LED( Light Emitting Diode) 即發(fā)光二極管，它的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片(PN結(jié))，當(dāng)對PN 結(jié)加正向電壓時，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，釋放出過剩的能量引起光子發(fā)射而產(chǎn)生可見光，把電能直接轉(zhuǎn)化為光能。上世紀(jì)60 年代，基于半導(dǎo)體這種發(fā)光原理，研制出了世界上第一個紅光LED。近十多年來，隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步和各種新材料的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色高亮度LED 取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率也有了大幅提高，其中白光LED ( 1996 年日本日亞公司成功研發(fā)) 的誕生，是LED 發(fā)展史上一個重大的里程碑。由于白光LED 光線接近日光，能較好的反映物體的真實(shí)顏色，從而其作為一種全新的照明光源成為可能。

與傳統(tǒng)的照明光源相比，白光LED具有光效高( 90%的電能轉(zhuǎn)化為可見光) 、發(fā)熱量低( 沒有熱輻射) 、壽命長( 平均使用壽命為5 萬～ 10 萬小時) 、綠色環(huán)保( 燈具中不含汞、鈉等有害金屬元素，容易回收) 等特點(diǎn)。LED 作為一種固態(tài)光源，無燈頭和燈座連接機(jī)構(gòu)， 發(fā)光二極管牢靠固定在燈板上，耐振、耐沖擊、不易破碎。單體驅(qū)動電壓低，電流小，啟動時間短，無頻閃現(xiàn)象，不存在啟動延時問題，其在照明市場的發(fā)展值得期待。

目前，大功率白光LED 在實(shí)驗(yàn)室光效已突破100 lm /W，并已逐步應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域。隨著市場的需求和人類對于LED 照明能夠早日推廣到通用照明領(lǐng)域的渴望，促使大功率白光LED 技術(shù)迅速發(fā)展，不久的將來，LED 光效將會達(dá)到或突破200 lm /W，超過目前光效最高的氣體放電光源。在全球性能源危機(jī)日漸加劇，環(huán)境壓力越來越大的情況下，LED作為新一代的綠色照明光源所獨(dú)有的節(jié)能、環(huán)保、安全、長壽等優(yōu)點(diǎn)， 開辟了照明領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保新途徑。

海洋平臺照明系統(tǒng)分析

照明光源的選擇要考慮到光源的光效、顯色性、壽命、啟動及再啟動時間等特性指標(biāo)，以及周圍環(huán)境對光源要求等。近年來，氣體放電光源( 鈉燈、熒光燈、金屬鹵化物燈等) 因其光效高、耗電少、壽命長、不銹蝕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)取代傳統(tǒng)白熾燈等照明光源，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于城市道路、高速公路、機(jī)場、廣場、工礦業(yè)等場所照明。

海洋平臺是海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地。由于海洋平臺空間狹小，各種生產(chǎn)設(shè)備布置的空間極為緊湊，生產(chǎn)和作業(yè)人員集中，在照明光源的選用上應(yīng)以安全、高效、經(jīng)濟(jì)為原則。

1) 安全，海洋平臺在油氣開采和油氣處理過程中，會產(chǎn)生大量易燃、易爆氣體，特別是在人員和設(shè)備如此集中的場所，如何防止照明燈具事故性爆炸的發(fā)生已經(jīng)成為十分重要的課題。由于照明燈具在啟動或工作時，會產(chǎn)生電火花或形成熾熱的表面，一旦遇到易爆炸性氣體，就會導(dǎo)致爆炸，直接危及整個平臺生產(chǎn)及生產(chǎn)、作業(yè)人員的生命安全。因此，在照明燈具的選擇上必須滿足防爆要求;

2) 高效，盡可能選擇光效高、壽命長、耗能低的光源。

為確保海洋平臺油氣生產(chǎn)的安全，目前平臺甲板照明設(shè)備廣泛采用防爆高壓鈉燈和熒光燈，熒光燈作為輔助光源。照明方式采用一般照明和混合照明方式，對特定區(qū)域?yàn)闈M足作業(yè)要求，采用局部照明方式以提高作業(yè)區(qū)域照度，以滿足施工人員視覺需求。但是，作為氣體放電光源，高壓鈉燈和熒光燈同時也存在一些不足：

