劉 淼

[摘 要]介紹照明光源的發(fā)展史,詳細(xì)闡述第三、四代光源的優(yōu)缺點,分析發(fā)電企業(yè)復(fù)雜的照明環(huán)境,通過原理分析及經(jīng)濟對比,闡述第三、四代照明光源在發(fā)電企業(yè)推廣的可行性。

[關(guān)鍵詞]高頻無極放電燈 半導(dǎo)體照明燈具 發(fā)電企業(yè)照明環(huán)境特點

[中圖分類號]TP923[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0028-04

目前節(jié)能減排已經(jīng)成為國家一項基本國策,發(fā)電廠作為能源生產(chǎn)單位,同時也是耗能大戶,節(jié)能減排壓力尤為重大。面對當(dāng)前電力市場疲軟,負(fù)荷率下滑以及節(jié)能經(jīng)濟調(diào)度的試點,深度挖潛,節(jié)能降耗是企業(yè)必須自我推進的一項工作。

由于發(fā)電廠照明點多面廣,部分區(qū)域需長期照明,照明用電量占廠用電比例雖然不大,但耗電量也相當(dāng)可觀。當(dāng)前老發(fā)電企業(yè)照明方式多停留在白熾燈、汞燈階段,新建電廠照明設(shè)備的選型雖然有所提高,但仍以照明效率相對較低、維護費用偏高的細(xì)管徑直管熒光燈、緊湊型熒光燈和高壓鈉燈為主。近幾年隨著照明技術(shù)的更新?lián)Q代,高頻無極放電燈、半導(dǎo)體照明燈具技術(shù)已經(jīng)相對成熟具備了大面積推廣的條件。因此做好老發(fā)電企業(yè)照明系統(tǒng)的節(jié)能改造,尤其是新建電廠照明系統(tǒng)的選型其節(jié)能成效是相當(dāng)顯著的。本文通過對照明新技術(shù)的介紹以及發(fā)電企業(yè)照明環(huán)境的分析,來探討新型照明方式在發(fā)電廠的應(yīng)用前景。

1 照明光電源發(fā)展史

第一代電光源:白熾燈(鹵鎢燈)

由強大的電流形成自由電子,使鎢絲升溫產(chǎn)生熱輻射而發(fā)光,鎢絲溫度達2000℃左右,大部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊彷椛?少部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?白熾燈的使用壽命在2000小時以內(nèi)。

第二代電光源:熒光燈(日光燈、節(jié)能燈)

低壓氣體在電場作用下被電離,電離的氣體原子發(fā)射紫外光并激發(fā)管壁上的三基色熒光粉,發(fā)射熒光,包括日光燈、節(jié)能燈、緊湊型節(jié)能燈等,壽命在6000～8000小時。熒光燈含汞,玻璃含鉛,有污染,廢棄物不可回收。

第三代電光源:高強度氣體放電燈(HID)

高強度氣體放電燈是目前大功率照明應(yīng)用較廣的燈具,其原理是燈管內(nèi)充滿了氣體和金屬。氣體幫助燈泡啟動,而金屬加熱達到蒸發(fā)點,形成等離子態(tài)后而發(fā)出光線。包括水銀燈、金屬鹵化燈、低壓鈉燈、高壓鈉燈以及最新型的高頻無極放電燈。發(fā)光效率可達60～80 lm/w,壽命為1000～3000小時。

第四代電光源:半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)

半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,縮寫成LED),是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片,它們之間形成的過渡層叫P—N結(jié),當(dāng)P—N結(jié)加正向電壓時有電流注入,電子和空穴復(fù)合而發(fā)光。LED晶片的體積很小,通常只有幾十到幾百微米見方,屬于固態(tài)光源,選擇適當(dāng)匹配的材料和制造工藝,電能大部分可轉(zhuǎn)變成光能,理論上發(fā)光效率可達400 lm/w(但是目前LED實際發(fā)光效率還在100 lm/w左右),工作狀態(tài)穩(wěn)定,可靠性高,壽命超過10萬小時。

