倪永亮

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能，環(huán)保，壽命長，體積小等特點(diǎn)。2009年LED燈具開始在發(fā)達(dá)國家進(jìn)入主照明普及。在船舶及海洋平臺(tái)領(lǐng)域，因氣候相對陸地自然環(huán)境惡劣，對產(chǎn)品的穩(wěn)定性和安全性要求更加嚴(yán)格，因此使用LED燈具照明方案相對較晚。

1 LED燈具應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 在船舶與海洋工程行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

在船舶與海洋工程行業(yè)中，使用LED燈具作為船用照明方案最初應(yīng)用在豪華游輪等舒適度要求很高的項(xiàng)目上，目前逐漸發(fā)展為應(yīng)用于歐洲船東的部分新造工程船項(xiàng)目、部分新造海工項(xiàng)目以及部分大型海工項(xiàng)目的改裝工程中。國內(nèi)主要的船廠均有已交付項(xiàng)目或在建的項(xiàng)目使用LED燈具照明方案。在大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司交付的 MC-CLASS系列模塊運(yùn)輸船項(xiàng)目部分區(qū)域使用 LED燈具照明方案，目前在建的挖泥船項(xiàng)目全船使用LED燈具照明，而且目前進(jìn)行的多個(gè)工程船報(bào)價(jià)項(xiàng)目規(guī)格書中均明確要求使用LED照明方案。

1.2 LED燈具在船舶與海洋工程行業(yè)發(fā)展趨勢

在船舶與海工領(lǐng)域，LED燈具的高效節(jié)能，舒適度高，故障率低等優(yōu)勢逐漸受到船東和使用方的青睞，同時(shí)伴隨著LED燈具生產(chǎn)效率的不斷提升，越來越多的廠家參與到了對LED燈具的研發(fā)和生產(chǎn)中，LED燈具的生產(chǎn)成本和市場價(jià)格呈現(xiàn)下降趨勢，在船舶和海工行業(yè)的應(yīng)用呈現(xiàn)逐年上升趨勢。

2 LED燈具原理

2.1 基本概念

LED：發(fā)光二極管。

光強(qiáng)：指光源的明亮程度，即表示光源在一定方向和范圍內(nèi)發(fā)出的可見光輻射強(qiáng)弱的物理量。單位：燭光（cd）。

光通量：光源每秒鐘所發(fā)出的可見光量之總和。單位：流明（Lm）。

照度：照度是反映光照強(qiáng)度的單位，其物理意義是照射到單位面積上的光通量。單位：勒克斯（Lux）。照度是衡量照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足使用要求的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范上明確規(guī)定了船舶各區(qū)域的最低照度要求數(shù)值，在交船時(shí)需用照度儀實(shí)船測量。

燈具IP防護(hù)等級：將燈具依其防塵、防水之特性加以分級，由2個(gè)數(shù)字組成，第一個(gè)數(shù)字代表燈具防塵、防止外物侵入的等級（分為0級～6級），第二個(gè)數(shù)字代表燈具防水侵入的密封程度（分為 0級～8級），數(shù)字越大表示其防護(hù)等級越高。

2.2 LED燈具發(fā)光原理

發(fā)光二極管燈具即LED（light emitting diode）燈具，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料[1]，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。LED照明產(chǎn)品就是利用 LED作為光源制造出來的照明器具。半導(dǎo)體發(fā)光二極管燈具發(fā)光原理是在電壓作用下使PN結(jié)的載流子流動(dòng)，電子與空穴復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放出去。

如圖1所示，二極管是一種電子半導(dǎo)體器件，主要的特征就是電流的單向?qū)ā?/p>

圖1 二極管

如圖2和圖3所示，發(fā)光二極管（LED）首先是一個(gè)二極管，一些特殊的有色金屬被摻雜在里面，當(dāng)電子從高P極流向N極的時(shí)候，就會(huì)激發(fā)出光。

圖2 發(fā)光二極管原理

圖3 發(fā)光二極管（LED）示意圖

對于照明燈具而言，白色的光源更受人喜歡。上世紀(jì)末發(fā)白光的LED開發(fā)成功，這種工藝原理是藍(lán)光LED發(fā)光二極管激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光，藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋樹脂薄層，LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到白光。對于白色LED，通過改變熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3 500 K～10 000 K的各色白光。這種通過藍(lán)光LED得到白光的方法，構(gòu)造簡單、成本低廉、技術(shù)成熟度高，因此運(yùn)用最多，目前各大品牌LED光源燈具廠家均采用此原理。常用典型LED燈具色溫圖譜如圖4所示。

圖4 典型LED燈具色溫圖譜

2.3 LED燈具散熱要求

LED的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體的P—N結(jié)，通過實(shí)驗(yàn)得知當(dāng)電流流過LED元件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量釋放，P—N結(jié)的溫度將上升，就把P—N結(jié)區(qū)的溫度定義為LED的結(jié)點(diǎn)溫度。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此也可把LED芯片工作的溫度稱之為結(jié)點(diǎn)溫度（Tj）。

