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        發(fā)電廠設(shè)計采用LED照明的探討

        2013-10-08 07:28:18陳海華
        浙江電力 2013年9期
        關(guān)鍵詞:熒光燈發(fā)電廠燈具

        陳海華

        (福建省電力勘測設(shè)計院,福州 350003)

        節(jié)能是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針,發(fā)電廠要實現(xiàn)這一目標(biāo),減少廠用電率是有效的方法之一。據(jù)以往工程經(jīng)驗分析,照明負荷占廠用電總負荷的1%~2%,一個大型發(fā)電廠年照明用電量可達千萬kWh,存在較大的節(jié)能空間,可以采用目前節(jié)能性較好的LED照明,達到節(jié)約照明用電的目的。

        1 LED的特點

        1.1 LED的優(yōu)點

        LED即發(fā)光二極管,是一種直接把電能轉(zhuǎn)化為光的固態(tài)半導(dǎo)體器件,是現(xiàn)階段發(fā)展最快的新型固體光源。相對于傳統(tǒng)光源,LED主要有以下幾方面的優(yōu)勢。

        (1)理論發(fā)光效率高,節(jié)能效果好。LED光源可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光能,且其光譜中沒有紫外線和紅外線,大部分為可見光,理論發(fā)光效率優(yōu)于傳統(tǒng)燈具,發(fā)光效能已超過200 lm/W。

        (2)光線能量集中,指向性好,亮度衰減小。LED為單向輻射,封裝時裝上不同折射角的透鏡,可以實現(xiàn)定向照明,燈具利用系數(shù)可達0.8~0.9。

        (3)光源本身發(fā)熱量小。由于LED光譜中不含紅外線,溫升較小,可以安全觸摸。

        (4)允許輸入電壓的范圍寬,可在安全電壓下工作。LED一般通過直流點亮,單個大功率LED工作電壓僅為3.2 V,選擇輸入電壓時比較靈活。

        (5)結(jié)構(gòu)性能好。LED體積小且為環(huán)氧樹脂包裹結(jié)構(gòu),燈管內(nèi)無須抽真空及注入惰性氣體,有良好的抗振性及抗沖擊性,不易破碎。

        (6)顯色性較好,無頻閃,啟動時間短。白色LED光源顯色指數(shù)可以達到75~80,響應(yīng)時間非???,在μs級別。

        (7)照明組合方式靈活,可控性好。LED是電流型控制器件,其光電轉(zhuǎn)化時間很短,在額定參數(shù)范圍內(nèi),只要控制不同的電流,就可以瞬間得到不同的亮度。

        (8)LED光源壽命長,綠色環(huán)保性好。半導(dǎo)體器件PN結(jié)的理論壽命可達到106h,且LED為全固態(tài)發(fā)光體,不含汞等有害元素,廢棄物可回收,對環(huán)境無污染,屬于典型的綠色照明光源。

        1.2 現(xiàn)階段LED的不足

        隨著LED性能的不斷提高,其應(yīng)用也越來越廣泛,但現(xiàn)階段來看,也存在著一些不足,主要有以下幾點。

        (1)實際產(chǎn)品發(fā)光效率與理論值有較大的差距。目前實際產(chǎn)品的發(fā)光效率普遍在100 lm/W以下,且功率越小效率越低。

        (2)眩光問題比較明顯。由于LED出光為伯朗型分布,大多情況下直接使用難以滿足照明要求,且其定向輸出特征更容易產(chǎn)生眩光,目前二次配光設(shè)計正在逐步完善中。

        (3)光電綜合轉(zhuǎn)換能力有待提高,散熱問題比較突出。LED芯片工作時所加的電能僅30%左右會被轉(zhuǎn)換成光能,其余會被轉(zhuǎn)換成熱能以傳導(dǎo)的方式散發(fā)出去,散熱不良會導(dǎo)致LED光輸出能力降低,芯片加快老化,縮短器件壽命。

        (4)LED的穿透能力較弱,色溫仍在較高區(qū)間。根據(jù)瑞利散射和米德拜散射的使用范圍,小于可見光波長的顆粒散射與波長有關(guān),而白光的波長比黃光短,因此LED的穿透能力不如高壓鈉燈。

        (5)驅(qū)動裝置等附屬件的壽命影響了LED的整體使用壽命。恒流性驅(qū)動裝置具有防浪涌、防沖擊和防過熱等多項保護功能,增加了電路的元器件數(shù)量,從而降低了可靠性,減少了使用壽命。

