符合港口照明特性LED燈具的研究及示范應(yīng)用

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符合港口照明特性LED燈具的研究及示范應(yīng)用

薄?；?袁榮林 上海國際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司振東集裝箱碼頭分公司
溫彩霞 王 坤 上海國瑞環(huán)保科技股份有限公司

摘要：LED燈具是近年發(fā)展迅速的一種綠色，環(huán)保，安全，節(jié)能的燈具，然而港口特殊的使用環(huán)境對LED燈具的性能有非常高的要求，介紹了符合港口特殊環(huán)境下使用LED燈具若干技術(shù)措施，并給出了采取措施后的節(jié)能環(huán)保效果。

關(guān)鍵詞：港口；LED；照明；節(jié)能

近年來經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長，但環(huán)境卻不斷惡化，節(jié)能減排成為全球的迫切的要求。上海國際港務(wù)集團(tuán)為順應(yīng)這一發(fā)展趨勢，落實(shí)節(jié)能減排工作，鎖定了照明這一領(lǐng)域。以振東集裝箱分公司為例，港區(qū)內(nèi)高桿燈、輪胎吊、橋吊的照明設(shè)備都是高壓鈉燈。在傳統(tǒng)燈具中，高壓鈉燈具有光效高，壽命長，透霧性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是含汞污染，能耗高。振東港區(qū)內(nèi)的高壓鈉燈以1 000 W和400 W為主，共2 217只燈具，總功率為1 550 kW。年港區(qū)內(nèi)照明消耗的電量就高達(dá)594萬kWh。

上海港務(wù)集團(tuán)也在不斷地探索LED照明產(chǎn)品在港區(qū)的應(yīng)用，調(diào)研結(jié)果顯示，LED照明產(chǎn)品在節(jié)能上有巨大的空間，同時也發(fā)現(xiàn)LED照明產(chǎn)品在港區(qū)的應(yīng)用仍然在透霧性、散熱、配光、光衰等方面還需要進(jìn)一步提升。與傳統(tǒng)燈具相比較價格高，燈具改造采購全新的LED燈具，一次性投入的成本太高，且市場上LED燈具價格懸殊，品質(zhì)差異巨大，對適應(yīng)港區(qū)的LED燈具選擇比較困難。

上海國瑞環(huán)?？萍脊煞萦邢薰咎峁┑腖ED燈具良好的品質(zhì)和商務(wù)模式很好地解決了上述問題。振東分公司成立項(xiàng)目評估小組，與上海國瑞環(huán)保公司聯(lián)合組織了項(xiàng)目測試技術(shù)工作小組，對項(xiàng)目使用的過孔散熱單片式大功率LED集成光源燈具進(jìn)行了試裝、測試工作，經(jīng)過6個多月的共同努力，試裝、測試工作圓滿結(jié)束，經(jīng)測試擬在項(xiàng)目使用的LED燈具在工作場所的亮度、照度、均勻度、可視度以及透霧能力和抗震能力等關(guān)鍵性技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)和安全指標(biāo)超過原有的高壓鈉燈的標(biāo)準(zhǔn)，相比高壓鈉燈的節(jié)能率高于65%，完全符合港口安全照明用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)總結(jié)如下。

1 LED燈具安全性采取的措施

（1）抗震動性 整個LED燈具采用一體化過孔燈具結(jié)構(gòu)，加厚高彈性連接安裝支架和防滑絲，防松動螺絲加裝減震密封墊加以解決。

（2）抗臺風(fēng) 整個LED燈具采用過孔燈具結(jié)構(gòu)，臺風(fēng)能從燈具散熱孔中穿過，對風(fēng)的阻力明顯減小。

（3）防墜落 除安裝支架加強(qiáng)外，加裝不銹鋼防墜落鏈。

（4）抗腐蝕 在LED燈具的表面噴塑處理中，增加納米二氧化鈦防腐材料，大大提高抗腐蝕，耐鹽霧能力。

（5）抗冷熱沖擊 在LED光源基板中，采用高導(dǎo)熱的熱變形小的合金銅材料，在LED燈殼中增加稀土材料，減少冷熱的變形量，同時增加密封材料厚度。通過密封材料的吸收金屬材料冷熱變形的應(yīng)力。

