◎ 廖琪學(xué) 北部灣大學(xué)

1.引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，LED燈已逐漸取代白熾燈等其他技術(shù)的光源，在各大生活場(chǎng)所應(yīng)用非常廣泛[1]。白熾燈作為船舶使用已久的燈具，容易損壞，壽命短，需要頻繁更換以保證正常使用，缺點(diǎn)已經(jīng)逐漸暴露出來(lái)。在對(duì)船舶航行燈進(jìn)行更換與維修時(shí)，需要高空作業(yè)，工作環(huán)境極其惡劣，觸及人身安全。故對(duì)船舶航行燈的優(yōu)化以減少故障次數(shù)，避免高空作業(yè)，提高維修人員安全。LED作為21世紀(jì)的綠色照明光源，與傳統(tǒng)光源相比，LED光源具有高效節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)、抗震、抗沖擊、防腐防爆、光效高、光線柔和等優(yōu)點(diǎn)[2]。這對(duì)于船舶航行燈的缺點(diǎn)有著互補(bǔ)的效果，能夠提高船舶在航行中的能見(jiàn)度，表示自身的動(dòng)態(tài)位置，從而保證航行中的安全，減少水上碰撞事故的發(fā)生。

2.傳統(tǒng)船舶航行燈

2.1 航行燈的種類(lèi)及分布

航行燈在船上種類(lèi)居多，且分布的位置也是各不相同，以下從種類(lèi)和分布地區(qū)去介紹：

1）桅燈是一種位于船首和船尾中線之上的一束光線，它在225°的水平弧度上顯示出不間斷的光線。顏色：白色。

2）舷燈是指在112.5°的水平弧線上，在右舷的綠色和左舷的紅色指示燈，并在112.5°的水平弧線中分別顯示。對(duì)于比20M短的船舶，其舷燈組合成一盞，并安裝在船頭和船尾的中心線上。顏色：左紅、右綠。

3）尾燈和拖曳燈是在最接近船尾位置的一盞白色的燈，在135°的水平弧線上顯示不間斷的燈。顏色：白色、黃色。

4）環(huán)形燈是一種不間斷的燈以360°水平弧形表示。顏色：紅色、黃色、綠色、白色。

5）閃光燈是指在一定時(shí)間內(nèi)每分鐘閃爍120次以上的燈。

2.2 航行燈的工作原理

航行燈主要是以白熾燈為主，它的發(fā)光體是螺旋形狀的，被稱為燈絲。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，燈絲被加熱到白熾度并發(fā)出光，這就是我們通常所說(shuō)的發(fā)熱致光。白熾燈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、瞬間點(diǎn)燃、光線可調(diào)、無(wú)頻閃、價(jià)格低廉。功率超過(guò)60W的燈泡充滿稀有氣體（惰性氣體），以減少鎢絲的蒸發(fā)并延長(zhǎng)其使用壽命?，F(xiàn)如今船舶航行燈，船舶信號(hào)燈和應(yīng)急照明燈都使用白熾燈。使用壽命一般為1000小時(shí)的白熾燈，可以承受較大波動(dòng)的電壓，但是長(zhǎng)期處于波動(dòng)較大的工作電壓下，使用壽命會(huì)縮短[3]；當(dāng)電壓增加5%時(shí)，使用壽命將縮短25%；當(dāng)電壓降低5%時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度會(huì)損失18%。燈頭有螺口式（E27等）、插入式（B22和P285等）。

3.LED燈發(fā)光原理及特點(diǎn)

3.1 LED發(fā)光原理

LED的全稱是Light Emitting Diode（發(fā)光二極管），是一種半導(dǎo)體元件。如圖1所示，其核心部分是P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的晶體，兩者之間會(huì)有一個(gè)交匯層，該層稱為PN結(jié)。LED光的顏色，取決多余的能量，而多余的能量是載流子多數(shù)與少數(shù)結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，利用這一特性，加反向電壓，少數(shù)載流子難以加入，所以此時(shí)不發(fā)光。在LED兩邊加上正向電壓時(shí)，電流從LED陽(yáng)極流向陰極，半導(dǎo)體會(huì)發(fā)生不同顏色的光線。電流的大小決定著光的強(qiáng)弱，電流越大那么發(fā)光越強(qiáng)[3]。

圖1 LED燈的組成結(jié)構(gòu)

3.2 LED燈應(yīng)用特點(diǎn)

1）光利用率高：在室內(nèi)照明方面，LED在光利用率和能源效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。比如在教室，傳統(tǒng)的照明燈管在教室存在很多缺點(diǎn)，尤其是光照范圍，大部分都反射到了其他地方，直照到桌面，黑板上少之又少。

2）光線柔和：傳統(tǒng)照明存在較大的眩暈效果，在長(zhǎng)期照明后，容易對(duì)視力產(chǎn)生影響，甚至?xí)?。而LED燈能很好地改變這些缺點(diǎn)，更好的發(fā)光強(qiáng)度，柔和的光線，更少的能耗，加上可控的燈光，很好地解決了傳統(tǒng)照明產(chǎn)生的問(wèn)題。

