淺談白光LED在未來(lái)海洋平臺(tái)照明中的應(yīng)用

張東亮 章怡圣 王祥偉 方建偉

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.南陽(yáng)二機(jī)石油裝備 (集團(tuán))有限公司，南陽(yáng) 473000)

1 引言

LED(Light Emitting Diode)即發(fā)光二極管，它的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片 (PN結(jié))，當(dāng)對(duì)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，釋放出過剩的能量引起光子發(fā)射而產(chǎn)生可見光，把電能直接轉(zhuǎn)化為光能。上世紀(jì)60年代，基于半導(dǎo)體這種發(fā)光原理，研制出了世界上第一個(gè)紅光LED。近十多年來(lái)，隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步和各種新材料的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色高亮度LED取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率也有了大幅提高，其中白光LED(1996年日本日亞公司成功研發(fā))的誕生，是LED發(fā)展史上一個(gè)重大的里程碑。由于白光LED光線接近日光，能較好的反映物體的真實(shí)顏色，從而其作為一種全新的照明光源成為可能。

與傳統(tǒng)的照明光源相比，白光LED具有光效高(90%的電能轉(zhuǎn)化為可見光)、發(fā)熱量低 (沒有熱輻射)、壽命長(zhǎng) (平均使用壽命為5萬(wàn) ～10萬(wàn)小時(shí))、綠色環(huán)保 (燈具中不含汞、鈉等有害金屬元素，容易回收)等特點(diǎn)。LED作為一種固態(tài)光源，無(wú)燈頭和燈座連接機(jī)構(gòu)，發(fā)光二極管牢靠固定在燈板上，耐振、耐沖擊、不易破碎。單體驅(qū)動(dòng)電壓低，電流小，啟動(dòng)時(shí)間短，無(wú)頻閃現(xiàn)象，不存在啟動(dòng)延時(shí)問題，其在照明市場(chǎng)的發(fā)展值得期待。

目前，大功率白光LED在實(shí)驗(yàn)室光效已突破100 lm/W，并已逐步應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域。隨著市場(chǎng)的需求和人類對(duì)于LED照明能夠早日推廣到通用照明領(lǐng)域的渴望，促使大功率白光LED技術(shù)迅速發(fā)展，不久的將來(lái)，LED光效將會(huì)達(dá)到或突破200 lm/W，超過目前光效最高的氣體放電光源。在全球性能源危機(jī)日漸加劇，環(huán)境壓力越來(lái)越大的情況下，LED作為新一代的綠色照明光源所獨(dú)有的節(jié)能、環(huán)保、安全、長(zhǎng)壽等優(yōu)點(diǎn)，開辟了照明領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保新途徑。

2 海洋平臺(tái)照明系統(tǒng)分析

照明光源的選擇要考慮到光源的光效、顯色性、壽命、啟動(dòng)及再啟動(dòng)時(shí)間等特性指標(biāo)，以及周圍環(huán)境對(duì)光源要求等。近年來(lái)，氣體放電光源 (鈉燈、熒光燈、金屬鹵化物燈等)因其光效高、耗電少、壽命長(zhǎng)、不銹蝕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)取代傳統(tǒng)白熾燈等照明光源，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于城市道路、高速公路、機(jī)場(chǎng)、廣場(chǎng)、工礦業(yè)等場(chǎng)所照明。

海洋平臺(tái)是海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地。由于海洋平臺(tái)空間狹小，各種生產(chǎn)設(shè)備布置的空間極為緊湊，生產(chǎn)和作業(yè)人員集中，在照明光源的選用上應(yīng)以安全、高效、經(jīng)濟(jì)為原則。

1)安全，海洋平臺(tái)在油氣開采和油氣處理過程中，會(huì)產(chǎn)生大量易燃、易爆氣體，特別是在人員和設(shè)備如此集中的場(chǎng)所，如何防止照明燈具事故性爆炸的發(fā)生已經(jīng)成為十分重要的課題。由于照明燈具在啟動(dòng)或工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電火花或形成熾熱的表面，一旦遇到易爆炸性氣體，就會(huì)導(dǎo)致爆炸，直接危及整個(gè)平臺(tái)生產(chǎn)及生產(chǎn)、作業(yè)人員的生命安全。因此，在照明燈具的選擇上必須滿足防爆要求;

2)高效，盡可能選擇光效高、壽命長(zhǎng)、耗能低的光源。

為確保海洋平臺(tái)油氣生產(chǎn)的安全，目前平臺(tái)甲板照明設(shè)備廣泛采用防爆高壓鈉燈和熒光燈，熒光燈作為輔助光源。照明方式采用一般照明和混合照明方式，對(duì)特定區(qū)域?yàn)闈M足作業(yè)要求，采用局部照明方式以提高作業(yè)區(qū)域照度，以滿足施工人員視覺需求。但是，作為氣體放電光源，高壓鈉燈和熒光燈同時(shí)也存在一些不足:

1)光能利用效率低，光源發(fā)出的光線必須經(jīng)過燈具一次反射或二次反射，光能有效利用率僅為40%～60%，而其余能量轉(zhuǎn)化成熱能而白白消耗掉了，燈具表面溫度較高;

2)由于海洋平臺(tái)所處的環(huán)境惡劣，海上大風(fēng)加上平臺(tái)上各種設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)。燈絲在熾熱的工作環(huán)境下強(qiáng)度很低，震動(dòng)會(huì)大大縮短燈泡的使用壽命，造成燈絲斷裂、燈泡松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將與燈座脫離;

3)高壓鈉燈光線中含有大量的紅外線和紫外線輻射，顯色指數(shù)較低 (Ra=20～30)，色溫一般在1900K～2000K;

4)燈具含有大量的汞、鈉等有害金屬元素，損壞后無(wú)法全部回收，對(duì)環(huán)境造成污染。

2.1 光源光效分析

氣體放電光源為全向輻射，會(huì)使光能照射到不需要照射的區(qū)域，造成光能不必要的浪費(fèi)或者污染。因此，為了讓光源發(fā)出的光能盡可能多地利用而又不會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)或光污染，保證光源高效工作，必須使用燈具對(duì)光源輻射區(qū)域加以限制，盡可能地增加被照射區(qū)域的照度。光能量在燈具中產(chǎn)生一次反射或二次反射后，其能量會(huì)大量衰減，一部分光能轉(zhuǎn)化為熱能而白白浪費(fèi)掉了。

圖1 海洋平臺(tái)照明

對(duì)于LED而言，光能輻射為單向，LED在封裝時(shí)，若在出光口裝上不同折射角的透鏡，射出的光束就具有不同的角度，光線可以不經(jīng)過反射直接照射到指定區(qū)域。由于LED燈是由非常多的LED組成，通過設(shè)計(jì)每個(gè)LED的投射方向，從而使光能能夠得到最大限度的利用。LED光的單色性好、光譜窄，無(wú)需過濾可直接發(fā)出可見光，光源利用率高達(dá)90%。

圖2 發(fā)光角度對(duì)比

2.2 平均照度分析

以渤海某平臺(tái)主甲板照明系統(tǒng)為例 (圖3)，照明燈具采用G.E.公司生產(chǎn)的高壓鈉燈 (250W，11只)和節(jié)能熒光燈 (36W×2，16只)，熒光燈作為輔助照明光源，用其來(lái)改善平臺(tái)照明光色，假設(shè)將光源投射光線全部均勻照射到甲板上，甲板平均照度Eav:

圖3 某平臺(tái)主甲板燈具布置圖

式中 Ф——光源光通量

N—— 燈具數(shù)量

CU——利用系數(shù)(0.38)

MF——維護(hù)系數(shù)(0.7～0.8)

A——甲板面積 (25×40m)

實(shí)驗(yàn)研究表明，人的視網(wǎng)膜視覺細(xì)胞對(duì)白天視覺 (明視覺，環(huán)境亮度 ＞10cd/m2)和夜間視覺(暗視覺，環(huán)境亮度＜0.01cd/m2)感覺不同。對(duì)于相同的光譜分布，明視覺與暗視覺條件下的亮度，存在明顯的差異。LED燈暗視覺的亮度是明視覺的2.35倍，而鈉燈暗視覺是明視覺的0.94倍。所以在同等照度條件下 (儀器測(cè)量)，LED路燈比高壓鈉燈亮2.5倍，即要達(dá)到同等的亮度，LED路燈的照度僅需要高壓鈉燈的40%即可。在取得相同照明效果的條件下，采用白光LED燈具替代高壓鈉燈，所用LED功率P:

表1 光效對(duì)比

綜合考慮其他因素對(duì)白光LED的影響，現(xiàn)采用90W白光LED燈具替代高壓鈉燈，平均照度Eva:

圖4、圖5是分別渤海某平臺(tái)主甲板高壓鈉燈和白光LED照度分布，圖6、圖7是照明效果。

圖4 高壓鈉燈照度分布

圖5 LED燈照度分布

圖6 平臺(tái)照明模擬圖 (高壓鈉燈，色溫2000K)

2.3 顯色指數(shù) (Ra)

圖7 平臺(tái)照明模擬圖 (LED，色溫6500K)