（6）抗電磁干擾和電磁輻射 除選擇符合電磁干擾和電磁輻射的安全標(biāo)準(zhǔn)的電源外，增加金屬屏蔽保護(hù)罩來阻斷電磁干擾和輻射。

（7）防觸電 LED燈具的電源選用安全的隔離電源，LED工作電壓選用低于36 V的安全電壓，并安裝可靠的LED燈具外殼接地連接線。

（8）防雷擊 在LED燈具電源內(nèi)加裝了10KVA的防雷擊電路和接地保護(hù)電路，防止感應(yīng)雷，對于直接雷采用全鋁合金外殼屏蔽來進(jìn)行保護(hù)。

（9）抗電壓波動和高壓諧波 在LED燈具的電源電路中，增加了穩(wěn)壓電路和濾波電路。

（10）防灰塵、防雨淋與防水濺 在防灰塵上采用過孔散熱燈具結(jié)構(gòu)，風(fēng)吹雨淋，灰塵無法藏身，LED燈具具備自潔功能，在防雨淋和水濺上，將LED燈具做到IP 65。

（11）防積雪和冰棱 LED燈具整體采用穿孔結(jié)構(gòu)，積雪留不住，同時采用孤行外邊設(shè)計結(jié)構(gòu)，冰棱結(jié)不上，掛不住。

（12）防眩光 LED燈具發(fā)光面采用霧化玻璃透鏡配光，無強(qiáng)眩光發(fā)射，同時嚴(yán)格控制I 80方向上的光強(qiáng)發(fā)光值。

（13）防光污染 LED燈具做到精確配光，LED光均照射到需照明的工作場面上，無光污染和光浪費(fèi)。

（14）防藍(lán)光危害 常規(guī)藍(lán)光危害是指430～460納米的光波危害，在港口LED光源中，選用光波為580～586納米的暖白光為主的LED光，藍(lán)光危害已完全控制。

（15）防紫外線照射 LED燈具的加噴了抗紫外線照射的納米涂層，在LED配光透鏡用料上拋棄PC，PMMA等樹脂塑膠材料，選用石英成分的光學(xué)玻璃透鏡，不怕紫外線照射，無黃化、老化現(xiàn)象發(fā)生。

2 照明節(jié)能采取措施

（1）高桿燈在試裝和示范過程中，采用上海國瑞環(huán)保提供的300 W LED燈替代原1 000 W高壓鈉燈，經(jīng)實(shí)測對比，在節(jié)能的同時照度比原有的高壓鈉燈照度提高了10～20%，超過港口高桿照明標(biāo)準(zhǔn)，其節(jié)能率達(dá)到了70%。

（2）輪胎吊在試裝和示范過程中，大梁和大車燈采用140 W LED燈具替代原400 W高壓鈉燈，為保證作業(yè)面照度，小車燈采用160 W LED燈具替代400 W高壓鈉燈，其節(jié)能率達(dá)到64.38%。

（3）橋吊在試裝和示范改造過程中，為保障橋吊小車作業(yè)面照度，采用420 W LED燈具替代1 000 W高壓鈉燈，大梁和連系梁采用360 W LED燈具替代原有1 000 W高壓鈉燈，大車燈采用140 W替代400 W高壓鈉燈，節(jié)能率達(dá)到了63.52%。

目前行業(yè)內(nèi)大功率LED燈具的整燈光效水平在100 LM/W左右，而本次項(xiàng)目中，采用高效集成大功率LED封裝技術(shù)和穿孔散熱燈具結(jié)構(gòu)，使LED燈具整燈光效達(dá)到了120 LM/W。實(shí)現(xiàn)了平均節(jié)能率65%左右的節(jié)能目標(biāo)。

