淺談白光LED在未來海洋平臺照明中的應用

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.南陽二機石油裝備 (集團)有限公司，南陽 473000)

1 引言

LED(Light Emitting Diode)即發光二極管，它的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片 (PN結)，當對PN結加正向電壓時，半導體中的載流子發生復合，釋放出過剩的能量引起光子發射而產生可見光，把電能直接轉化為光能。上世紀60年代，基于半導體這種發光原理，研制出了世界上第一個紅光LED。近十多年來，隨著半導體制造工藝的不斷進步和各種新材料的開發和應用，各種顏色高亮度LED取得了突破性進展，其發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)的誕生，是LED發展史上一個重大的里程碑。由于白光LED光線接近日光，能較好的反映物體的真實顏色，從而其作為一種全新的照明光源成為可能。

與傳統的照明光源相比，白光LED具有光效高(90%的電能轉化為可見光)、發熱量低 (沒有熱輻射)、壽命長 (平均使用壽命為5萬 ～10萬小時)、綠色環保 (燈具中不含汞、鈉等有害金屬元素，容易回收)等特點。LED作為一種固態光源，無燈頭和燈座連接機構，發光二極管牢靠固定在燈板上，耐振、耐沖擊、不易破碎。單體驅動電壓低，電流小，啟動時間短，無頻閃現象，不存在啟動延時問題，其在照明市場的發展值得期待。

目前，大功率白光LED在實驗室光效已突破100 lm/W，并已逐步應用到商業領域。隨著市場的需求和人類對于LED照明能夠早日推廣到通用照明領域的渴望，促使大功率白光LED技術迅速發展，不久的將來，LED光效將會達到或突破200 lm/W，超過目前光效最高的氣體放電光源。在全球性能源危機日漸加劇，環境壓力越來越大的情況下，LED作為新一代的綠色照明光源所獨有的節能、環保、安全、長壽等優點，開辟了照明領域節能環保新途徑。

2 海洋平臺照明系統分析

照明光源的選擇要考慮到光源的光效、顯色性、壽命、啟動及再啟動時間等特性指標，以及周圍環境對光源要求等。近年來，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、不銹蝕等優點，已經取代傳統白熾燈等照明光源，已經被廣泛應用于城市道路、高速公路、機場、廣場、工礦業等場所照明。

海洋平臺是海洋油氣資源開發的基礎性設施，是海上生產作業和生活的基地。由于海洋平臺空間狹小，各種生產設備布置的空間極為緊湊，生產和作業人員集中，在照明光源的選用上應以安全、高效、經濟為原則。

1)安全，海洋平臺在油氣開采和油氣處理過程中，會產生大量易燃、易爆氣體，特別是在人員和設備如此集中的場所，如何防止照明燈具事故性爆炸的發生已經成為十分重要的課題。由于照明燈具在啟動或工作時，會產生電火花或形成熾熱的表面，一旦遇到易爆炸性氣體，就會導致爆炸，直接危及整個平臺生產及生產、作業人員的生命安全。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、耗能低的光源。

為確保海洋平臺油氣生產的安全，目前平臺甲板照明設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，對特定區域為滿足作業要求，采用局部照明方式以提高作業區域照度，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也存在一些不足:

1)光能利用效率低，光源發出的光線必須經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)由于海洋平臺所處的環境惡劣，海上大風加上平臺上各種設備在運轉過程中所產生的振動。燈絲在熾熱的工作環境下強度很低，震動會大大縮短燈泡的使用壽命，造成燈絲斷裂、燈泡松動，嚴重時將與燈座脫離;

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，損壞后無法全部回收，對環境造成污染。

2.1 光源光效分析

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

圖1 海洋平臺照明

對于LED而言，光能輻射為單向，LED在封裝時，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，光線可以不經過反射直接照射到指定區域。由于LED燈是由非常多的LED組成，通過設計每個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，無需過濾可直接發出可見光，光源利用率高達90%。

圖2 發光角度對比

2.2 平均照度分析

以渤海某平臺主甲板照明系統為例 (圖3)，照明燈具采用G.E.公司生產的高壓鈉燈 (250W，11只)和節能熒光燈 (36W×2，16只)，熒光燈作為輔助照明光源，用其來改善平臺照明光色，假設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 某平臺主甲板燈具布置圖

