发电厂设计采用LED照明的探讨

陈海华

（福建省电力勘测设计院，福州 350003）

节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，发电厂要实现这一目标，减少厂用电率是有效的方法之一。据以往工程经验分析，照明负荷占厂用电总负荷的1%～2%，一个大型发电厂年照明用电量可达千万kWh，存在较大的节能空间，可以采用目前节能性较好的LED照明，达到节约照明用电的目的。

1 LED的特点

1.1 LED的优点

LED即发光二极管，是一种直接把电能转化为光的固态半导体器件，是现阶段发展最快的新型固体光源。相对于传统光源，LED主要有以下几方面的优势。

（1）理论发光效率高，节能效果好。LED光源可以直接把电能转化为光能，且其光谱中没有紫外线和红外线，大部分为可见光，理论发光效率优于传统灯具，发光效能已超过200 lm/W。

（2）光线能量集中，指向性好，亮度衰减小。LED为单向辐射，封装时装上不同折射角的透镜，可以实现定向照明，灯具利用系数可达0.8～0.9。

（3）光源本身发热量小。由于LED光谱中不含红外线，温升较小，可以安全触摸。

（4）允许输入电压的范围宽，可在安全电压下工作。LED一般通过直流点亮，单个大功率LED工作电压仅为3.2 V，选择输入电压时比较灵活。

（5）结构性能好。LED体积小且为环氧树脂包裹结构，灯管内无须抽真空及注入惰性气体，有良好的抗振性及抗冲击性，不易破碎。

（6）显色性较好，无频闪，启动时间短。白色LED光源显色指数可以达到75～80，响应时间非常快，在μs级别。

（7）照明组合方式灵活，可控性好。LED是电流型控制器件，其光电转化时间很短，在额定参数范围内，只要控制不同的电流，就可以瞬间得到不同的亮度。

（8）LED光源寿命长，绿色环保性好。半导体器件PN结的理论寿命可达到106h，且LED为全固态发光体，不含汞等有害元素，废弃物可回收，对环境无污染，属于典型的绿色照明光源。

1.2 现阶段LED的不足

随着LED性能的不断提高，其应用也越来越广泛，但现阶段来看，也存在着一些不足，主要有以下几点。

（1）实际产品发光效率与理论值有较大的差距。目前实际产品的发光效率普遍在100 lm/W以下，且功率越小效率越低。

（2）眩光问题比较明显。由于LED出光为伯朗型分布，大多情况下直接使用难以满足照明要求，且其定向输出特征更容易产生眩光，目前二次配光设计正在逐步完善中。

（3）光电综合转换能力有待提高，散热问题比较突出。LED芯片工作时所加的电能仅30%左右会被转换成光能，其余会被转换成热能以传导的方式散发出去，散热不良会导致LED光输出能力降低，芯片加快老化，缩短器件寿命。

（4）LED的穿透能力较弱，色温仍在较高区间。根据瑞利散射和米德拜散射的使用范围，小于可见光波长的颗粒散射与波长有关，而白光的波长比黄光短，因此LED的穿透能力不如高压钠灯。

（5）驱动装置等附属件的寿命影响了LED的整体使用寿命。恒流性驱动装置具有防浪涌、防冲击和防过热等多项保护功能，增加了电路的元器件数量,从而降低了可靠性，减少了使用寿命。

（6）抗雷电及强电磁场干扰能力不足。由于雷电形成的广谱无线电波所产生的共模干扰，对地可以达到上千伏，很容易击穿驱动电路内的接地电容或较小的对地间隙，从而造成驱动电路的损坏。

（7）价格过高，性价比须详细论证。成本高是LED推广应用不可回避的问题,一次性投入较大是影响LED照明普及的重要原因。

（8）缺乏有效的统一标准，行业间离散性大。2009年12月我国发布了LED系列标准，但目前各生产厂家的产品性能离散性大，产品升级换代速度很快，兼容性不好。

2 在发电厂照明设计中采用LED的可行性分析

2.1 发电厂环境对照明的要求

发电厂的工作环境复杂多样，典型特征有潮湿、多尘、高温、振动和摆动较大等，根据工作场所的不同照明要求，照明方式分为混合照明、一般照明和局部照明3种。根据工作场所的照明不同性质，分为正常照明、应急照明、警卫照明和障碍照明等。照明器具应根据工作场所的环境条件，选择防潮、防尘、防腐蚀、防爆或加装防护措施等类型的灯具。

近年来，LED已应用于一些大型工程，如北京奥运会、上海世博园等。但在工业照明领域中，尚没有大面积使用的报告，在发电厂照明中采用LED更是一个新兴的课题，因此需要展开可行性分析。

2.2 对发电厂运行环境的适应性

（1）防水性。LED采用环氧树脂包裹结构，属于固态照明光源，防水性能良好，且由于发热小，灯具整体在进行防水设计时不会受到发热的限制，比较容易实现较高的防护等级。

（2）防尘性。尽管LED密封性能好，但在多尘环境中长期使用后，散热装置由于积灰使散热能力将大打折扣，从而使LED的光效大幅下降，使用寿命减少。

（3）耐高温性。LED芯片的寿命及光输出百分比随着PN结温的升高而减少，同时会产生光谱移动、色温升高、热应力增高、荧光粉环氧树脂加速老化等危害。而处于高温的环境下，PN结的热量无法顺畅排出，耐高温性低下。