3）體積小，功率小：例如在醫(yī)院，為了達(dá)到應(yīng)急啟動(dòng)的需求，早期的手術(shù)臺(tái)上的無(wú)影燈，就以鹵素?zé)艉望u素?zé)艏由倭拷瘥u燈為主，但是功率高達(dá)2～3KW，且大部分都是用過(guò)熱輻射的形式進(jìn)行輻照，對(duì)醫(yī)生長(zhǎng)期烘烤會(huì)影響良好的手術(shù)狀態(tài)。在空間狹小但光源集中的環(huán)境，LED冷光源的出現(xiàn)解決上面問(wèn)題，改善了醫(yī)生在手術(shù)時(shí)環(huán)境，提高的工作條件，還可應(yīng)用于人體器官的內(nèi)窺鏡照明，是傳統(tǒng)照明無(wú)法達(dá)到的效果。

4）節(jié)能環(huán)保：在戶外照明方面，LED在光特性和節(jié)能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。比如城市照明中，在這個(gè)智能化的時(shí)代、道路照明、廣告牌、景觀照明等，對(duì)待不同的場(chǎng)景，LED的功能多樣性都能夠與之匹配，滿足照明系統(tǒng)需求，加上良好的可控性，亮度、范圍、顏色、光效等都能夠達(dá)到一個(gè)最佳狀態(tài)，節(jié)省能耗的同時(shí)，提高了城市的環(huán)保[4]。

4.傳統(tǒng)航行燈和LED燈對(duì)比分析

4.1 LED燈是否符合船舶航行燈的要求

4.1.1 規(guī)范要求

依據(jù)《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則公約》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)則》）對(duì)船舶航行燈要求，必須要保持最小發(fā)光強(qiáng)度，以確保在規(guī)定的可視距離處能被觀察到。而過(guò)度的光芒會(huì)影響駕駛?cè)藛T的瞭望，所以《規(guī)則》要求對(duì)船舶航行燈的最大發(fā)光強(qiáng)度予以限制，但未提出具體的數(shù)值，一般以超過(guò)規(guī)定的能見(jiàn)1n mile距離為宜。

4.1.2 物理?xiàng)l件

①發(fā)光強(qiáng)度。號(hào)燈的最低發(fā)光強(qiáng)度數(shù)值要求見(jiàn)表1。

表1 號(hào)燈規(guī)范

船舶的大小決定著航行燈的發(fā)光強(qiáng)度，照亮多少海里[5]。對(duì)號(hào)燈發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量，可以在暗室或海上進(jìn)行。一般在暗室內(nèi)測(cè)定，先用調(diào)壓器按額定電壓接通燈具，然后用照度計(jì)距離燈具1m遠(yuǎn)，并上下移動(dòng)各若干距離（一般以水平上下方各5°的角度為準(zhǔn)），即可測(cè)定出發(fā)光強(qiáng)度。蘇伊士運(yùn)河信號(hào)燈的發(fā)光強(qiáng)度是3×106cd。

號(hào)燈的最小發(fā)光強(qiáng)度通過(guò)公式計(jì)算得來(lái)［6］：

式中：

I為發(fā)光強(qiáng)度：在一個(gè)單位的角度內(nèi)，一個(gè)光源發(fā)出的光束稱為光強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱“光”。單位是新國(guó)際燭光（Candela）。

F為光通量：一種光源在一秒內(nèi)向各個(gè)方向發(fā)出的光能，單位是1m。

ω為立體角：從一個(gè)圓的半徑r上切下一個(gè)圓錐，這個(gè)圓錐的頂部是球的中心，底部是球的表面，這個(gè)錐形的內(nèi)部就是這個(gè)空間。

T為臨閾系數(shù):即人們所能感覺(jué)的最低照度稱為臨界系數(shù)，即低于這個(gè)照度人的視覺(jué)就看不見(jiàn)了。單位是勒克司（lx），公式中所指的

D為號(hào)燈的能見(jiàn)距離即號(hào)燈的照明距離,以海里（n mile）計(jì)算。

K為大氣透射率：光能在大氣中經(jīng)過(guò)一定的距離傳遞，由于媒質(zhì)的吸收、散射等原因而損失一部分，其剩余部分的光能與原數(shù)值之比即稱作大氣透射率。對(duì)于規(guī)定的號(hào)燈，K值應(yīng)為0.8，相當(dāng)于13n mile的氣象能見(jiàn)度。