3 照明環(huán)保采取的措施

LED集成發(fā)光源材料，采用藍(lán)密石襯底材料，半導(dǎo)體氮化物發(fā)光材料，純黃金導(dǎo)線，稀土熒光粉，有機(jī)硅膠，紫銅傳熱基板，鍍銀板反光層。均為環(huán)保貴重材料制作。

（1）配光透鏡材料，采用無鉛、汞、的石英光學(xué)玻璃材料經(jīng)熱壓制作。

（2）燈殼散熱材料，采用高導(dǎo)熱航天級鋁合金材料制作。

（3）電源控制器，均采用優(yōu)質(zhì)電子元件制作，并通過了歐盟環(huán)保RoHS認(rèn)證。

（4）安裝支架：選用優(yōu)質(zhì)鋼材制作。

交往的過程必然是動態(tài)生成的，在雙語教學(xué)實(shí)踐過程中，最主要的交往形式是師生對話。民主平等的對話交往讓教師和學(xué)生都把教學(xué)過程當(dāng)作自己的生命活動過程，學(xué)生學(xué)到知識和真理，而教師則由此實(shí)現(xiàn)人生價值。此外，動態(tài)生成也讓教學(xué)這種特殊交往從理論走向?qū)嵺`，潛在性變成現(xiàn)實(shí)性。詞匯教學(xué)過程不再是單邊的知識傳遞過程，而是融開放性、創(chuàng)造性、體驗(yàn)性和挑戰(zhàn)性為一體。由此可見，動態(tài)生成性是詞匯教學(xué)的內(nèi)在屬性，教學(xué)過程的本質(zhì)也決定了詞匯教學(xué)動態(tài)生成的必然性。

（5）防墜落鏈、螺絲：均采用無鉛的優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料制作。

（6）密封件材料：采用優(yōu)質(zhì)硅材料制作。

（7）表面噴塑材料：均采用優(yōu)質(zhì)環(huán)保樹脂塑粉和優(yōu)質(zhì)納米二氧化鈦材料制作。

4 技術(shù)參數(shù)的選擇

（1）色溫的選擇

港口照明傳統(tǒng)照明光色為低色溫的2000 K左右的黃光照明，LED燈光色溫一般為3000～6 000 K，試裝5 000 K色溫?zé)艄夂?，碼頭作業(yè)人員很不適應(yīng)，隨后調(diào)整為3000 K,操作人員在實(shí)踐操作中，還是感覺有點(diǎn)白，沒有以前高壓鈉燈光舒適，因此，在試裝產(chǎn)品LED光源中通過增加調(diào)配稀土橙色熒光粉和紅色熒光粉的配比，實(shí)現(xiàn)了LED燈具色溫在2300～2500 K范圍內(nèi)。

（2）顯色指數(shù)的選擇

傳統(tǒng)戶外照明用高壓鈉燈的顯色指數(shù)（Ra）在20左右，選用LED燈具是指 到40～70左右，操作人員感覺到夜晚看物體更清晰了。

眾所周知，太陽光為自然光照明，為380～780納米可見光的全光譜照明光，在LED光源封裝時，選用黃色YaG粉加藍(lán)光芯片發(fā)光的同時，增加稀土橙粉和稀土紅粉來補(bǔ)全白光LED光譜，使LED燈的發(fā)光主波在580～586納之間，看上去光色質(zhì)量非常接近黃昏時的太陽光，使操作人員長期在這種燈光下工作，不易產(chǎn)生視覺疲勞，更利于安全工作。

（4）光色坐標(biāo)的選擇

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)測試對比，光色坐標(biāo)選擇在2300～2500 K對應(yīng)的暖白光黑體軌跡周邊，光顏色比較自然，看物體比較清楚，人眼沒有不舒適感。

