LEDLED光源特点及其在水泥厂的应用

刘薇薇，李嘉

LEDLED光源特点及其在水泥厂的应用

刘薇薇，李嘉

LED（Light Emitting Diode）光源是一种近年来发展迅速的新型节能光源，它的发光原理与现有的几种传统光源完全不同。早期LED光源发光效率较低，多应用于仪器仪表的指示灯、信号灯等领域。随着这种新型光源技术的不断成熟和提高，国内已形成完整的LED光源产业链。LED光源正快速进入工业照明领域，并逐步替代传统的照明光源。了解LED光源的特点、性能及适用范围，对水泥厂照明节能设计十分重要。

1　LED光源的特点

LED是发光二极管的简称，是一种将电能转变成光能的半导体芯片。芯片由P型半导体和N型半导体组成PN结，当电流通过PN结时，电子与空穴复合释放过剩能量引起光子发射发光，发光颜色由PN结的半导体材料决定。LED灯具是利用LED的发光原理作为照明光源制造的新型灯具，一般由光源模块、电源模块、散热模块、配光模块等部分组成。

LED光源与传统光源有较大区别。白炽灯是利用金属钨丝电热辐射发光照明；气体放电灯是由气体和金属蒸气混合放电发光照明，是通过气体放电将电能转换为光的照明光源，荧光灯、高压钠灯和金属卤化物灯等都是气体放电灯；而LED光源是利用半导体发光二级管的电子发光照明，具有传统光源无法比拟的优势：

（1）LED光源光效高。光源发出的光通量除以光源功率称为光源的光效，单位为流明每瓦特（lm/W）。常用的荧光灯光效为70lm/W，金属卤化物灯光效为80lm/W，钠灯光效为90～130lm/W，而LED光源的光效实验室可达到200lm/W，目前商业化产品的LED灯具光效已经超过150lm/W，是目前所有发光材料中发光效率最高的。因此LED光源耗电低，比荧光灯节能50%以上。

（2）寿命长。因为LED光源本身是半导体器件，一般没有老化和烧断现象，频繁开关不会导致损坏，使用寿命可达5万小时以上，是荧光灯的10倍，可节约大量资源。

（3）环保无污染。LED是由无毒无污染材料制造，不含铅、汞等有害物质，对环境没有污染。同时LED可回收再利用，减少废弃灯具对环境的污染。

（4）响应速度快。LED光源没有传统光源的热惯性和余辉效应，点亮响应时间为纳秒级。

（5）坚固耐用。LED光源被固态封装在环氧树脂里面，结构中没有传统光源的玻璃、灯丝等容易损坏部件,因此耐震动、抗冲击、方便安装和运输。

2　LED灯在水泥厂的应用

（1）工厂室内照明

水泥厂室内照明主要是水泥厂内部高度＜6m的低空间室内照明，传统的水泥厂室内照明一般采用节能荧光灯，配合节能型电感镇流器的T8型直管荧光灯。随着LED照明技术的快速发展，LED光源的高光效和LED照明配光技术都有了突破性进展，现在的商品化T8型LED直型灯管已经是成熟产品，在替代T8直管荧光灯方面得到越来越多的应用。表1以水泥厂中控室的照明设计为例，采用各类荧光灯和LED灯的设计计算对比。

LPD（Lighting Power Density）照明功率密度是照明节能的重要评价指标，目前国际上很多国家都采用LPD作为节能评价的指标。我国的建筑照明设计标准规定了LPD限值，并根据照明产品和技术的发展趋势给出了LPD的目标值。目前国内很多省市的地方节能标准都将国家标准LPD的目标值作为限制值执行。LPD是照明设计是否符合节能要求的分界线，水泥厂中控室的照度要求为500lx，LPD限值为15W/m2，目标值为13.5W/m2。设计的LPD值不超过标准规定的LPD限值时，属于照明节能设计的“合格品”，低于或大大低于规定的LPD限值时，为“良品”或“优品”。所以从节能角度讲，设计时应力求降低LPD值，使照明节能设计达到“良品”或“优品”。从表1数据中可以看出，采用LED灯管时，与T8荧光灯灯管相比优势明显，相同功率时，LED灯管的光通量远远高于荧光灯。其LPD计算值为11～13W/m2，不仅达到目标值，且远优于LPD的目标值指标。

（2）高大厂房照明

水泥厂的工业厂房一般结构高大，灯具悬挂高，照明空间大，灯具数量较多，传统设计一般采用高压钠灯或金属卤化物灯。随着近几年LED光源光效和散热效果的不断提高，各种以LED光源制作的大功率工厂灯已经广泛应用。表2为以水泥厂生产车间厂房的照明设计为例，采用常用灯与LED灯的照度及LPD数据对比。

水泥厂主要车间的照度要求为100lx，LPD限值为4.0W/m2，目标值为3.5W/m2。对于高大厂房的照明设计，室形指数一般＜1，灯具安装高度较高，导致利用系数较低，LPD限值不易达到。虽然规范规定当房间或场所的室形指数值≤1时，其照明功率密度限值可以修正增加，但不能超过限值的20%，余量较小。从表2数据可以看出，对于高大厂房设计时采用LED灯具比采用钠灯和金卤灯更容易满足LPD的要求。与传统的高压钠灯和金属卤化物灯相比可节电50%～60%，在照度均匀性、色温舒适、显色指数方面也有很好的优势。使用LED灯具照明不仅可以改善厂房的照明环境，还可以大大提高能源利用率，大幅度降低能源损耗，减少维护工作量，节约运行维护成本，为工厂高效安全生产提供保障。LED灯具在工业厂房中的应用也得到了越来越多企业的认可。随着LED照明技术的迅猛发展，LED照明在工业厂房中必将得到广泛的应用。