2 電廠照明的環(huán)境特點

2.1 電壓不穩(wěn),沖擊大

發(fā)電廠照明電壓穩(wěn)定性相對較差,電壓通常情況下偏高,而且由于發(fā)電廠均是大功率輔機,在輔機啟停過程中電壓波動沖擊很大,對照明燈具壽命的影響非常大,由其沒有專用的照明變壓器的發(fā)電廠,現(xiàn)象尤為明顯。

2.2 工作環(huán)境復(fù)雜惡劣

對于發(fā)電廠發(fā)熱源較多,環(huán)境溫度高,工作環(huán)境污穢,不利于燈具散熱;轉(zhuǎn)動機械多振動大,對采用燈絲照明的燈具壽命有較大的影響。

2.3 照明電壓等級多,防護等級高

發(fā)電廠普通照明為380V、220V等級。電纜溝、電纜夾層以及低于2.2米生產(chǎn)車間照明用24V電壓等級,檢修用臨時燈具采用12V電壓等級。 應(yīng)急照明為直流220V或110V電壓等級。油庫氫站應(yīng)配備防爆燈具,化學(xué)車間酸堿庫應(yīng)配備防腐蝕密閉燈具,橋吊、斗輪機等振動大擺動大的機械需配備具有防脫落裝置的照明燈具。

2.4 更換難度大

由于發(fā)電廠工作環(huán)境復(fù)雜高溫高壓設(shè)備多,部分部位照明更換難度較大,如煙囪頂部障礙燈,爐外及爐頂照明等,一旦損壞更換難度及危險程度均較大,這類照明對燈具壽命要求較高。

針對發(fā)電企業(yè)上述照明環(huán)境特點對配套照明燈具提出了較高的要求,既要抗震、耐高溫環(huán)境適應(yīng)性強,還要壽命長,電壓適應(yīng)幅度寬,而這些要求正是高頻無極放電燈、半導(dǎo)體照明燈具所具備的優(yōu)勢。

3 高頻無極放電燈的工作原理及特點

3.1 工作原理

高頻無極放電燈是基于熒光燈氣體放電和高頻電磁感應(yīng)兩個人們所熟知的原理相結(jié)合的一種新型電光源。他是由高頻發(fā)生器、功率耦合器和涂有稀土三基色熒光粉的燈泡三部分組成。當(dāng)電流通過高頻發(fā)生器,產(chǎn)生一個2.65MHz高頻正弦電壓,并同時產(chǎn)生一個3000V左右的點火電壓,通過功率耦合器在涂有稀土熒光粉的玻璃泡殼內(nèi)瞬間建立一個高頻磁場,在高頻磁場的作用下,泡殼內(nèi)部的惰性氣體(氪氣和氬氣的混合氣體)發(fā)生電離并進而產(chǎn)生雪崩效應(yīng),從而產(chǎn)生強紫外線,稀土熒光粉在強紫外線的作用下從而發(fā)出可見光。由于玻璃泡殼內(nèi)壁涂有氧化鋁金屬粉層,相當(dāng)于在泡殼內(nèi)壁建立了一個金屬屏蔽層,從而阻擋了電磁波外泄,這使得高頻無極燈不會產(chǎn)生超出國家標(biāo)準(zhǔn)的電磁空間輻射。傳統(tǒng)電光源不論是白熾燈還是高、低壓氣體放電燈,都是由一個玻殼和一根燈絲組成,電能通過燈絲進入燈泡轉(zhuǎn)換為光能。而高頻無極燈則是通過把高頻電磁能以感應(yīng)方式耦合到燈泡內(nèi),因此它沒有常規(guī)電光源所必須的燈絲或電極,故名無極燈。如圖1所示。

