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LED照明在船舶业应用前景分析


无论从技术性能上,还是经济成本上看,LED照明在未来船舶上的应用将成为必然趋势。但是,LED要成为真正意义上的第四代光源,还需要在电源、LED光源、散热和安全四大关键技术上进一步发展,降低成本,结合“节能减排”这一新的形势发展要求,尽快研究制定我国船用LED照明产品的性能、测试、能效等标准和相关规范,建立和完善产品检测平台。

LED(发光二极管)技术早在20世纪90年代初就得到应用,随着20多年来在技术上的迅猛发展,LED已广泛应用于各种室内外的显示屏、交通信号灯、汽车用灯、电视机、室内外的照明光源等。应用场合将越来越多。

LED是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件,可以直接把电能转化为光能,采用电场发光。发光原理是在于LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。PN结具有两个外接端子,P端接直流电源正极(+),N端接负极(-),在一定条件下,具有发光特性:在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发出光子,即发光。其中PN结的材料决定发出光的波长,进而决定发出光的颜色。

LED的内在特征决定它具有很多优点,如寿命长、节能、高亮度、体积小等,同时又具有色彩和亮度可控制,色温丰富的特点。由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,所以LED用于照明具有一个很突出的优点,那就是光效高,也即高亮度。据报道,2009年已有LED最高光效达249lm/W的记录。但LED照明当前仍未能普及于世,原因在于灯具成本高企。有以下几方面:

1)制造企业缺少核心技术,特别是LED光源的专利被欧美日等少数国家垄断,采购LED光源成本较高;
2)结构散热难,将近占去成本的二成;
3)电源品质不高,严重滞后灯具发展,同样占去将近二成的成本;
4)企业在数量受限的情况下,昂贵的开模费用又会增加单件产品的成本。

截至目前,船上照明基本都还是采用传统照明灯具,主要包括白炽舱顶灯、荧光舱顶灯、荧光蓬顶灯、卤素投光灯和高压钠(投光)灯等。当前船用LED照明灯具主要有舱顶灯、蓬顶灯、角灯和投光灯等。船用LED照明灯具和传统照明灯具相比,在外形上相差无几,不同主要有2方面:一是在光源上,LED照明灯具由多点LED发光源(PN结芯片体)的组合替代传统照明灯具的灯管或灯泡;

从技术层面上讲,LED照明灯具未来取代传统照明灯具,具有以下优势:

1)环保、节能和安全。LED照明灯具的制作材料,不含有毒气体、也不含铅或水银等重金属,对环境无污染;使用过程中,LED照明灯具将电能全都转化为光能,几乎不产生热能损失;LED照明光源不易碎,更安全可靠。而传统照明灯具大多含有有毒气体,并且是玻璃制品,易碎。使用过程中将产生大量的热能损失。

2)没有噪音,无辐射。LED照明灯具不会产生噪音,非常适合应用于船上驾驶室、海图室这些需要注意力高度集中的工作场所以及船员的休息场所。传统的灯具使用的是交流电,会产生100~120 Hz频闪。LED灯具是把交流电直接转换为直流电,没有频闪现象和电磁辐射(注:对于开关电源,要做好抑制电磁干扰源、切断电磁干扰传输途径和使用屏蔽降低电磁敏感性
[3])。

3)电压可调,色温丰富。传统的灯具当电压降低时则无法点亮。而LED灯具在一定范围的电压之内都能点亮,还能调节光亮度。同时,LED的色温范围达2000~9000K,能够营造不同的照明效果,为旅客和船员创造良好的照明环境。尤其在客轮和豪华邮轮上,很多公共娱乐性场所和特殊舱室对照明有绚丽夺目效果的多种要求,LED照明灯具对此更容易实现。

4)寿命长,维护简易。LED照明灯具的耗电量是节能灯的三分之一以下;使用寿命长,是传统照明灯具的10倍;可靠性高,船舶剧烈震动对LED灯具影响不大;使用成本低,LED照明维护成本低,对船上的航行灯、信号灯,特别是雷达桅上的传统光源信号灯在遇到风高夜黑的海况需要维护时,LED灯具更具优越性。

5)较高功率因数。传统照明灯具的使用功率因数一般在0.8~0.9之间,而LED照明灯具,通过对灯具内的多个LED光源进行点阵排列的设计,可以控制并提高功率因数,一般可达0.96以上。

6)更高可靠性。采用多点光源的LED照明灯具,通过点阵形式的纵横排列,即使在使用过程中,发生部分光源点故障,也不会影响其它光源点的正常功能。这对用作船上应急照明灯具来说,更富有可靠性(应急照明的照度一般不做硬性指标要求)。

7)采用LED照明灯具,可以通过节能替代方式降低船上灯点的额定功率,间接降低照明系统的电缆规格,从而节省船上的电缆用量;同时也从不同程度上降低有关配电开关容量,并减轻了空船重量等。

从经济层面上看,LED照明灯具能否取代传统照明灯具应用于未来船上,关键因素就是性价比,它主要从节能和价格上反映。

两型主流运输船采用传统照明的负荷情况统计。按照船舶在营运中的不同工况所占时间分配上的大致权重,来估算传统照明的平均营运周期负荷(加权平均):Pl=P(正常海上航行)×0.82+P(进出港)×0.02+P(装卸货)×0.15+P(停泊)×0.01海豚型散货船的折算平均周期性照明负荷为34.99 kW;好望角型散货船的折算平均周期性照明负荷为39.26kW。

结合上面折算过的平均周期性照明负荷结果,可以得出替换成LED灯具后的节能量:海豚型散货船至少可节能34.99×55%=19.24(kW);好望角型至少可节能39.26×55%=21.59(kW)。按照柴油发电机组的单位油耗200 g/kW ?h、新造船的设计使用寿命20a计算,海豚型散货船总计可以节能674t燃料油,好望角型节能757t燃料油。按燃料油人民币4800元的价格,经过折算可以得到具体结论:海豚型散货船采用LED照明灯具,可减少支出约324万元人民币,年均16.2万元人民币;好望角型可减少支出约363万元人民币,年均18.15万元人民币。

海上航行主要照明灯具即为荧光灯,以2×20 W荧光灯为代表来作简单对比用的估算。2×20 W荧光灯的单件价格按人民币200元计,海豚型散货船采用传统照明灯具(荧光灯为主)的一次性费用大致为16.8万元,另每年备件费约为3.8万元;好望角型相应为18.3万元和4.1万元。运营20a,船舶采用传统照明灯具及其维护(备件)费总计支出,海豚型约为93万元;好望角型约为100万元。

从平衡来讲,两种灯具的总费用差额等于节能减少支出总费用,即为总平衡(性价比的相当)。据此,海豚型散货船采用LED照明灯具总的费用应为417万元(20a)。考虑在20a运营中,整体更换一次维护,折算出18W LED灯(2×20W荧光灯相当对象)的单件价格水平应在2485.8元的水平;好望角型相应在2537元的水平。最后得出,18 W LED灯平均单价约在2 511元的水平得以性价比上的相当。

从性能相当的价格对比来看,18W LED灯约为2×20W荧光灯的12倍之多,考虑一个修正系数0.8(即修正以2×20W荧光灯为代表等因素带来的偏差),也要达到10倍左右。但从成本核算为4倍左右。

至此可见,从经济上分析,LED照明灯具取代传统照明灯具应用于船上,同样具有明显优势。