        (6)抗雷電及強電磁場干擾能力不足。由于雷電形成的廣譜無線電波所產(chǎn)生的共模干擾,對地可以達到上千伏,很容易擊穿驅(qū)動電路內(nèi)的接地電容或較小的對地間隙,從而造成驅(qū)動電路的損壞。

        (7)價格過高,性價比須詳細論證。成本高是LED推廣應(yīng)用不可回避的問題,一次性投入較大是影響LED照明普及的重要原因。

        (8)缺乏有效的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)間離散性大。2009年12月我國發(fā)布了LED系列標(biāo)準(zhǔn),但目前各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品性能離散性大,產(chǎn)品升級換代速度很快,兼容性不好。

        2 在發(fā)電廠照明設(shè)計中采用LED的可行性分析

        2.1 發(fā)電廠環(huán)境對照明的要求

        發(fā)電廠的工作環(huán)境復(fù)雜多樣,典型特征有潮濕、多塵、高溫、振動和擺動較大等,根據(jù)工作場所的不同照明要求,照明方式分為混合照明、一般照明和局部照明3種。根據(jù)工作場所的照明不同性質(zhì),分為正常照明、應(yīng)急照明、警衛(wèi)照明和障礙照明等。照明器具應(yīng)根據(jù)工作場所的環(huán)境條件,選擇防潮、防塵、防腐蝕、防爆或加裝防護措施等類型的燈具。

        近年來,LED已應(yīng)用于一些大型工程,如北京奧運會、上海世博園等。但在工業(yè)照明領(lǐng)域中,尚沒有大面積使用的報告,在發(fā)電廠照明中采用LED更是一個新興的課題,因此需要展開可行性分析。

        2.2 對發(fā)電廠運行環(huán)境的適應(yīng)性

        (1)防水性。LED采用環(huán)氧樹脂包裹結(jié)構(gòu),屬于固態(tài)照明光源,防水性能良好,且由于發(fā)熱小,燈具整體在進行防水設(shè)計時不會受到發(fā)熱的限制,比較容易實現(xiàn)較高的防護等級。

        (2)防塵性。盡管LED密封性能好,但在多塵環(huán)境中長期使用后,散熱裝置由于積灰使散熱能力將大打折扣,從而使LED的光效大幅下降,使用壽命減少。

        (3)耐高溫性。LED芯片的壽命及光輸出百分比隨著PN結(jié)溫的升高而減少,同時會產(chǎn)生光譜移動、色溫升高、熱應(yīng)力增高、熒光粉環(huán)氧樹脂加速老化等危害。而處于高溫的環(huán)境下,PN結(jié)的熱量無法順暢排出,耐高溫性低下。

        (4)防腐蝕性。燈具的防腐蝕性結(jié)構(gòu)會降低燈具散熱裝置的散熱作用,需要兼顧材料的散熱性和防腐性。目前尚未有實際工程的應(yīng)用,也沒有看到相關(guān)的分析研究,因此LED應(yīng)用在腐蝕性場和宜謹慎。

        (5)抗振動性。LED屬于固體照明光源,采用的是環(huán)氧樹脂包裹結(jié)構(gòu),其抗振動性優(yōu)良。

        (6)防爆性。由于LED的發(fā)熱量低,工作溫度大大低于傳統(tǒng)光源,屬于可觸摸型,對爆炸性環(huán)境的影響較小。此外,LED本身為固體密封結(jié)構(gòu),也不宜受到爆炸性環(huán)境的影響。

        (7)安全性。LED不添加危害健康的元素,且本身屬于固體結(jié)構(gòu),既使燈具脫落甚至破碎,對人身和環(huán)境造成的影響也都較小,故其安全性能優(yōu)良。

        (8)耐高場強性。LED屬于電子發(fā)光元件,在高場強環(huán)境中不但工作性能會打折扣,而且使用壽命也會大大減少,因此,需要做好燈具的屏蔽措施。由于尚未對該方面展開相關(guān)的設(shè)計研究,考慮其耐高場強性能較差。