3.2 燈具特點

(1)壽命長:一般的白熾燈、日光燈、節(jié)能燈、及其它氣體放電燈都有燈絲或電極,而燈絲或電極的濺射效應(yīng)恰恰是限制燈使用壽命的必然組件。高頻無極燈沒有燈絲,所以它不存在限制壽命的必然組件。使用壽命僅決定于電子元器件的質(zhì)量等級、電路設(shè)計和泡體的制造工藝,一般使用壽命可達5萬～10萬小時。是白熾燈的60倍,節(jié)能燈的12倍,高壓鈉燈的4倍。

(2)高效節(jié)能發(fā)光效率高:可達60Lm/W以上。比白熾燈節(jié)能70%以上,比高壓汞燈、高壓鈉燈、金鹵燈節(jié)能50%以上,具有極低的運行成本和維護成本。

(3)無頻閃:高頻無極燈所使用的工作頻率為2.5～3.0MHz,也就是說,高頻無極燈的工作頻率比普通白熾燈和日常使用的電感式日光燈、金鹵燈、高壓鈉燈等燈種的工作頻率(50Hz)高出5萬～6萬倍,比普通節(jié)能燈或電子鎮(zhèn)流器的工作頻率(30～60KHz)高出約250倍。由于它的工作頻率高,所以視為“完全沒有頻閃效應(yīng)”,不會造成眼睛疲勞,保護眼睛健康。

(4)不需預(yù)熱、瞬時啟動、適應(yīng)溫度范圍大:可立即啟動和再啟動,啟動時間均小于0.5秒,完全消除了燈絲啟動的弊端,即開即亮,開關(guān)壽命3萬次以上,在-40℃至50℃范圍內(nèi),均可正常啟動和工作。

(5)顯色性好,可見光比例高:光色柔和,呈現(xiàn)被照物體的自然色澤;在發(fā)出的光線中,可見光比例達80%以上,視覺效果好。

(6)高頻功率數(shù)、可靠性高:功率因數(shù)可高達95%以上,減少了無功消耗,節(jié)能降耗效果顯著。采用了電磁感應(yīng)、高頻觸發(fā)和獨特的燈泡制作工藝,使整燈的可靠性極高,真正實現(xiàn)免維護。

如表1所示。

由高頻無極放電燈的特點可以看出,因為無極燈無燈絲、電極,所以抗震性能十分優(yōu)異;此外采用電磁發(fā)光,低氣壓放電原理,防爆性能優(yōu)越;激勵源在燈泡外,自身的發(fā)熱量在高壓鈉燈、金鹵燈的1/5以下,環(huán)境溫度適應(yīng)性好;壽命長維護量小。綜上所述他是目前燈具中最適合在發(fā)電廠應(yīng)用的燈具。

3.3 經(jīng)濟性比對

我們將同照明等級的高頻無極燈與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的高壓鈉燈的進行了成本對比分析。高頻無極燈顯色指數(shù)、功率因數(shù)明顯高于高壓鈉燈,因此135W的高頻無極放電燈的照明效果高于250W高壓鈉燈的照度。且使用壽命為高壓鈉燈的6倍,隨著無極燈的大批量規(guī)?；a(chǎn),鎮(zhèn)流器加燈泡的整體成本與高壓鈉燈成本正逐漸拉近。以無極燈的一個使用周期60000小時來對比兩款燈具的成本,電價按照發(fā)電廠標(biāo)桿上網(wǎng)電價0.37元/kwh進行測算,結(jié)論如下表。從對比表中可以看出高壓鈉燈的成本高出無極燈一倍,尚未考慮高壓鈉燈更換的人工成本。通過上述經(jīng)濟效益對比得出以下結(jié)論,電廠初設(shè)階段如選擇高頻無極燈在一次性投資增加不大的前提下,高頻無極燈長遠效益明顯要高出高壓鈉燈。如表2所示。

4 半導(dǎo)體照明燈具

半導(dǎo)體發(fā)光二極管是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片,它們之間形成的過渡層叫P—N結(jié),當(dāng)P—N結(jié)加正向電壓時有電流注入,電子和空穴復(fù)合而發(fā)光。目前發(fā)光二極管分為大功率發(fā)光二極管(>1W),小功率發(fā)光二極管(<1W)。如圖2所示。