1) 光能利用效率低，光源發(fā)出的光線必須經(jīng)過燈具一次反射或二次反射，光能有效利用率僅為40% ～ 60% ，而其余能量轉(zhuǎn)化成熱能而白白消耗掉了，燈具表面溫度較高;

2) 由于海洋平臺所處的環(huán)境惡劣， 海上大風(fēng)加上平臺上各種設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的振動。燈絲在熾熱的工作環(huán)境下強(qiáng)度很低，震動會大大縮短燈泡的使用壽命，造成燈絲斷裂、燈泡松動，嚴(yán)重時將與燈座脫離;

3) 高壓鈉燈光線中含有大量的紅外線和紫外線輻射，顯色指數(shù)較低( Ra = 20 ～ 30) ，色溫一般在1900K ～ 2000K;

4) 燈具含有大量的汞、鈉等有害金屬元素，損壞后無法全部回收，對環(huán)境造成污染。

2. 1 光源光效分析

氣體放電光源為全向輻射，會使光能照射到不需要照射的區(qū)域，造成光能不必要的浪費(fèi)或者污染。

因此，為了讓光源發(fā)出的光能盡可能多地利用而又不會產(chǎn)生浪費(fèi)或光污染，保證光源高效工作，必須使用燈具對光源輻射區(qū)域加以限制，盡可能地增加被照射區(qū)域的照度。光能量在燈具中產(chǎn)生一次反射或二次反射后，其能量會大量衰減，一部分光能轉(zhuǎn)化為熱能而白白浪費(fèi)掉了。

對于LED而言，光能輻射為單向，LED在封裝時，若在出光口裝上不同折射角的透鏡，射出的光束就具有不同的角度，光線可以不經(jīng)過反射直接照射到指定區(qū)域。由于LED 燈是由非常多的LED組成，通過設(shè)計每個LED 的投射方向，從而使光能能夠得到最大限度的利用。LED 光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發(fā)出可見光，光源利用率高達(dá)90%。

2. 2 平均照度分析

以渤海某平臺主甲板照明系統(tǒng)為例(圖3) ，照明燈具采用GE公司生產(chǎn)的高壓鈉燈( 250W，11只) 和節(jié)能熒光燈(36W × 2，16 只) ，熒光燈作為輔助照明光源，用其來改善平臺照明光色，假設(shè)將光源投射光線全部均勻照射到甲板上，甲板平均照度Eav：

實(shí)驗(yàn)研究表明，人的視網(wǎng)膜視覺細(xì)胞對白天視覺(明視覺，環(huán)境亮度>10cd /㎡)和夜間視覺( 暗視覺，環(huán)境亮度< 0. 01cd /㎡) 感覺不同。對于相同的光譜分布，明視覺與暗視覺條件下的亮度，存在明顯的差異。LED 燈暗視覺的亮度是明視覺的2. 35 倍，而鈉燈暗視覺是明視覺的0.94倍。所以在同等照度條件下(儀器測量) ，LED 路燈比高壓鈉燈亮2.5倍，即要達(dá)到同等的亮度，LED路燈的照度僅需要高壓鈉燈的40% 即可。在取得相同照明效果的條件下，采用白光LED燈具替代高壓鈉燈，所用LED功率P：

表1 光效對比

綜合考慮其他因素對白光LED 的影響，現(xiàn)采用90W白光LED燈具替代高壓鈉燈，平均照度Eva：

2. 3 顯色指數(shù)( Ra)

LED 光源顯色指數(shù)高達(dá)90，接近日光，無眩光現(xiàn)象，而高壓鈉燈顯色指數(shù)僅為20 ～ 30，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于圖7平臺照明模擬圖( LED，色溫6500K)LED 燈。高的顯色指數(shù)Ra ( 色溫≥5000K 時) 能更大的反映物體本來的顏色，使被照物體層次更分明，表現(xiàn)更逼真，能更好的分辨出物體的細(xì)節(jié)，特別是夜間移動的物體，同時可以減輕施工人員眼睛的疲勞感，增加舒適度和安全度。例如平臺夜間進(jìn)行吊裝作業(yè)時，高的顯色指數(shù)能更好的使吊裝作業(yè)人員分辨出被吊裝物體的具體位置，從而增加了夜間施工作業(yè)的安全性。

