LED光源在船舶照明上的應(yīng)用

董　蕾

(海軍駐溫州地區(qū) 軍事代表室， 浙江 舟山 316000)

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LED光源在船舶照明上的應(yīng)用

董蕾

(海軍駐溫州地區(qū) 軍事代表室， 浙江 舟山 316000)

摘要通過(guò)LED照明與船舶現(xiàn)有傳統(tǒng)照明作對(duì)比分析，闡述了船舶LED燈具的顯著特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)LED需解決的技術(shù)問(wèn)題提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，LED照明替代傳統(tǒng)照明將成為未來(lái)船舶照明發(fā)展的必然趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞LED船舶照明應(yīng)用

1船舶應(yīng)用LED的必要性

LED是發(fā)光二極管的英文(Light Emitting Diode)縮寫(xiě)，其基本結(jié)構(gòu)為一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料。隨著技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，LED的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，廣泛應(yīng)用于LED照明、建筑景觀、廣告顯示屏、手機(jī)、電腦顯示屏等。LED環(huán)保、省電節(jié)能，再加上發(fā)光效率高及壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，LED光源在通用照明的應(yīng)用領(lǐng)域取代傳統(tǒng)光源的可行性大為提升。

從通用照明市場(chǎng)分析，LED 光源替代白熾燈和熒光燈的趨勢(shì)已從局部應(yīng)用領(lǐng)域向縱深發(fā)展。傳統(tǒng)光源的生產(chǎn)廠家紛紛轉(zhuǎn)型LED或者關(guān)停，傳統(tǒng)光源逐漸退出市場(chǎng)，但LED應(yīng)用于船舶領(lǐng)域相對(duì)較少，如果船舶燈具不盡快切換為L(zhǎng)ED光源，到時(shí)勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)無(wú)燈可用的局面。因此在新型艦艇上使用綠色環(huán)保、節(jié)能、美觀、體積更小、重量更輕、壽命更長(zhǎng)、科學(xué)配光、高可靠性的新型LED照明燈具已成為當(dāng)前和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2LED作為船舶照明燈具的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的船舶照明燈具，艙室內(nèi)燈具一般使用白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈作為光源，艙室外燈具一般使用鹵鎢燈、汞燈和高壓鈉燈作為光源。白熾燈、熒光燈、鹵鎢燈是采用電子光場(chǎng)輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒，容易熱沉積、光衰減，發(fā)光效率較低。白熾燈光效約為15 lm/W，壽命800 h左右；鹵鎢燈光效約20 lm/W，壽命為1 500 h左右；熒光燈80 lm/W，壽命為8 000 h左右；鈉燈約100 lm/W，光效雖高，壽命也可達(dá)到2×104h，但鈉燈的顯色指數(shù)極低。傳統(tǒng)光源的廢棄物易碎并存在汞污染的問(wèn)題；傳統(tǒng)光源的抗震性能較差，在振動(dòng)的場(chǎng)所容易損壞，須經(jīng)常更換燈泡。傳統(tǒng)燈具的上述缺點(diǎn)，或多或少地影響到了船舶的照明環(huán)境。

LED燈具的長(zhǎng)壽命、光效高、工作可靠、抗振性能好、無(wú)噪聲、無(wú)頻閃等特性，適用做于船舶上各類(lèi)照明燈具和信號(hào)燈具的光源，LED燈具應(yīng)用于船舶能夠很好解決產(chǎn)品維護(hù)的問(wèn)題。作為船舶照明燈具，相比傳統(tǒng)的照明光源，LED具有以下相對(duì)明顯的特征：

(1) 抗振性能好。

船舶長(zhǎng)時(shí)間在海上航行易受風(fēng)浪擺動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的震動(dòng)，或船舶作戰(zhàn)時(shí)產(chǎn)生的劇烈沖擊震動(dòng)的影響，因此對(duì)船舶設(shè)備的抗振性能要求較高。傳統(tǒng)光源基本包含有燈絲或玻璃內(nèi)膽，容易損壞。而LED是被完全地封裝在環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)，具備非常好的抗振性能，它比燈泡和熒光燈管都堅(jiān)固。