4.1 燈具特點

(1)光電轉(zhuǎn)換率高、低功耗、節(jié)能省電:傳統(tǒng)日光燈會產(chǎn)生大量的熱能,而LED日光燈則是把電能全都轉(zhuǎn)換為光能,不會造成能源的浪費。 而且對墻面、衣物不會產(chǎn)生退色現(xiàn)象。LED一般12V-24V直流供電,單顆功率為0.06～1W,用量大的可以通過多種方式組合或集成,以滿足不同需要,功率因素接近于1,用低電壓帶來高光效能,比傳統(tǒng)白熾燈節(jié)省電能約80%以上,如果一個LED發(fā)光要特定亮度時所需的耗電量是15W,那麼傳統(tǒng)白熾燈泡要達到同樣亮度的耗電量可能會高達高達150W。

(2)壽命長、免維護:目前LED理論壽命可達5～10萬小時,標(biāo)稱壽命也在2萬小時以上,由于壽命長,經(jīng)久耐用;LED燈體本身使用的是環(huán)氧樹脂而并非傳統(tǒng)的玻璃,更堅固牢靠,磕碰和振動對LED不會造成損壞,減少了維護維修費用,降低了成本。

(3)環(huán)境適應(yīng)能力強、安全性好:LED只要在溫度-40℃-85℃,濕度≤65%的情況下都可以正常安全的使用,由于LED屬于冷光源照明,沒有燈絲,防爆性能好,對惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強。

(4)光線柔和、無頻閃、使用安靜:LED燈具是把交流電直接轉(zhuǎn)換為直流電,不會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象,且沒有鎮(zhèn)流器使用安靜。

(5)電壓可調(diào)、范圍廣:傳統(tǒng)的日光燈是通過整流器釋放的高電壓來點亮的,當(dāng)電壓降低時則無法點亮。而LED燈具在較大范圍的電壓之內(nèi)都能點亮,只是在電壓偏低時,亮度降低而已,但仍能保證正常啟動。如表3,表4所示。

LED照明技術(shù)目前正處在精進階段, 120 Lm/w的純白色LED即將量產(chǎn),這將是目前光效最高的照明燈具。LED燈具分為大功率LED照明與小功率LED照明,大功率LED照明燈具主要應(yīng)用在路燈等大空間照明領(lǐng)域,成本相對較高,而小功率LED照明燈具已經(jīng)走向民用,民用燈具市場已經(jīng)可以買到LED燈泡、LED燈管,與普通燈具互換性強,不需進行燈具改造直接更換LED燈泡、燈管即可使用,且而隨著LED光源產(chǎn)業(yè)的壯大,其價位不斷下降,使企業(yè)更換燈具成本大幅下降。

如圖3所示。

雖然LED照明燈具從光效率上與T5新型熒光燈管基本相同,但LED固體照明在環(huán)境適應(yīng)性上是T5熒光燈所無法比擬的,而且LED燈的電壓等級覆蓋非常廣,可按需定做,為電纜溝等低壓供電區(qū)域照明十分便捷。

5 結(jié)語

通過對高頻無極燈及半導(dǎo)體照明燈具特性的了解得出以下結(jié)論,高頻無極放電燈適合于發(fā)電企業(yè)空間廣、大范圍的大功率照明,如機爐房、廠前區(qū)等;半導(dǎo)體燈具適合于低電壓、振動大惡劣環(huán)境下的照明,如配電室電纜夾層煙囪障礙燈等。兩種燈具一大一小均具備節(jié)能、抗震、防爆、電壓適應(yīng)能力強、使用壽命長等多方面的的優(yōu)點,涵蓋了發(fā)電廠的全部照明環(huán)境,十分符合發(fā)電廠的照明要求,具備在發(fā)電企業(yè)推廣的潛力,尤其在新項目規(guī)劃過程中應(yīng)積極采用新型燈具照明,這樣在前期投資增加不大的前提下,大幅降低投運后的維護費用。