大功率LED在厂房照明中的应用分析

2011-05-28李江马传豹何涛王璐

照明工程学报 2011年3期

关键词：大功率照度散热器

李江马传豹何涛王璐

(中船重工集团有限公司连云港杰瑞电子有限公司，连云港 222006)

1 引言

我国能源形势趋向紧张，能源短缺给工矿企业带来巨大的冲击。工矿企业走节能之路是大势所趋。企业有20%以上的节能潜力，由于缺乏节能改造资金和节能咨询服务，沉重的能耗费用使企业的成本大大提高，不但使电力供应紧张，同时污染了我们的生存环境。

大功率LED被称为第四代照明光源和绿色照明光源，具有节能、环保、高效、长寿命等优点［1］。随着大功率 LED光效的不断提高，大功率LED已经渐渐进入通用照明领域，而且其优势越来越明显。

2 厂房照明的要求

工矿作业一般都有场所广阔和全日作业的特点，照明系统规模庞大且运营时间长，必须引入日光作为系统的组成部分，籍以降低能耗、调节光色、提高色彩还原能力。

工厂照明设计质量的好坏主要从以下几方面衡量［2］:

(2)视野内亮度分布是否合理;

(3)光源的光色和显色性能是否良好;

(4)灯具的技术经济指标和节能指标是否最优;

(5)灯具的维护周期是否够长。

以上几方面，(1)、(2)、(3)主要取决于光学系统的设计、灯具的排布、照明方式、厂房的高度与用途以及被照表面的材料特性等。(4)、(5)受到节能光源的选择以及光源驱动电路、散热设计等几方面的综合影响。

3 大功率LED厂房灯的关键应用技术

3.1 二次光学系统的设计

大功率LED应用于不同种类的厂房照明，要达到标准中规定的照度要求不仅要根据LED灯具的特性计算灯具的系统功率而且要通过二次光学设计配置灯具的发光角度以适应不同高度厂房的照明要求(见表1)。在高大的厂房，需要配置窄角度的光源。而低矮的厂房，可以配置宽角度的光源。表1比较形象的描述了不同高度的厂房所需的灯具配光曲线以及灯具排布的最大间隔限度。

3.2 散热设计

高效的散热系统能够保证LED厂房灯稳定可靠工作。LED照明产品在电能转化为光能的同时还会产生较多的热量，如果不能及时很好的解决散热问题，会导致管芯温度过高，引起LED光衰，严重影响产品的性能，因此任何LED产品散热问题是首先应该考虑和解决的问题。

玉璧置于墓主人右臂部位，估计墓主人祭天时是用右手握住玉璧的。琮既可置于墓主人的左肩上方，又可置于墓主人右手部位，可见琮左右手均可，但因为璧为右手用，所以，琮主要还是左手用。

为了解决LED厂房灯的散热问题。首先，要考虑散热材料的选择，从理论上讲，散热器的热传导系数越高、热阻越小，散热面积越大则散热效果越好，但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格。铝作为地壳中含量最高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而被广泛使用，但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，为此获得许多纯铝所不具备的特性，而成为了散热片的首选。AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。ADC12适合于压铸成形，但热传导系数较低，因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替，可惜加工机械性能方面不及ADC12。AA1050则具有较好的延展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片。LED厂房灯壳体多采取挤压成型的方式，建议采用6063或6061作为壳体材料。

表1 不同角度的LED厂房灯所对应的厂房高度［3］

其次，要考虑散热片的设计和面积的计算，散热片加工中被广为采用空冷散热器看起来似乎比较简单，但为了达到最佳散热性能，选用时要对功率损耗、散热器宽度、长度和高度、散热器厚度和间距、及环境条件等多个变量进行综合考虑。为达到最佳实际效果，在具体应用中散热器应根据不同的工作环境而作出相应的设计。LED厂房灯为一体成型，采用的是对流散热的方式，通常根据如下对流散热方程来估算所需散热面积。

式中Q表示LED芯片的功耗，A为散热面积，△T表示LED结温与环境温度之差，h为自然对流时散热器的综合换热系数，h的典型值为5W/(m2·℃)。

根据计算我们得出LED散热所需的散热面积约40cm2/W的散热器。这只是理论推导值，实际灯具设计中考虑到厂房灯的应用场所较封闭，通常会乘以1.5的比例系数，大约为60cm2/W。对于150W的LED厂房灯具来说所需散热面积约为9000cm2。