（5）亮度的選擇

對照港口碼頭的照明要求，在改裝和示范LED燈具照明后，亮度普遍提高了20～50%左右。

（6）照度的選擇

對于港口碼頭的照明照度值，選擇的替代原則是實(shí)現(xiàn)節(jié)能目地的同時，現(xiàn)場照度值要達(dá)到和超過原有高壓鈉燈照度值，且要高于相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)30%以上。本項(xiàng)目改裝后，測試數(shù)據(jù)已驗(yàn)證照度有所提高完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值。

（7）亮度均勻度的選擇

通過合理的配光設(shè)計，使高桿照明燈和港機(jī)照明燈的亮度均勻度均控制在0.5～0.9的范圍之內(nèi)，完全達(dá)到和超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（8）環(huán)境比的選擇

通過LED燈具透鏡的合理配光和光通量的分配，始終保持照明工作場所的周邊10 m內(nèi)的照度值在工作場所照度值0.5～0.8的范圍，使操作人員和司乘人員，不但能看清工作面上的物體，還能看得見周邊環(huán)境情況，增加了工作的安全性。

5 雨霧天適用性采取的措施

在雨霧天LED燈光使用后天空中白茫茫，地面上看不見一直是困擾LED燈替代高桿燈和港機(jī)燈的行業(yè)難題，許多專家、學(xué)者對此研究，并未有突破性進(jìn)展，在試裝和示范過程中，研究發(fā)現(xiàn)4000～6500 K的白光LED燈在雨霧天確實(shí)是光下不來，而改用色溫越低的燈，地面可見度越高，但實(shí)測數(shù)據(jù)表明，低色溫的燈，其地面照度并沒有明顯提高，但看物體的可見度提高了。通過多次試驗(yàn)得到結(jié)論，光的穿透力與光的波長無關(guān)，但其雨霧天的可見度與光的顏色有關(guān)，低色溫，黃色光的LED燈光在雨霧天更容易看清被照物和周邊環(huán)境。因此在港口照明上選用2300～2500 K，主波長在580～586納米的暖黃光，其“透雨、透霧能力”達(dá)到和超過原有的高壓鈉燈。

6 解決光衰采取的措施

本項(xiàng)目使用的LED燈具在照度設(shè)計在高于港口行業(yè)照明標(biāo)準(zhǔn)值的30～80%之間，但港口惡劣的使用環(huán)境，如何確保十年內(nèi)LED燈具的光衰小于30%，也成了技術(shù)組的重點(diǎn)工作。LED燈具的光衰減由LED芯片、封裝材料、散熱材料和透鏡配光材料以工作環(huán)境，溫度所決定的，為解決光衰減問題，技術(shù)組從LED芯片原料著手，選用美國普瑞45 mil大功率芯片，并控制其工作電流在320 mA之內(nèi)，使其內(nèi)部熱量得以控制，同時，使用美國英特美公司的高可靠性熒光粉，盡可能不使用氮化物熒光粉，并選用道康寧硅膠進(jìn)行封裝，淘汰掉樹脂膠，首先從LED光源材料上確保十年品質(zhì)。其次，在散熱材料上選用高導(dǎo)熱航天級稀土鋁合金壓鑄材料，增加其導(dǎo)熱性，使壓鑄材料的導(dǎo)熱系數(shù)從原來的100左右提高到200～230左右，導(dǎo)熱能力提高一倍，在散熱結(jié)構(gòu)上，通過加大散熱面積和散熱孔設(shè)計，使空氣在LED燈內(nèi)形成對流，增強(qiáng)散熱功能，始終使LED光源的工作溫度控制在65℃以下的范圍內(nèi)，在配光透鏡的材料選擇上，技術(shù)組拼棄了PC，PMMA等樹脂配光透鏡材料，而選用光學(xué)，石英玻璃透鏡材料，徹底克服了PC，PMMA樹脂材料，黃化，老化引起的光衰問題，通過以上材料和技術(shù)手段的解決，相關(guān)產(chǎn)品送國家電光源中心檢測，1萬小時光通維持率在96%左右，經(jīng)過現(xiàn)場試裝，示范實(shí)測驗(yàn)證，工作近一年的LED燈其光衰在1%左右，基本保證實(shí)現(xiàn)十年光衰小于30%的光照度維持率目標(biāo)。