(2) 壽命長(zhǎng)、工作可靠。

白熾燈是發(fā)光鎢絲受電能加熱而發(fā)光，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，鎢絲逐漸老化甚至燒斷。日光燈是由兩端的鎢絲產(chǎn)生瞬間高壓激活熒光粉而發(fā)光，其鎢絲也容易老化和燒斷。

二極管特殊的組成結(jié)構(gòu)采用發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理，其主要由電極、PN結(jié)晶片光學(xué)系統(tǒng)組成，靠電子的持續(xù)移動(dòng)而發(fā)光，無(wú)老化和燒斷的問(wèn)題，發(fā)光壽命長(zhǎng)達(dá)6×104h～12×104h。

(3) 無(wú)噪音，無(wú)頻閃，無(wú)紅外線、紫外線、熱輻射。

傳統(tǒng)的熒光燈和高壓鈉燈一般使用電感鎮(zhèn)流器，電感鎮(zhèn)流器在“渦流”的作用下易與結(jié)構(gòu)件一起產(chǎn)生共振，發(fā)出噪音，如果安裝在休息間和工作室，會(huì)影響船員的休息和工作。而LED燈具不會(huì)產(chǎn)生噪音，適用于休息間，尤其適合于駕駛室、報(bào)房、監(jiān)控臺(tái)等注意力需要高度集中的工作場(chǎng)所。

傳統(tǒng)的照明燈具一般采用交流電，會(huì)產(chǎn)生一定頻率的頻閃，影響人體視覺(jué)舒適性。而LED燈具是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，消除了頻閃現(xiàn)象。

高壓鈉燈、熒光燈有紫外輻射，白熾燈、鹵鎢燈有明顯的紅外線和熱輻射。而LED無(wú)紅外線、紫外線、熱輻射。

(4) 光效高，光學(xué)配光方便。

目前市面上的LED光源的光效已經(jīng)可以達(dá)到80 lm/W～120 lm/W，而最先進(jìn)的LED光源實(shí)驗(yàn)已經(jīng)突破200 lm/W，相信不久的將來(lái)可以應(yīng)用到市場(chǎng)上。LED是單方向少于150°發(fā)光的點(diǎn)光源，最便于進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。

(5) 節(jié)能環(huán)保。

以一艘2 000 t的船舶為例，如果使用傳統(tǒng)光源需要1.5×104W以上的功率，改用LED只需要2 000 W左右的功率就可以達(dá)到同樣的照明效果，這樣可以減少船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量，可以顯著降低船舶航行成本，達(dá)到節(jié)能的目的。另外，LED光源未使用傳統(tǒng)光源的汞或其他重金屬，環(huán)保無(wú)污染。

3LED作為船舶照明光源需要解決的技術(shù)問(wèn)題

LED光源雖優(yōu)點(diǎn)明顯，但不能直接用于照明，它必須要和驅(qū)動(dòng)器、光學(xué)部件、結(jié)構(gòu)外殼等組成燈具才能完成照明任務(wù)。

船舶設(shè)備長(zhǎng)期處于電壓波動(dòng)范圍大、電磁干擾、振動(dòng)、沖擊、鹽霧、高溫高濕、油霧和霉菌的環(huán)境中，對(duì)船用照明設(shè)備工作的可靠性和維修性等提出了更高要求。船舶的使用環(huán)境遠(yuǎn)高于一般的通用照明環(huán)境，因此船舶用LED燈具有別于通用照明產(chǎn)品，不能簡(jiǎn)單地將通用照明市場(chǎng)的產(chǎn)品直接用于船舶上，應(yīng)需針對(duì)船舶的使用環(huán)境開(kāi)發(fā)船舶專(zhuān)用的LED照明燈具。開(kāi)發(fā)船舶用LED照明燈具需要解決以下技術(shù)問(wèn)題：

(1) 通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)解決光線眩目的問(wèn)題。

LED屬于點(diǎn)光源，如果直接照射到眼睛上，會(huì)感到眩目，讓人不舒服。柔和的照明環(huán)境才能夠給船員舒適的感覺(jué)。燈具的光線必須經(jīng)過(guò)特殊處理才能達(dá)到柔和、不眩目的效果。