3.3 驱动电源的设计

LED厂房灯在散热问题解决的基础上，影响灯具使用寿命的主要因数就是灯具驱动电源的可靠性。一般厂房在大型设备开启和关断的过程中，会在电网上产生很大的电压波动以及有害谐波。所以要求LED厂房灯的驱动电源不仅要具有较宽的电压输入范围还要能够忍受有害谐波对电源本身的损害。

总之，只有解决了光学设计、散热设计以及驱动电源设计这三方面关键问题，才能保证大功率LED应用于厂房照明以及灯具的长寿命。

我们于2009年下半年研发设计了一款150W LED厂房灯。目前该款灯具已经在相关工程项目中大量使用。灯具安装后照明效果良好。在将近一年的使用过程中，几乎没有出现损坏和光衰等现象。

4 大功率LED应用于厂房照明的可行性分析

工厂包括的范围很广，从基础工业的巨大厂房到精细的显微电子工业的超净车间。根据视觉功效的研究，对比敏感度的变化是亮度 (照度)的函数，在达到某一对比敏感度值以前，增加亮度对于提高对比敏感度是很有效的［2］。当照度由50lx提高到200lx时，在工伤事故次数、差错件数和由于疲劳而缺勤的次数会明显降低。一般的照明规范由于要求的视觉功效水平不同，所以在实际使用中，关于工业生产所需的照度差别较大。我国《建筑照明设计标准》中明确规定了各类生产车间工作面(0.75m水平面)上的平均照度值。

4.1 LED应用于厂房照明的照度水平

无论是采用传统光源还是LED，照度值都是最主要的指标。目前，我国厂房的高度以及所采用的传统灯具如表2所示。

2010年重庆齿轮有限责任公司C区联合厂房照明中的灯具项目就选用了150W的LED厂房灯来替换原设计中400W的金卤灯。该厂房为风电装配车间 (见图1)，主要用来组装大型风电设备。该厂房总面积为5万平方米，高度为18米。灯具悬挂高度为15米，灯具安装方式为6×6m等间距安装。根据《建筑照明设计标准》中的相关规定，该厂房属于大型机电、仪表装配车间，车间的工作面平均照度值为200lx，可另加局部照明。

我们根据该厂房的特点并结合表1中对应15m高度的厂房灯的配光和排布进行了方案设计。灯具系统功率为150W，灯具的配光角为特狭照型，灯具以6×6m的等间距排布方式安装在15m的高度。该排布方式满足了表1中规定的灯具间隔最大限度为0.5h的基本要求。我们通过光学工程软件对该方案进行了模拟 (见图2)。软件模拟的结果平均照度值达到了220lx(见图3、4)，超过了一般照明200lx的要求。

图1 重齿厂房LED照明效果

表2 国内厂房高度与所采用的传统灯具

该项目于2010年二季度完成了灯具的安装和调试工作。工程人员在灯具全部点亮的夜间环境下对工作面的照度值进行了实际测量，平均照度值＞200lx，均匀度＞0.7(见图5)。

该工程案例的设计实现，验证了大功率LED厂房灯完全可以满足厂房一般照明的需要。该款LED厂房灯选用了德国OSRAM公司的大功率LED光源。发光效能＞100lm/W，而目前白光LED的光效早已达到了130lm/W，所以我们相信未来LED厂房灯的光效会有更大的提升空间。

图2 灯具的排布图和配光曲线图

图3 灯具的模拟等照度分布图

4.2 LED厂房灯的发展方向

目前LED厂房灯的发展方向主要还是阵列排布式 (见图6)与集成式 (见图7)。阵列排布式的优点是:散热好、光效高、寿命长。缺点是:体积和重量较大、与传统厂房的安装方式不同。集成式LED厂房灯的优点是:符合传统厂房灯的外观、重量轻、体积小。缺点是:散热差、寿命短、光效低。所以，集成式LED厂房灯再如果不能很好地解决散热问题，光效不能进一步提高，那么未来LED厂房灯的发展方向还主要是阵列的形式。但阵列形式的LED厂房灯也要积极寻找轻质的散热材料来作为壳体解决其体积和重量偏大的突出问题。