圖5 二極管電流電壓坐標(biāo)圖

圖6 PN節(jié)散熱示意圖

如圖5和圖6所示，正向的電流與電壓成指數(shù)關(guān)系，所以，在電壓變化很小的情況下，電流就會(huì)有一個(gè)很大的變化，很高電流同時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很高的功率，很高的功率就會(huì)導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)溫度很高，如果在短時(shí)間內(nèi)結(jié)點(diǎn)溫度過高，二極管就會(huì)燒掉。

如圖7所示，LED與結(jié)點(diǎn)溫度（Tj）的關(guān)系如下：

1）過高的電流導(dǎo)致很高的結(jié)點(diǎn)溫度；

2）過高的環(huán)境溫度導(dǎo)致過高的結(jié)點(diǎn)溫度；

3）過高的結(jié)點(diǎn)溫度導(dǎo)致LED光通量的減少；

4）同時(shí)過高的結(jié)點(diǎn)溫度，也導(dǎo)致LED壽命縮短。

圖7 結(jié)點(diǎn)溫度（Tj）與LED壽命曲線圖

因此，結(jié)點(diǎn)溫度對LED使用壽命影響很大，如何對LED進(jìn)行散熱成為LED燈具的重要技術(shù)指標(biāo)。目前熱導(dǎo)率系數(shù)高的材質(zhì)主要包含鉆石、銀、銅、鋁等，綜合考慮成本因素，市場上LED產(chǎn)品散熱材料通常選用鋁。

3 LED燈具方案設(shè)計(jì)與選型

本部分將結(jié)合部分品牌廠家的實(shí)際產(chǎn)品展開，涉及燈具品牌為 LightPartner與 Glamox，LightPartner為大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司MC-CLASS系列模塊運(yùn)輸船項(xiàng)目和挖泥船項(xiàng)目LED燈具方案的供貨品牌，Glamox品牌LED燈具目前在本行業(yè)國外市場有較多工程業(yè)績?，F(xiàn)在LED燈具產(chǎn)品能夠做到覆蓋室內(nèi)、機(jī)械處所、露天區(qū)域等安裝要求。

3.1 照明設(shè)計(jì)

照明方案的設(shè)計(jì)[2]，需綜合考慮電源配置、照度需求、美觀、經(jīng)濟(jì)性等各指標(biāo)要求，最終實(shí)現(xiàn)各區(qū)域的照明滿足船級社和船東技術(shù)規(guī)格書的要求。照明系統(tǒng)的電源配置需根據(jù)船級社的要求配置不同類型的電源。

照度計(jì)算是照明設(shè)計(jì)的工作之一，它的目的是根據(jù)技術(shù)規(guī)格書和規(guī)范的要求，確定具體工作（生產(chǎn)）場所、生活區(qū)域和公共活動(dòng)場所的被照平面上需要多少光通量，進(jìn)而確定需要使用多少個(gè)適合該區(qū)域安裝的燈具。

照度計(jì)算可以通過公式手動(dòng)計(jì)算，也可以通過軟件進(jìn)行計(jì)算，目前各主要照明燈具廠家均有其計(jì)算軟件。

照明系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，通常會(huì)通過軟件對典型的房間或區(qū)域進(jìn)行照度計(jì)算來初步預(yù)估典型區(qū)域的大致燈具數(shù)量配置，隨著設(shè)計(jì)的不斷深入，照度計(jì)算所需參數(shù)將不斷完善，并根據(jù)照度計(jì)算結(jié)果對照明布置進(jìn)行修正，最終完成項(xiàng)目的整體照度計(jì)算報(bào)告和照明設(shè)計(jì)方案。

典型照度計(jì)算報(bào)告、照度計(jì)算軟件仿真模型和照度計(jì)算效果如圖8～圖10所示。

圖8 典型照度計(jì)算報(bào)告結(jié)論

圖9 典型照度計(jì)算軟件仿真模型

圖10 典型照度計(jì)算效果圖

3.2 LED照明燈具選型

結(jié)合部分品牌廠家的實(shí)際產(chǎn)品對主要區(qū)域燈具類型進(jìn)行參考選型，實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行需根據(jù)船東技術(shù)規(guī)格書和選定品牌型號(hào)執(zhí)行。

目前LED船用燈具產(chǎn)品IP等級滿足各個(gè)區(qū)域的要求，部分型號(hào)產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)IP68，可應(yīng)用于易浸水區(qū)域的使用要求。燈具的設(shè)計(jì)溫度能夠覆蓋?35～55℃的環(huán)境溫度，船級社要求的臨時(shí)應(yīng)急照明也可以通過帶蓄電池模塊的LED燈具實(shí)現(xiàn)。

表1 部分品牌廠家的實(shí)際產(chǎn)品和使用區(qū)域

表1 部分品牌廠家的實(shí)際產(chǎn)品和使用區(qū)域（續(xù)）

4 LED燈具與傳統(tǒng)燈具比較

4.1 健康環(huán)保

LED燈具光線中不含紫外線和紅外線，不產(chǎn)生輻射（普通燈光線中含有紫外線和紅外線），不含鹵素等有害元素，不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（普通燈管中的電子鎮(zhèn)流器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾）。