(2) 解決散熱問(wèn)題。

LED是功率型器件，受電流和溫度影響較大，通電后，芯片產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致LED發(fā)光效率急劇下降，電極損壞，環(huán)氧樹(shù)脂加速老化，光衰減快，甚至產(chǎn)品壽命終止。因此，改善散熱能力是保證LED壽命最關(guān)鍵的問(wèn)題。

燈具要通過(guò)合理散熱設(shè)計(jì)，保證LED產(chǎn)生的熱量能快速傳遞出來(lái)，只有LED的結(jié)點(diǎn)溫度低于105℃才能保證光源的壽命。

(3) 產(chǎn)品在電壓波動(dòng)大環(huán)境中可靠使用的問(wèn)題。

首先遵循開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需在LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)開(kāi)路和短路保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、恒定電流輸出、并具有防雷和抗浪涌設(shè)計(jì)(可有效防止雷擊4 kV以上沖擊 )、對(duì)于功率50 W LED驅(qū)動(dòng)器要增加軟啟動(dòng)。

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(4) 解決鹽霧腐蝕問(wèn)題。

LED光源硅晶片雖然被環(huán)氧樹(shù)脂封閉，但LED的焊盤(pán)依舊外露，焊接部位在鹽霧的腐蝕下容易失效，從而導(dǎo)致LED失效。要解決這一問(wèn)題有兩種辦法：① 可通過(guò)提高產(chǎn)品的外殼防護(hù)等級(jí)，保證燈具內(nèi)部不存在水汽；② 選用具有防鹽霧特性的LED產(chǎn)品。

(5) 解決藍(lán)光危害問(wèn)題。

LED可以得到白光，能被用于照明。目前，獲取白光最常用的方法是用發(fā)藍(lán)色光的LED芯片激發(fā)熒光粉，LED輻射出藍(lán)光，藍(lán)光又被分成兩部分，一部分藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃綠光，另一部分熒光投射出來(lái)與產(chǎn)生的黃綠光混合產(chǎn)生白光。這一特性決定LED發(fā)出的光中一定存在藍(lán)光。但是藍(lán)光會(huì)對(duì)人的視網(wǎng)膜產(chǎn)生損傷。要避免藍(lán)光的危害，一是降低色溫，二是在LED光源表面加裝漫射罩，并選擇藍(lán)光危害危險(xiǎn)等級(jí)組別優(yōu)于RG1以上的LED產(chǎn)品。

4船舶LED照明發(fā)展趨勢(shì)和方向

由于船員長(zhǎng)期在艙室內(nèi)工作，整天都是在單調(diào)燈光下工作和生活，很少能接受自然光的照射，長(zhǎng)期易使人感到不適，甚至影響到身體健康，因此有必要研究智能和仿生的燈具——可模擬太陽(yáng)光的新型LED仿生照明燈具(隨著時(shí)間的變化，光強(qiáng)和色溫隨之自動(dòng)改變)和智能LED情景式照明燈具(可調(diào)節(jié)光強(qiáng)、色溫和顏色，從而構(gòu)建不同的情境模式，如：家庭模式、辦公模式、會(huì)議模式等)，以滿(mǎn)足新型船舶各個(gè)場(chǎng)所的需求。

智能照明環(huán)保、節(jié)能、安全、高效、更人性化，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用市場(chǎng)的開(kāi)拓，預(yù)計(jì)未來(lái)船舶LED照明將逐漸向智能和仿生方向發(fā)展，智能和仿生照明將成為未來(lái)船舶照明技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)和新方向。

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作者簡(jiǎn)介：董蕾(1985-)，男，工程師，研究方向?yàn)榇半姎狻?/p>

中圖分類(lèi)號(hào)TM923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

The Application of LED Light Source in Lighting on the Ship

DONG Lei

(Navy Military Representative Office in Wenzhou， Zhoushan Zhejiang 316000， China)

AbstractThrough the analysis and comparison of LED lighting and traditional lighting for ship, the advantages and characteristics of ship LED lamps were expounded. The corresponding improvement measures were put forward to solve the technical problems of LED. LED lighting to replace traditional lighting would become the inevitable trend of the future development of ship lighting.

KeywordsLEDShip lightingApplication