LED光源顯色指數(shù)高達(dá)90，接近日光，無(wú)眩光現(xiàn)象，而高壓鈉燈顯色指數(shù)僅為20～30，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LED燈。高的顯色指數(shù)Ra(色溫≥5000K時(shí))能更大的反映物體本來(lái)的顏色，使被照物體層次更分明，表現(xiàn)更逼真，能更好的分辨出物體的細(xì)節(jié)，特別是夜間移動(dòng)的物體，同時(shí)可以減輕施工人員眼睛的疲勞感，增加舒適度和安全度。例如平臺(tái)夜間進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí)，高的顯色指數(shù)能更好的使吊裝作業(yè)人員分辨出被吊裝物體的具體位置，從而增加了夜間施工作業(yè)的安全性。

2.4 發(fā)電機(jī)負(fù)載影響

高壓鈉燈、熒光燈是一種高強(qiáng)度氣體放電燈泡，由于氣體放電燈泡的負(fù)阻特性，這類光源在工作時(shí)需要鎮(zhèn)流器的配合。大量鎮(zhèn)流器的使用不僅增加發(fā)電機(jī)負(fù)載，同時(shí)使配電系統(tǒng)無(wú)功功率增加，降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。采用LED作為照明光源，不僅能減小發(fā)電機(jī)負(fù)載，提高整個(gè)平臺(tái)照明配電系統(tǒng)效率，還可以節(jié)省工程項(xiàng)目投資，增強(qiáng)平臺(tái)配電系統(tǒng)的安全性。

3 LED平臺(tái)照明節(jié)能分析

以目前平臺(tái)甲板所用的照明燈具與白光LED燈進(jìn)行節(jié)能分析，綜合上面對(duì)平均照度的分析，現(xiàn)用90W白光LED取代250W高壓鈉燈。

3.1 前期資金投入 (見表2)

3.2 年電量消耗

由于海洋平臺(tái)是特殊的工作場(chǎng)所，平臺(tái)燈具照明時(shí)間一般為24小時(shí)/天，費(fèi)用按1元/度計(jì)算:

采用LED作為平臺(tái)照明光源，每年可節(jié)約電費(fèi)34萬(wàn)元，耗能僅為傳統(tǒng)照明光源的36%。事實(shí)上供電電壓波動(dòng)對(duì)鈉燈的功耗有著很大的影響，當(dāng)電源電壓達(dá)到250V時(shí)，其功率增加近一倍，消耗的功率要遠(yuǎn)大于額定功耗，在這種情況下，鈉燈的使用壽命也將會(huì)大幅衰減 (僅為額定壽命的30%～40%)。而LED的功耗幾乎不隨供電電壓的變化而變化，考慮功率波動(dòng)的影響，LED實(shí)際能耗僅為鈉燈的25%～30%，這也是LED比高壓鈉燈節(jié)能的另一個(gè)重要原因。

表2 前期投入費(fèi)用

表3 年電量消耗

目前高壓鈉燈的功率比較固定，一般為70W、100W、150W、250W等，而 LED光源最大優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際需要多少功率就配備多大功率，從而最大限度的節(jié)約能耗，消除電能過度浪費(fèi)現(xiàn)象。

3.3 后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用

LED前期一次性投入較大，一旦投入使用，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低，燈具使用壽命時(shí)間長(zhǎng)，不用經(jīng)常更換。與LED相比，高壓鈉燈一年的光衰就高達(dá)60%，其實(shí)際壽命也只有額定壽命的30%～40%，按年20%更換率進(jìn)行更換，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用見表4。

表4 后期運(yùn)營(yíng)成本

從上述表中對(duì)比可以看出，白光LED替代傳統(tǒng)高壓鈉燈，在前期成本投入費(fèi)用方面不占優(yōu)勢(shì)，但是在后期運(yùn)營(yíng)、維護(hù)收益較大。一旦投入使用后，2～3年便可收回投入成本。

4 白光LED照明技術(shù)應(yīng)用展望

海洋石油資源量約占全球石油資源總量的34%，在陸地油氣資源日益枯竭的情況下，迫使人們把目光投向遼闊的海洋。近年來(lái)，海洋油氣開發(fā)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，目前，海洋石油產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的35%，海洋天然氣產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的25%。據(jù)專家估計(jì)，到本世紀(jì)中期，海洋油氣產(chǎn)量有望超過陸地，海洋將成為支撐全球能源、化學(xué)等工業(yè)部門的主要油氣來(lái)源。

海上石油鉆采平臺(tái)是海上油氣田開發(fā)的主要生產(chǎn)設(shè)施，隨著人類對(duì)海洋油氣資源開發(fā)力度的加大，越來(lái)越多的鉆采平臺(tái)將會(huì)投入到油氣開采之中。日前，平臺(tái)照明系統(tǒng)大都采用傳統(tǒng)照明設(shè)備，若采用新型大功率白光LED替代傳統(tǒng)的照明設(shè)備，每年可節(jié)省上億元費(fèi)用，可見LED在未來(lái)海洋平臺(tái)照明系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展空間。

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