（4）防腐蚀性。灯具的防腐蚀性结构会降低灯具散热装置的散热作用，需要兼顾材料的散热性和防腐性。目前尚未有实际工程的应用，也没有看到相关的分析研究，因此LED应用在腐蚀性场和宜谨慎。

（5）抗振动性。LED属于固体照明光源，采用的是环氧树脂包裹结构，其抗振动性优良。

（6）防爆性。由于LED的发热量低，工作温度大大低于传统光源，属于可触摸型，对爆炸性环境的影响较小。此外，LED本身为固体密封结构，也不宜受到爆炸性环境的影响。

（7）安全性。LED不添加危害健康的元素，且本身属于固体结构，既使灯具脱落甚至破碎，对人身和环境造成的影响也都较小，故其安全性能优良。

（8）耐高场强性。LED属于电子发光元件，在高场强环境中不但工作性能会打折扣，而且使用寿命也会大大减少，因此，需要做好灯具的屏蔽措施。由于尚未对该方面展开相关的设计研究，考虑其耐高场强性能较差。

综合以上的分析，发电厂典型运行环境中LED的适应性如表1所示。

表1 LED的适应性

3 LED应用于发电厂照明的技术性能分析

3.1 对发电厂照明控制方式的适应性

发电厂照明控制方式，根据不同场合有：调光控制、频繁开关、常明不灭及偶尔开关4大类。传统灯具中：钠灯和汞灯的点亮时间长，调光幅度小；荧光灯调光光效低，对电网会造成高次谐波干扰；白炽灯由于能耗太大，已经渐渐退出实际应用领域。相比之下，LED对发电厂照明控制方式的适应性很强，特别是在事故照明的切换中，可以克服传统光源的缺点，实现不间断切换。

3.2 照明性能的适应性

由于发电厂照明环境复杂，不同的工作环境，对照度、色温、眩光、显色性、方向性和穿透性有着不同的要求，LED与传统光源的照明性能对比见表2。

（1）LED的光效与荧光灯相比并不高，甚至还低于高压钠灯，因此在需要高照度的区域，没有明显的优势。

（2）LED的色温较高，可以让人感觉清醒，但长时间也容易引起视觉疲劳，因此比较适合用于厂房等运行人员不会长期停留的区域。

（3）由于LED的眩光性较强，当使用于控制间时就要特别注意灯具的二次配光，以及照明灯具的布置。

（4）发电厂各生产车间和工作场所的显色指数要求一般小于80，LED适用。

（5）在局部照明场合，LED的高指向性就比较有优势，即可以提高能源的利用率，也可以避免光污染。

（6）由于LED的穿透能力较弱，在多粉尘车间或室外等场合，其性能不如高压钠灯。

综上所述，就目前LED的发展阶段来看，相对于传统光源，在照明性能方面并没有很明显的优势。

4 LED应用于发电厂照明的经济性分析

相对于白炽灯的1 000～2 000 h，荧光灯的8 000～15 000 h，高压钠灯的 20 000～28 000 h 的使用寿命，即使考虑到目前LED的驱动装置设计和生产并不成熟，其寿命也可达50 000 h，远远高于传统光源，这为LED应用的良好经济性打下了基础。

为对比LED的经济性，本文从全寿命成本周期的角度合理取费，并计及资金的折算因素进行分析。以某工程的主控室方案为例，该主控室面积为120 m2，照度要求值为300 lx，工程使用寿命为30年。为方便分析，照明灯具按每年使用5 000 h，电费按0.7元/kWh，折现率按8%计算，工程采用荧光灯和LED灯2个方案进行分析对比见表3。

表2 LED与传统光源的照明性能对比

表3 2个照明方案的经济性对比

考虑到照明技术发展迅速，在工程寿命周期内，灯具性能和费用都可能发生变化，因此采用更合理的费用净年值进行分析，荧光灯方案和LED方案的费用净年值分别为1.424万元以及1.309万元，LED方案比荧光灯方案少0.116万元。

从以上分析可知，虽然LED的一次投资远高于荧光灯，但从全寿命周期成本的角度出发，LED要更优一些。随着LED的技术日渐成熟，LED的成本会进一步下降，发光效率及寿命能进一步提高，经济性将更加明显。

5 结语

LED是新兴的绿色照明光源，具有着节能、环保、利用率高、光污染少及寿命长等优点，发电厂的生产环境复杂多样，对照明的要求相对也较高，加上目前LED过高的售价，在经济上没有明显优势，LED暂时还无法全面满足发电厂照明的要求。然而，LED的发展前景乐观，可以预见在不久的将来会成为工程照明的主流产品，现阶段发电厂中也很有必要在一定范围内应用，积累相关的经验，并将所遇到的问题反馈给灯具制造商，促使LED产品的不断进步，为将来全面应用做好准备。

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