式中 Ф——光源光通量

N—— 燈具數量

CU——利用系數(0.38)

MF——維護系數(0.7～0.8)

A——甲板面積 (25×40m)

實驗研究表明，人的視網膜視覺細胞對白天視覺 (明視覺，環境亮度 ＞10cd/m2)和夜間視覺(暗視覺，環境亮度＜0.01cd/m2)感覺不同。對于相同的光譜分布，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 (儀器測量)，LED路燈比高壓鈉燈亮2.5倍，即要達到同等的亮度，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 光效對比

綜合考慮其他因素對白光LED的影響，現采用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 平臺照明模擬圖 (高壓鈉燈，色溫2000K)

2.3 顯色指數 (Ra)

圖7 平臺照明模擬圖 (LED，色溫6500K)

LED光源顯色指數高達90，接近日光，無眩光現象，而高壓鈉燈顯色指數僅為20～30，遠遠低于LED燈。高的顯色指數Ra(色溫≥5000K時)能更大的反映物體本來的顏色，使被照物體層次更分明，表現更逼真，能更好的分辨出物體的細節，特別是夜間移動的物體，同時可以減輕施工人員眼睛的疲勞感，增加舒適度和安全度。例如平臺夜間進行吊裝作業時，高的顯色指數能更好的使吊裝作業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的安全性。

2.4 發電機負載影響

高壓鈉燈、熒光燈是一種高強度氣體放電燈泡，由于氣體放電燈泡的負阻特性，這類光源在工作時需要鎮流器的配合。大量鎮流器的使用不僅增加發電機負載，同時使配電系統無功功率增加，降低發電機有功功率的輸出。采用LED作為照明光源，不僅能減小發電機負載，提高整個平臺照明配電系統效率，還可以節省工程項目投資，增強平臺配電系統的安全性。

3 LED平臺照明節能分析

以目前平臺甲板所用的照明燈具與白光LED燈進行節能分析，綜合上面對平均照度的分析，現用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

由于海洋平臺是特殊的工作場所，平臺燈具照明時間一般為24小時/天，費用按1元/度計算:

采用LED作為平臺照明光源，每年可節約電費34萬元，耗能僅為傳統照明光源的36%。事實上供電電壓波動對鈉燈的功耗有著很大的影響，當電源電壓達到250V時，其功率增加近一倍，消耗的功率要遠大于額定功耗，在這種情況下，鈉燈的使用壽命也將會大幅衰減 (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，考慮功率波動的影響，LED實際能耗僅為鈉燈的25%～30%，這也是LED比高壓鈉燈節能的另一個重要原因。

表2 前期投入費用

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光源最大優點是可以根據實際需要進行設計，實際需要多少功率就配備多大功率，從而最大限度的節約能耗，消除電能過度浪費現象。

3.3 后期運營費用

LED前期一次性投入較大，一旦投入使用，后期運營維護成本低，燈具使用壽命時間長，不用經常更換。與LED相比，高壓鈉燈一年的光衰就高達60%，其實際壽命也只有額定壽命的30%～40%，按年20%更換率進行更換，運營費用見表4。

表4 后期運營成本

從上述表中對比可以看出，白光LED替代傳統高壓鈉燈，在前期成本投入費用方面不占優勢，但是在后期運營、維護收益較大。一旦投入使用后，2～3年便可收回投入成本。

4 白光LED照明技術應用展望

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，海洋油氣開發取得了長足發展，目前，海洋石油產量約占全球總產量的35%，海洋天然氣產量約占全球總產量的25%。據專家估計，到本世紀中期，海洋油氣產量有望超過陸地，海洋將成為支撐全球能源、化學等工業部門的主要油氣來源。

海上石油鉆采平臺是海上油氣田開發的主要生產設施，隨著人類對海洋油氣資源開發力度的加大，越來越多的鉆采平臺將會投入到油氣開采之中。日前，平臺照明系統大都采用傳統照明設備，若采用新型大功率白光LED替代傳統的照明設備，每年可節省上億元費用，可見LED在未來海洋平臺照明系統有著廣闊的發展空間。

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