7 延長燈具壽命采取的措施

為盡可能地延長LED燈的使用壽命，技術(shù)工作組從LED燈具的整體確保十年壽命設(shè)計入手，選擇LED光源和LED電源，以及密封件，配光透鏡和連接件。首先在LED光源用材上，按照正常工作10萬h的要求進(jìn)行選擇，LED電源上按照軍工標(biāo)準(zhǔn)，選擇正常工作大于8萬h的材料進(jìn)行物料選擇，確保LED光源和LED電源，工作5萬h內(nèi)年故障率低于2%。在密封材料上，選擇上拼棄橡膠密封件，而選用耐高溫，高濕，耐腐蝕和抗紫外照射，抗硫化變質(zhì)的硅膠材料制作，其他連接材料均用不銹鋼螺絲制作，通過以上材料的選擇，確保LED整燈的設(shè)計壽命達(dá)到10萬h，工作壽命大于5萬h，基本能實(shí)現(xiàn)LED燈具10 a工作壽命期內(nèi)年故障率低于2%的目標(biāo)。

8 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）穿孔散熱一體化燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新

選用上海國瑞環(huán)保提供的集成大功率LED燈，通過燈殼過孔散熱整體設(shè)計，解決了散熱問題，抗震問題，防臺風(fēng)問題和防腐蝕，鹽霧以及紫外線照射等許多LED照明行業(yè)難題，并實(shí)現(xiàn)了LED燈具的自潔功能。

（2）高效高品質(zhì)電源設(shè)計

選用高效電源并增加防觸電，防電磁干擾，防雷擊，防大電流沖擊，防電壓波動和防高次諧波干擾等電路設(shè)計，解決了行業(yè)LED電源經(jīng)常出現(xiàn)故障滅燈的難題。

（3）LED低色溫黃光能增加被照場所可視度的發(fā)現(xiàn)，解決了LED燈光“穿透力”不夠的行業(yè)難題。

（4）高效，低光衰LED集成光源材料和封裝工藝的確定，為高效低光衰LED照明提供了可靠的LED光源支撐。

（5）光學(xué)級石英霧化玻璃透鏡的創(chuàng)新，減少了眩光和光污染，同時在一定程度上減了一個LED燈具光衰的關(guān)鍵點(diǎn)，為以后大功率LED照明配光提供了借鑒。

9 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

項(xiàng)目投入改造了1 209盞1 000 W高壓鈉燈，1008盞輪胎吊原400 W高壓鈉燈。年節(jié)約用電334.05萬kWh折算年節(jié)約標(biāo)煤1 002.15 t，減少CO2排放3 330.47 t，取得良好經(jīng)濟(jì)效益的同時也取得了節(jié)能減排的良好社會效益。

Research and Demonstration Application of LED Lamps in Accordance with Port Lighting Characteristics

Bo Haihu, Yuan Rongling
Shanghai International Port (Group) Co.,Ltd Zhendong Container Branch
Weng Caixia, Wang Kun
Shanghai Gecos Environmental Protection Technology Co.,Ltd

Abstract:LED lamps are green, environmental protection, save and energy-saving lamps, which have been developed rapidly in recent years.LED lamps performance has to meet very high request according to special port environment.It introduces several technological measures of LED lamps to meet special port environment.It also puts forward energy-saving and environmental protection after taking related measures.

Key words:Port, LED, Lighting, Energy-Saving

[作者簡介]

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.03.007

薄海虎：（1963-），男，副總經(jīng)理，高工，主要從事港口的技術(shù)站務(wù)管理工作。