以LED玉米燈舉例：LED玉米燈是LED燈具的一種，屬于光源類(lèi)，360°環(huán)繞發(fā)光，其形狀及燈珠分布如同玉米棒，稱為L(zhǎng)ED玉米燈。其設(shè)計(jì)成360°發(fā)光，其形狀如同玉米棒，特稱為L(zhǎng)ED玉米燈。燈體小巧，適合國(guó)內(nèi)船舶上的常用燈頭（E27燈頭，B22燈頭，E14燈頭），安裝簡(jiǎn)便；款式新潮，工藝精良，產(chǎn)品系列化。根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比，LED玉米燈的理論數(shù)據(jù)可以替代白熾燈。使用LED燈可以達(dá)到與白熾燈相同的光效。

②功耗要求。航行燈功率規(guī)格有65W、75W、60W、40W、25W。而桅燈、左右舷燈、尾燈，都是采用65W的白熾燈。相對(duì)于其他功率規(guī)格的燈，工作環(huán)境更加惡劣，要求的抗震性能更高，所以故障率會(huì)較高，在航行中經(jīng)常更換。因此以65W來(lái)對(duì)比LED的功率。

更換L E D 燈的前提是要符合1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則公約航行燈發(fā)光強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的功率。LED玉米燈發(fā)光強(qiáng)度符合要求，LED玉米燈的功率才25W就能與白熾燈的65W發(fā)出相同的發(fā)光強(qiáng)度。也就是說(shuō)如果更換成為L(zhǎng)ED玉米燈的話，一個(gè)燈位可以比以前省出40W的功率，這樣一來(lái)減少了對(duì)航行燈的發(fā)電量，減輕了發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，有更多的電量去服務(wù)其他設(shè)備。

4.2 船舶航行燈應(yīng)用于LED的優(yōu)勢(shì)

4.2.1 環(huán)保

LED作為二十一世紀(jì)的綠色光源，具有眾多優(yōu)點(diǎn)，其中節(jié)能環(huán)保是它所突出的亮點(diǎn)，再加它的發(fā)光材料使其成為綠色光源。根據(jù)有關(guān)資料介紹LED的最高發(fā)光效率可以達(dá)到370lm/W。在同樣的發(fā)光強(qiáng)度條件下，LED耗電量更低。同樣亮度和照明的LED照明的功耗僅為白熾燈的1/10[7]，是普通節(jié)能燈耗電量的1/4，把白熾燈換成LED可以在保證了發(fā)光強(qiáng)度的同時(shí)，還減少發(fā)電量，又節(jié)省了燃料，起到了很好的環(huán)保作用。

4.2.2 智能控制

傳統(tǒng)船舶航行燈的控制線路中，每一盞燈對(duì)應(yīng)著一個(gè)電流繼電器，燈泡在工作時(shí)繼電器會(huì)斷開(kāi)，當(dāng)有一路發(fā)生故障時(shí)，所對(duì)應(yīng)的繼電器會(huì)失電，然后開(kāi)關(guān)閉合，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警發(fā)出響聲。這樣的報(bào)警線路太過(guò)單一，而且不善于觀察每一盞燈的使用情況。

若把白熾燈更換為L(zhǎng)ED燈，則需要把報(bào)警線路一同更換。從工藝上來(lái)說(shuō)，LED照明光源是電子產(chǎn)品，是低電壓直流電為工作電流，非常適合電子智能控制。智能控制的主要目標(biāo)是監(jiān)控航行燈的使用情況，縮短使用時(shí)間，節(jié)約能源，從而更好地控制航行燈，保障船舶安全航行。

5.結(jié)論與展望

（1）從光照強(qiáng)度的方面，在同等光效下，很明顯LED更有優(yōu)勢(shì)，LED燈有比白熾燈更小的功率，更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)置，再加上光線的柔和，且LED燈的使用壽命更加長(zhǎng)，還會(huì)大幅度地減少維修人員的維修任務(wù)，縮小了高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，減少安全事故的發(fā)生。

（2）在功率方面，LED的可調(diào)性，使得功率更低且多樣化，減小了所需功率，對(duì)航行燈的發(fā)電量就可以減小了，在緊急情況下不會(huì)占用太多電量，避免了在全船失電時(shí)沒(méi)有航行燈的危險(xiǎn)。

（3）從環(huán)保的角度，LED作為二十一世紀(jì)的綠色光源，在這個(gè)方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在節(jié)能環(huán)保上更是突出，小功率，同光效。

同時(shí)LED的缺點(diǎn)也比較明顯，目前在國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，受到了很多制約因素的影響，尤其是散熱的影響比較大，對(duì)電氣技術(shù)人員的水平提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

隨著科技的發(fā)展，已經(jīng)有少部分船舶采用LED作為船舶航行燈去使用，但是大部分依舊沿用白熾燈，而白熾燈的缺點(diǎn)會(huì)隨著使用時(shí)間的增加更加凸顯出來(lái)。綜上所述，LED作為新一代的綠色燈源還有更大的進(jìn)步空間，相信在不久的將來(lái)，LED能夠完全代替白熾燈將作為船舶航行燈出現(xiàn)在大眾的視野。