2. 4 發(fā)電機(jī)負(fù)載影響

高壓鈉燈、熒光燈是一種高強(qiáng)度氣體放電燈泡，由于氣體放電燈泡的負(fù)阻特性，這類光源在工作時需要鎮(zhèn)流器的配合。大量鎮(zhèn)流器的使用不僅增加發(fā)電機(jī)負(fù)載，同時使配電系統(tǒng)無功功率增加，降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。采用LED作為照明光源，不僅能減小發(fā)電機(jī)負(fù)載，提高整個平臺照明配電系統(tǒng)效率，還可以節(jié)省工程項目投資，增強(qiáng)平臺配電系統(tǒng)的安全性。

LED平臺照明節(jié)能分析

以目前平臺甲板所用的照明燈具與白光LED燈進(jìn)行節(jié)能分析，綜合上面對平均照度的分析，現(xiàn)用90W 白光LED取代250W 高壓鈉燈。

3. 1 前期資金投入( 見表2)

表2 前期投入費(fèi)用

3. 2 年電量消耗

由于海洋平臺是特殊的工作場所，平臺燈具照明時間一般為24 小時/ 天，費(fèi)用按1 元/ 度計算：采用LED 作為平臺照明光源，每年可節(jié)約電費(fèi)34 萬元，耗能僅為傳統(tǒng)照明光源的36%。事實(shí)上供電電壓波動對鈉燈的功耗有著很大的影響，當(dāng)電源電壓達(dá)到250V 時，其功率增加近一倍， 消耗的功率要遠(yuǎn)大于額定功耗，在這種情況下，鈉燈的使用壽命也將會大幅衰減( 僅為額定壽命的30% ～40%)。而LED 的功耗幾乎不隨供電電壓的變化而變化，考慮功率波動的影響，LED 實(shí)際能耗僅為鈉燈的25% ～ 30% ，這也是LED比高壓鈉燈節(jié)能的另一個重要原因。

表3 年電量消耗

目前高壓鈉燈的功率比較固定， 一般為70W、100W、150W、250W 等， 而LED光源最大優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計，實(shí)際需要多少功率就配備多大功率，從而最大限度的節(jié)約能耗，消除電能過度浪費(fèi)現(xiàn)象。

3. 3 后期運(yùn)營費(fèi)用

LED 前期一次性投入較大，一旦投入使用，后期運(yùn)營維護(hù)成本低，燈具使用壽命時間長，不用經(jīng)常更換。與LED相比，高壓鈉燈一年的光衰就高達(dá)60% ，其實(shí)際壽命也只有額定壽命的30% ～ 40% ，按年20% 更換率進(jìn)行更換，運(yùn)營費(fèi)用見表4。

表4 后期運(yùn)營成本

從上述表中對比可以看出，白光LED替代傳統(tǒng)高壓鈉燈，在前期成本投入費(fèi)用方面不占優(yōu)勢，但是在后期運(yùn)營、維護(hù)收益較大。一旦投入使用后，2～ 3 年便可收回投入成本。

白光LED 照明技術(shù)應(yīng)用展望

海洋石油資源量約占全球石油資源總量的34% ，在陸地油氣資源日益枯竭的情況下，迫使人們把目光投向遼闊的海洋。近年來，海洋油氣開發(fā)取得了長足發(fā)展，目前，海洋石油產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的35% ，海洋天然氣產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的25%。據(jù)專家估計，到本世紀(jì)中期，海洋油氣產(chǎn)量有望超過陸地，海洋將成為支撐全球能源、化學(xué)等工業(yè)部門的主要油氣來源。

海上石油鉆采平臺是海上油氣田開發(fā)的主要生產(chǎn)設(shè)施，隨著人類對海洋油氣資源開發(fā)力度的加大，越來越多的鉆采平臺將會投入到油氣開采之中。日前，平臺照明系統(tǒng)大都采用傳統(tǒng)照明設(shè)備，若采用新型大功率白光LED 替代傳統(tǒng)的照明設(shè)備，每年可節(jié)省上億元費(fèi)用，可見LED 在未來海洋平臺照明系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展空間。