大功率LED在廠房照明中的應用分析

李江 馬傳豹 何濤 王璐

(中船重工集團有限公司連云港杰瑞電子有限公司，連云港 222006)

1 引言

我國能源形勢趨向緊張，能源短缺給工礦企業帶來巨大的沖擊。工礦企業走節能之路是大勢所趨。企業有20%以上的節能潛力，由于缺乏節能改造資金和節能咨詢服務，沉重的能耗費用使企業的成本大大提高，不但使電力供應緊張，同時污染了我們的生存環境。

大功率LED被稱為第四代照明光源和綠色照明光源，具有節能、環保、高效、長壽命等優點［1］。隨著大功率 LED光效的不斷提高，大功率LED已經漸漸進入通用照明領域，而且其優勢越來越明顯。

2 廠房照明的要求

工礦作業一般都有場所廣闊和全日作業的特點，照明系統規模龐大且運營時間長，必須引入日光作為系統的組成部分，籍以降低能耗、調節光色、提高色彩還原能力。

工廠照明設計質量的好壞主要從以下幾方面衡量［2］:

(2)視野內亮度分布是否合理;

(3)光源的光色和顯色性能是否良好;

(4)燈具的技術經濟指標和節能指標是否最優;

(5)燈具的維護周期是否夠長。

以上幾方面，(1)、(2)、(3)主要取決于光學系統的設計、燈具的排布、照明方式、廠房的高度與用途以及被照表面的材料特性等。(4)、(5)受到節能光源的選擇以及光源驅動電路、散熱設計等幾方面的綜合影響。

3 大功率LED廠房燈的關鍵應用技術

3.1 二次光學系統的設計

大功率LED應用于不同種類的廠房照明，要達到標準中規定的照度要求不僅要根據LED燈具的特性計算燈具的系統功率而且要通過二次光學設計配置燈具的發光角度以適應不同高度廠房的照明要求(見表1)。在高大的廠房，需要配置窄角度的光源。而低矮的廠房，可以配置寬角度的光源。表1比較形象的描述了不同高度的廠房所需的燈具配光曲線以及燈具排布的最大間隔限度。

3.2 散熱設計

高效的散熱系統能夠保證LED廠房燈穩定可靠工作。LED照明產品在電能轉化為光能的同時還會產生較多的熱量，如果不能及時很好的解決散熱問題，會導致管芯溫度過高，引起LED光衰，嚴重影響產品的性能，因此任何LED產品散熱問題是首先應該考慮和解決的問題。

玉璧置于墓主人右臂部位，估計墓主人祭天時是用右手握住玉璧的。琮既可置于墓主人的左肩上方，又可置于墓主人右手部位，可見琮左右手均可，但因為璧為右手用，所以，琮主要還是左手用。

為了解決LED廠房燈的散熱問題。首先，要考慮散熱材料的選擇，從理論上講，散熱器的熱傳導系數越高、熱阻越小，散熱面積越大則散熱效果越好，但同時還需要兼顧到材料的機械性能與價格。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導系數較高、密度小、價格低而被廣泛使用，但由于純鋁硬度較小，在各種應用領域中通常會摻加各種配方材料制成鋁合金，為此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片的首選。AA6061與AA6063具有不錯的熱傳導能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12適合于壓鑄成形，但熱傳導系數較低，因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替，可惜加工機械性能方面不及ADC12。AA1050則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細薄的鰭片。LED廠房燈殼體多采取擠壓成型的方式，建議采用6063或6061作為殼體材料。

表1 不同角度的LED廠房燈所對應的廠房高度［3］

其次，要考慮散熱片的設計和面積的計算，散熱片加工中被廣為采用空冷散熱器看起來似乎比較簡單，但為了達到最佳散熱性能，選用時要對功率損耗、散熱器寬度、長度和高度、散熱器厚度和間距、及環境條件等多個變量進行綜合考慮。為達到最佳實際效果，在具體應用中散熱器應根據不同的工作環境而作出相應的設計。LED廠房燈為一體成型，采用的是對流散熱的方式，通常根據如下對流散熱方程來估算所需散熱面積。

式中Q表示LED芯片的功耗，A為散熱面積，△T表示LED結溫與環境溫度之差，h為自然對流時散熱器的綜合換熱系數，h的典型值為5W/(m2·℃)。

根據計算我們得出LED散熱所需的散熱面積約40cm2/W的散熱器。這只是理論推導值，實際燈具設計中考慮到廠房燈的應用場所較封閉，通常會乘以1.5的比例系數，大約為60cm2/W。對于150W的LED廠房燈具來說所需散熱面積約為9000cm2。

3.3 驅動電源的設計

LED廠房燈在散熱問題解決的基礎上，影響燈具使用壽命的主要因數就是燈具驅動電源的可靠性。一般廠房在大型設備開啟和關斷的過程中，會在電網上產生很大的電壓波動以及有害諧波。所以要求LED廠房燈的驅動電源不僅要具有較寬的電壓輸入范圍還要能夠忍受有害諧波對電源本身的損害。

總之，只有解決了光學設計、散熱設計以及驅動電源設計這三方面關鍵問題，才能保證大功率LED應用于廠房照明以及燈具的長壽命。

我們于2009年下半年研發設計了一款150W LED廠房燈。目前該款燈具已經在相關工程項目中大量使用。燈具安裝后照明效果良好。在將近一年的使用過程中，幾乎沒有出現損壞和光衰等現象。