        綜合以上的分析,發(fā)電廠典型運行環(huán)境中LED的適應(yīng)性如表1所示。

        表1 LED的適應(yīng)性

        3 LED應(yīng)用于發(fā)電廠照明的技術(shù)性能分析

        3.1 對發(fā)電廠照明控制方式的適應(yīng)性

        發(fā)電廠照明控制方式,根據(jù)不同場合有:調(diào)光控制、頻繁開關(guān)、常明不滅及偶爾開關(guān)4大類。傳統(tǒng)燈具中:鈉燈和汞燈的點亮?xí)r間長,調(diào)光幅度??;熒光燈調(diào)光光效低,對電網(wǎng)會造成高次諧波干擾;白熾燈由于能耗太大,已經(jīng)漸漸退出實際應(yīng)用領(lǐng)域。相比之下,LED對發(fā)電廠照明控制方式的適應(yīng)性很強,特別是在事故照明的切換中,可以克服傳統(tǒng)光源的缺點,實現(xiàn)不間斷切換。

        3.2 照明性能的適應(yīng)性

        由于發(fā)電廠照明環(huán)境復(fù)雜,不同的工作環(huán)境,對照度、色溫、眩光、顯色性、方向性和穿透性有著不同的要求,LED與傳統(tǒng)光源的照明性能對比見表2。

        (1)LED的光效與熒光燈相比并不高,甚至還低于高壓鈉燈,因此在需要高照度的區(qū)域,沒有明顯的優(yōu)勢。

        (2)LED的色溫較高,可以讓人感覺清醒,但長時間也容易引起視覺疲勞,因此比較適合用于廠房等運行人員不會長期停留的區(qū)域。

        (3)由于LED的眩光性較強,當(dāng)使用于控制間時就要特別注意燈具的二次配光,以及照明燈具的布置。

        (4)發(fā)電廠各生產(chǎn)車間和工作場所的顯色指數(shù)要求一般小于80,LED適用。

        (5)在局部照明場合,LED的高指向性就比較有優(yōu)勢,即可以提高能源的利用率,也可以避免光污染。

        (6)由于LED的穿透能力較弱,在多粉塵車間或室外等場合,其性能不如高壓鈉燈。

        綜上所述,就目前LED的發(fā)展階段來看,相對于傳統(tǒng)光源,在照明性能方面并沒有很明顯的優(yōu)勢。

        4 LED應(yīng)用于發(fā)電廠照明的經(jīng)濟性分析

        相對于白熾燈的1 000~2 000 h,熒光燈的8 000~15 000 h,高壓鈉燈的 20 000~28 000 h 的使用壽命,即使考慮到目前LED的驅(qū)動裝置設(shè)計和生產(chǎn)并不成熟,其壽命也可達50 000 h,遠遠高于傳統(tǒng)光源,這為LED應(yīng)用的良好經(jīng)濟性打下了基礎(chǔ)。

        為對比LED的經(jīng)濟性,本文從全壽命成本周期的角度合理取費,并計及資金的折算因素進行分析。以某工程的主控室方案為例,該主控室面積為120 m2,照度要求值為300 lx,工程使用壽命為30年。為方便分析,照明燈具按每年使用5 000 h,電費按0.7元/kWh,折現(xiàn)率按8%計算,工程采用熒光燈和LED燈2個方案進行分析對比見表3。

        表2 LED與傳統(tǒng)光源的照明性能對比

        表3 2個照明方案的經(jīng)濟性對比

        考慮到照明技術(shù)發(fā)展迅速,在工程壽命周期內(nèi),燈具性能和費用都可能發(fā)生變化,因此采用更合理的費用凈年值進行分析,熒光燈方案和LED方案的費用凈年值分別為1.424萬元以及1.309萬元,LED方案比熒光燈方案少0.116萬元。

        從以上分析可知,雖然LED的一次投資遠高于熒光燈,但從全壽命周期成本的角度出發(fā),LED要更優(yōu)一些。隨著LED的技術(shù)日漸成熟,LED的成本會進一步下降,發(fā)光效率及壽命能進一步提高,經(jīng)濟性將更加明顯。

        5 結(jié)語

        LED是新興的綠色照明光源,具有著節(jié)能、環(huán)保、利用率高、光污染少及壽命長等優(yōu)點,發(fā)電廠的生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多樣,對照明的要求相對也較高,加上目前LED過高的售價,在經(jīng)濟上沒有明顯優(yōu)勢,LED暫時還無法全面滿足發(fā)電廠照明的要求。然而,LED的發(fā)展前景樂觀,可以預(yù)見在不久的將來會成為工程照明的主流產(chǎn)品,現(xiàn)階段發(fā)電廠中也很有必要在一定范圍內(nèi)應(yīng)用,積累相關(guān)的經(jīng)驗,并將所遇到的問題反饋給燈具制造商,促使LED產(chǎn)品的不斷進步,為將來全面應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

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