4.2 使用壽命

LED燈具光源在光強(qiáng)衰減至 70%之前使用時(shí)間約為25 000 h（參考GLAMOX燈具在50℃環(huán)境溫度測試數(shù)據(jù)）。LED燈具光源使用壽命為30 000 h～100 000 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他傳統(tǒng)照明燈具光源的使用壽命[3]。

4.3 燈具維護(hù)

LED燈具故障率低，經(jīng)與LightParter、Glamox等知名品牌燈具廠家的溝通，LED燈具通常為整體設(shè)計(jì)，不需要更換光源（燈管，燈泡等），非外界原因很少會(huì)發(fā)生故障。廠家通常對其產(chǎn)品會(huì)提供較長時(shí)間的保修服務(wù)（GLAMOX為發(fā)貨后5年內(nèi)免費(fèi)更換，LightParter標(biāo)準(zhǔn)為項(xiàng)目交付后兩年內(nèi)保修，具體時(shí)間需和廠家進(jìn)一步溝通）。而傳統(tǒng)照明燈具光源如熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈等類型的燈具，其工作原理通常為高壓激活介質(zhì)發(fā)光、故障率本身較高，維護(hù)過程中因需定期打開燈具外殼更換內(nèi)部光源又進(jìn)一步提高了故障率。因此LED燈具的維護(hù)效率和維護(hù)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)船用照明燈具。

表2 不同燈具的使用壽命（單位：h）

4.4 能耗對比

圖11 高壓鈉燈實(shí)測效果圖

圖12 LED泛光燈實(shí)測效果圖

LED燈具能耗低，同等光照強(qiáng)度的需求下，1個(gè)LED耗能僅為傳統(tǒng)光源的一半左右。在船舶與海工平臺(tái)上，照明系統(tǒng)為I類連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)，單個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)照明系統(tǒng)整體耗能通常為幾十千瓦至幾百千瓦之間，使用LED光源的照明系統(tǒng)降低能耗的作用明顯。

4.5 實(shí)測數(shù)據(jù)差異

經(jīng)廠家實(shí)際測量結(jié)果顯示，對比使用LED光源的泛光燈與傳統(tǒng)光源泛光燈進(jìn)行照度實(shí)驗(yàn)。當(dāng)達(dá)到同樣的視覺效果時(shí)，2種情況下實(shí)測的照度值不同。如圖11和圖12所示，分別為使用高壓鈉燈和LED光源泛光燈使房間達(dá)到了大致相同的視覺效果，LED光源泛光燈呈現(xiàn)的視覺效果更好一些，此時(shí)分別測量房間照度值，圖11使用高壓鈉燈照明時(shí)照度值為286 lux，而圖12使用LED光源泛光燈照明時(shí)照度值僅為95 lux，這就導(dǎo)致了照明視覺效果好但是照度測量數(shù)據(jù)低的現(xiàn)象。若項(xiàng)目中以照度數(shù)據(jù)作為測量標(biāo)準(zhǔn)，此種情況將會(huì)導(dǎo)致LED光源燈具數(shù)量明顯增加。在實(shí)際項(xiàng)目的執(zhí)行過程中，針對此種情況需要在設(shè)計(jì)階段與船東提前溝通確認(rèn)，說服船東接受以照明的實(shí)際視覺效果作為檢驗(yàn)照明系統(tǒng)的依據(jù)。

4.6 綜合成本分析

在現(xiàn)階段，1個(gè)LED燈具價(jià)格相當(dāng)于同樣光強(qiáng)或照度需求所使用的傳統(tǒng)燈具的二倍左右。若考慮后期運(yùn)行期間的整體維護(hù)費(fèi)用，LED燈具在船舶或海工項(xiàng)目運(yùn)行的壽命周期內(nèi)綜合成本是低于傳統(tǒng)燈具的。

從船東的角度分析，LED燈具綜合成本低，因此在以后的新造項(xiàng)目中對 LED光源燈具的需求將會(huì)逐漸增多。

從船廠建造采購成本的角度分析，考慮到LED燈具當(dāng)前采購成本仍高于傳統(tǒng)燈具，如合同條款或技術(shù)規(guī)格書中沒有明確約定使用 LED燈具作為照明方案，傳統(tǒng)燈具仍將作為當(dāng)前船廠的優(yōu)先選擇方案。

5 結(jié)論

作為船廠建造和設(shè)計(jì)方，考慮初次采購成本的限制，我們現(xiàn)階段仍以船東技術(shù)規(guī)格書要求作為方案選擇的主要依據(jù)，若當(dāng)前技術(shù)規(guī)格書無明確使用LED燈具的要求，仍需以傳統(tǒng)的熒光燈具、金屬鹵化物燈具等方案作為優(yōu)先選擇項(xiàng)。綜合考慮船舶與海洋工程領(lǐng)域照明系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，LED光源燈具在未來一段時(shí)間將很可能會(huì)大幅降低生產(chǎn)成本，完全替代傳統(tǒng)的船用燈具。