4 大功率LED應用于廠房照明的可行性分析

工廠包括的范圍很廣，從基礎工業的巨大廠房到精細的顯微電子工業的超凈車間。根據視覺功效的研究，對比敏感度的變化是亮度 (照度)的函數，在達到某一對比敏感度值以前，增加亮度對于提高對比敏感度是很有效的［2］。當照度由50lx提高到200lx時，在工傷事故次數、差錯件數和由于疲勞而缺勤的次數會明顯降低。一般的照明規范由于要求的視覺功效水平不同，所以在實際使用中，關于工業生產所需的照度差別較大。我國《建筑照明設計標準》中明確規定了各類生產車間工作面(0.75m水平面)上的平均照度值。

4.1 LED應用于廠房照明的照度水平

無論是采用傳統光源還是LED，照度值都是最主要的指標。目前，我國廠房的高度以及所采用的傳統燈具如表2所示。

2010年重慶齒輪有限責任公司C區聯合廠房照明中的燈具項目就選用了150W的LED廠房燈來替換原設計中400W的金鹵燈。該廠房為風電裝配車間 (見圖1)，主要用來組裝大型風電設備。該廠房總面積為5萬平方米，高度為18米。燈具懸掛高度為15米，燈具安裝方式為6×6m等間距安裝。根據《建筑照明設計標準》中的相關規定，該廠房屬于大型機電、儀表裝配車間，車間的工作面平均照度值為200lx，可另加局部照明。

我們根據該廠房的特點并結合表1中對應15m高度的廠房燈的配光和排布進行了方案設計。燈具系統功率為150W，燈具的配光角為特狹照型，燈具以6×6m的等間距排布方式安裝在15m的高度。該排布方式滿足了表1中規定的燈具間隔最大限度為0.5h的基本要求。我們通過光學工程軟件對該方案進行了模擬 (見圖2)。軟件模擬的結果平均照度值達到了220lx(見圖3、4)，超過了一般照明200lx的要求。

圖1 重齒廠房LED照明效果

表2 國內廠房高度與所采用的傳統燈具

該項目于2010年二季度完成了燈具的安裝和調試工作。工程人員在燈具全部點亮的夜間環境下對工作面的照度值進行了實際測量，平均照度值＞200lx，均勻度 ＞0.7(見圖5)。

該工程案例的設計實現，驗證了大功率LED廠房燈完全可以滿足廠房一般照明的需要。該款LED廠房燈選用了德國OSRAM公司的大功率LED光源。發光效能＞100lm/W，而目前白光LED的光效早已達到了130lm/W，所以我們相信未來LED廠房燈的光效會有更大的提升空間。

圖2 燈具的排布圖和配光曲線圖

圖3 燈具的模擬等照度分布圖

4.2 LED廠房燈的發展方向

目前LED廠房燈的發展方向主要還是陣列排布式 (見圖6)與集成式 (見圖7)。陣列排布式的優點是:散熱好、光效高、壽命長。缺點是:體積和重量較大、與傳統廠房的安裝方式不同。集成式LED廠房燈的優點是:符合傳統廠房燈的外觀、重量輕、體積小。缺點是:散熱差、壽命短、光效低。所以，集成式LED廠房燈再如果不能很好地解決散熱問題，光效不能進一步提高，那么未來LED廠房燈的發展方向還主要是陣列的形式。但陣列形式的LED廠房燈也要積極尋找輕質的散熱材料來作為殼體解決其體積和重量偏大的突出問題。

圖4 燈具的模擬單點測試圖

圖5 燈具安裝后實際效果圖和局部現場測試數據

4.3 LED應用于廠房照明的經濟性

圖6 陣列式LED廠房燈

圖7 集成式LED廠房燈

節能省電是LED應用于照明領域的最大優勢，但LED燈具還是成本較高。省電不省錢成為了LED燈發展的最大障礙。但LED應用于廠房照明卻有其獨特的優勢。根據重慶齒輪有限責任公司C區聯合廠房中LED廠房燈的使用情況，我們對150W LED廠房燈與傳統400W金鹵燈進行粗略的對比，對比數據見表4。

可見LED應用于廠房照明尤其是用于新建廠房，3年就可以收回燈具的初期投入。而LED的正常使用壽命大于 ＞50000h。按每天工作10小時，LED廠房燈至少可以工作10年。而且還可以免去經常更換燈具所投入的人工費。

表4 LED與金鹵燈對比

從以上論述可以看出，用LED替代傳統光源應用于廠房照明是具有優勢并可行的。

5 結束語

在節能與環保被世人日漸重視的大背景下，半導體通用照明技術條件已日趨成熟，半導體比較通用廠房燈在多項因素上也更具優勢。現在LED光效越來越高，而且成本也在不斷降低。LED廠房燈在解決滿足廠房照明亮度需求和可靠性的基礎上，將會成為未來廠房燈的首選光源。

用LED進行廠房照明是一個新的領域，從技術上分析不存在大的瓶頸。而且從成功工程案例也可以看出，LED應用于廠房照明的成果和效果是明顯和喜人的。但目前還沒有專門針對LED廠房燈的相關標準的制定，所以日后對LED廠房燈功能性照明標準的制定我們要繼續進行的探討和研究。

［1］林怡，郝洛西．半導體光源照明在辦公室空間中的應用分析 ［J］．照明工程學報，2010，21(1):58～59

［2］俞麗華．電氣照明．上海:同濟大學出版社，2009.02，p192～195

［3］照明手冊 (日)．北京:科學出版社，2005.01，p322

［4］趙振民．實用照明工程設計．天津:天津大學出版社，2003.02，p126