 因其光效高、耗电少、寿命长、不锈蚀等优点，已经取代传统白炽灯等照明光源，已经被广泛应用于城市道路、高速公路、机场、广场、工矿业等场所照明。

　　海洋平台是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地。由于海洋平台空间狭小，各种生产设备布置的空间极为紧凑，生产和作业人员集中，在照明光源的选用上应以安全、高效、经济为原则。

　　1) 安全，海洋平台在油气开采和油气处理过程中，会产生大量易燃、易爆气体，特别是在人员和设备如此集中的场所，如何防止照明灯具事故性爆炸的发生已经成为十分重要的课题。由于照明灯具在启动或工作时，会产生电火花或形成炽热的表面，一旦遇到易爆炸性气体，就会导致爆炸，直接危及整个平台生产及生产、作业人员的生命安全。因此，在照明灯具的选择上必须满足防爆要求;

　　2) 高效，尽可能选择光效高、寿命长、耗能低的光源。

　　为确保海洋平台油气生产的安全，目前平台甲板照明设备广泛采用防爆高压钠灯和荧光灯，荧光灯作为辅助光源。照明方式采用一般照明和混合照明方式，对特定区域为满足作业要求，采用局部照明方式以提高作业区域照度，以满足施工人员视觉需求。但是，作为气体放电光源，高压钠灯和荧光灯同时也存在一些不足:

　　1) 光能利用效率低，光源发出的光线必须经过灯具一次反射或二次反射，光能有效利用率仅为40% ～ 60% ，而其余能量转化成热能而白白消耗掉了，灯具表面温度较高;

　　2) 由于海洋平台所处的环境恶劣， 海上大风加上平台上各种设备在运转过程中所产生的振动。灯丝在炽热的工作环境下强度很低，震动会大大缩短灯泡的使用寿命，造成灯丝断裂、灯泡松动，严重时将与灯座脱离;

　　3) 高压钠灯光线中含有大量的红外线和紫外线辐射，显色指数较低( Ra = 20 ～ 30) ，色温一般在1900K ～ 2000K;

　　4) 灯具含有大量的汞、钠等有害金属元素，损坏后无法全部回收，对环境造成污染。

　　2. 1 光源光效分析

　　气体放电光源为全向辐射，会使光能照射到不需要照射的区域，造成光能不必要的浪费或者污染。

　　因此，为了让光源发出的光能尽可能多地利用而又不会产生浪费或光污染，保证光源高效工作，必须使用灯具对光源辐射区域加以限制，尽可能地增加被照射区域的照度。光能量在灯具中产生一次反射或二次反射后，其能量会大量衰减，一部分光能转化为热能而白白浪费掉了。

　　对于LED而言，光能辐射为单向，LED在封装时，若在出光口装上不同折射角的透镜，射出的光束就具有不同的角度，光线可以不经过反射直接照射到指定区域。由于LED 灯是由非常多的LED组成，通过设计每个LED 的投射方向，从而使光能能够得到最大限度的利用。LED 光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出可见光,光源利用率高达90%。

　　图1 海洋平台照明

　　图2 发光角度对比

　　2. 2 平均照度分析

　　以渤海某平台主甲板照明系统为例(图3) ，照明灯具采用GE公司生产的高压钠灯( 250W，11只) 和节能荧光灯(36W × 2,16 只) ，荧光灯作为辅助照明光源，用其来改善平台照明光色，假设将光源投射光线全部均匀照射到甲板上，甲板平均照度Eav:

　　图3 某平台主甲板灯具布置图

　　实验研究表明，人的视网膜视觉细胞对白天视觉(明视觉，环境亮度>10cd /㎡)和夜间视觉( 暗视觉，环境亮度< 0. 01cd /㎡) 感觉不同。对于相同的光谱分布，明视觉与暗视觉条件下的亮度，存在明显的差异。LED 灯暗视觉的亮度是明视觉的2. 35 倍，而钠灯暗视觉是明视觉的0.94倍。所以在同等照度条件下(仪器测量) ，LED 路灯比高压钠灯亮2.5倍，即要达到同等的亮度，LED路灯的照度仅需要高压钠灯的40% 即可。在取得相同照明效果的条件下，采用白光LED灯具替代高压钠灯，所用LED功率P:

　　表1 光效对比

　　综合考虑其他因素对白光LED 的影响，现采用90W白光LED灯具替代高压钠灯，平均照度Eva:

　　图4、图5 是分别渤海某平台主甲板高压钠灯和白光LED 照度分布，图6、图7 是照明效果。

　　图4 高压钠灯照度分布

　　图5 LED 灯照度分布

　　图6 平台照明模拟图( 高压钠灯，色温2000K)