（3）工厂道路照明

水泥厂的道路主要以行人和时速＜30km/h的车辆为主，在道路分类中属于次干路或支路，对照明要求不高。水泥厂的道路照度要求为10lx，LPD限值为0.6W/m2。表3为以水泥厂200m的照明计算为例，采用常用灯与LED灯的照度及LPD数据对比。

表1　室内照明的荧光灯与LED灯的照度及LPD数据对比

表2　高大厂房照明常用灯与LED灯的照度及LPD数据对比

从表3数据中可以看出，水泥厂道路照明采用LED光源时，照度和LPD值均可满足规范要求，可以代替传统高压钠灯，在节能上有较好优势。近年来，大功率LED路灯发展迅速，一些厂家的LED路灯产品配光设计比以前更加合理，散热设计也更加科学，整体灯具效能在不断提高。与传统光源路灯相比，性能优良的LED路灯在显色性、节能、响应速度以及调光控制等方面均有着突出优势。以LED代替传统的照明光源，可以更高效地实现道路照明。另外，LED路灯与太阳能、风能结合的应用也逐渐受到青睐。采用太阳能和风能电池、蓄电池及光控电路组成LED路灯，可根据感光智能控制，有效利用间歇的风能和太阳能。白天太阳能和风能电池板接收太阳辐射能和风能并转化为电能输出，经充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚由蓄电池供电照明，天黑时自动点亮，天亮时自动断电，可有效实现路灯的智能控制。我们曾在马来西亚某水泥厂的厂区道路照明中采用LED路灯，业主给予了较高的评价。

表3　水泥厂道路照明常用灯与LED灯的照度及LPD数据对比

3　注意事项

近年来，LED的发光效率在逐步提高，商品化灯具已达到较高水平，白色LED发光效率接近T5荧光灯管的水平，但在普及应用方面仍存在一些技术性问题。

（1）产品标准和检测。LED照明产业处于迅速发展的阶段，潜力巨大。国际电工委员会（IEC）和国际照明委员会（CIE）都非常关注LED的发展及相关LED器件的标准化工作。目前IEC和CIE已发布一些LED产品性能方面的国际标准，我国也在积极建立LED标准体系。近年来，我国相关标准化组织开展了大量标准化工作，一批LED照明产品标准相继发布，标志着我国LED产业发展开始进入标准化时期。但目前产品标准还不完善，一些产品质量得不到保证，导致市场无序竞争。LED照明产品的标准涉及电气安全、电磁兼容、光色要求、寿命要求等多方面。在设计选用和工厂应用时，应仔细查询产品标准，保证应用的产品符合相关技术要求。

（2）散热和眩光问题。LED光源是点发光光源，发光时热量集中于一点，若散热不好会使LED芯片在正常工作时结温过高，加速环氧树脂碳化变黄，使LED光源在使用一段时间后的发光衰减，降低LED灯具的使用寿命。因此LED灯具需要特殊的散热设计。目前有些LED灯具由于散热和封装技术不成熟，造成光衰严重，这类产品在照度、寿命上均达不到产品标准的要求，难以发挥LED光源的优势。因此在进行LED照明设计选型时，需关注灯具的散热问题，选择具有良好散热性能的产品。另外，由于LED是高亮度点光源，安装高度较低时，容易产生眩光问题，人眼会产生不舒适感。在进行照明设计时，应根据不同的使用场合采取相应的预防措施，特别是生活和办公区域，应重点关注眩光问题。合理设置灯具的安装高度和选用合适的反光罩方式，避免LED灯具安装过低，造成视觉不适感。选用带防眩光格栅、纳米反光涂层或遮光叶的灯具可改善光线分布，使光线更加柔和，减少眩光。

（3）价格较高。LED光源价格较高是影响LED照明普及的主要原因。但近年来随着技术的提高和制造工艺的改进，LED光源正向低成本方向发展，LED灯具价格呈逐年稳步下降趋势，为LED光源的广泛应用提供了有利条件。

4　结语

水泥厂中的各类建筑、作业场所很多，照明要求各异，目前的LED光源产品完全可以覆盖水泥厂的各种应用领域。水泥厂照明电耗约占全厂总电耗的1%～2.5%，虽然比重不大，但仍有较大的节电空间。在水泥厂节能技改的照明设计中广泛采用LED光源，不仅有利于水泥厂的整体节电，同时对推广绿色照明理念和提高节能意识有重要意义。随着LED光源技术的发展，应用中存在的产品标准、散热、成本等问题也会逐渐解决。LED光源在水泥厂节能技改的照明应用将越来越广泛。

Characteristics of LED Light Source and its Application in Cement Plant

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A:A

10011001--61716171（20162016）0505--00790079--0303

通讯地址：中材装备集团有限公司，天津300400；2016-04-26；编辑：孙娟