LED在南极科学考察站室外照明的应用

王 磊 / 海明慈

(清华大学建筑设计研究院有限公司， 北京 100084)

1 前言

南极作为世界上唯一没有常驻人口的大洲，有着无数未知的领域等待人们去发现，而人类自十九世纪发现南极洲开始就从未停止对南极的探索，越来越多的国家在南极建立临时或永久科学考察站。我国于1984在乔治王岛建立了长城站，1989年在维斯托登半岛建立了中山站，并在南极高地DOOM A建成了我国第一个内陆科考站昆仑站。科考站一般占地200ha～300ha，考虑到火灾的危险，科考站内的建筑都相隔一定距离，另外站区内的很多研究和日常活动都要在室外进行，因此，科考站的室外照明是科考站照明设计关注的重要问题之一。

2 科考站室外照明的特点和现状

南极科考站室外照明具有诸多不同于大陆通常室外照明的特点。首先，南极气候寒冷，以中山站为例，科考站的年平均气温为-9.5℃，夏季最高气温9.6℃，冬季最低气温-33.6℃。室外光源需要具有抗寒冷的能力，能够保证在低温下顺利启动，正常工作；其次，科考站年降水天数为162天，年大风天数多于174天，最大风速43.6m/s，照明光源应能够对抗恶劣的室外环境；第三，南极地区有极夜现象，如中山站连续黑夜时间58天,这需要灯具有极高的可靠性，以减少在恶劣条件下维护室外照明装置的工作；最后，科考站远离大陆，站区电能由柴油发电机供给，而包括柴油在内的所有补给物资都需要通过破冰船和飞机运输，科考站发电机所用的低温燃油，国内参考价格为4 500元/t，综合考虑所有运输成本后，到达南极中山站的费用达到8 200元/t。因此，一方面在设计中应选用高效节能的方案，减少能耗和对环境的污染，另一方面应选用长寿命的灯具光源可以减少备件数量。

上世纪建设的科考站通常采用白炽灯和钠灯作为室外照明光源。白炽灯具有迅速启动、光源价格低廉、更换方便和易于调光的特点，低色温的光谱特点也能很好地满足寒冷地区的心理需求。但是，白炽灯在低温下灯丝电阻减小，很容易在启动瞬间因过流损坏。白炽灯寿命短，维护工作量较大。另外很严重的问题是白炽灯光效低，能耗大，与科考站绿色照明节能的目标背道而驰。

高压钠灯的光效高，寿命较长，黄色光谱的光源特性透雾能力强，非常适合科考站室外照明需要具有指示性的特点。虽然钠灯的显色性不好，但科考站的室外工作一般不需要很高的显色性，因此高压钠灯在各国科考站的室外照明中得到了广泛应用。当然，高压钠灯低温性能一般，尤其是镇流器等器件通常不耐低温，应用中通常将镇流器等安装在室内，以避免低温的影响。高压钠灯对震动比较敏感，在南极的大风环境中，高压钠灯极易因震动损坏。钠灯启动性能较差，不仅启动时间长，多次开关还会影响光源寿命，这些都是钠灯的劣势。

而紧凑型荧光灯等低压放电灯由于不耐低温，不适宜在科考站室外使用。

3 LED在室外照明中应用

在笔者进行科考站改扩建项目的过程中，针对科考站室外照明设计，分析了LED的特性，研究了LED替代传统光源的可能性。

耐低温：LED与传统光源相比，其低温性能优越。经过处理后的产品工作温度可达-50℃。平时在室内应用中大功率LED的短板是散热，通常设计师考虑的是如何降低结温保证LED的正常运行。在南极，较低的环境温度有利于散热，从而可以提高光效，延长光源寿命。当然，对于LED的驱动电路，需要采取一定的保护措施，例如选用工业级的芯片，或者采取一定的电加热措施。

耐震动：在南极，超过40m/s的大风会使7m高的灯杆顶端位移超过0.4m，严重影响灯具的正常工作。LED多采用模块式封装，与传统灯具相比，经整合后的LED灯具结构简单，没有灯丝等易动元件，尤其是经过与厂商协调，在灯具组装过程中对关键部位采用树脂封装，更加降低了震动对于灯具的影响。LED的结构使其具有进一步提高抗震性的可能，这也是LED的重要优势之一。同时，配合IP67的灯具可以完全防护南极雨雪对于灯具的影响。

高光效：与白炽灯相比，LED的光效更高，而且随着技术的发展，LED的光效超过150lm/W甚至200lm/W完全是有可能的。因此选用高效光源所减少的电能消耗可以带来明显的经济效益。

长寿命：与传统光源相比，现在市场上的LED宣称寿命可达到30 000h以上。相比白炽灯和高压钠灯都有明显的提升。有助于减少站区的设备维护工作量。

易于控制：LED的可控性好，无论是开关还是调光控制，都比较方便。单个LED灯具由多颗LED模块组成，通过控制每个灯具中LED模块的数量可以实现便捷的调光、调色。如果考虑每个LED模块的调光，可以精确控制被照区域的光环境指标。在极夜期间，可以通过控制LED的亮度去人工调节站区的室外照度水平，提供一个模拟的24h光周期，减少因极夜影响人员生理周期所带来的头昏、失眠、精神不振等生理和心理病症。

光谱特性：在设计科考站室外照明时，还有一个挑战是来自于对光谱的控制。

我国的南极中山站所处纬度正好在极隙区，是世界上少数可进行午后极光观测的台站之一。随着地球自转，中山站白天位于极隙区，夜晚进入极盖区，一天两次穿越极光带，是地球空间环境观测的理想之地；同时，中山站的磁共轭点位于我国北极考察站附近，中山站与我国北极站可开展极光等高空大气物理现象的共轭研究。因此极光观测是极区空间环境监测的重要组成部分。

在中山站，极光观测的主要设备是多波段全天空CCD成像系统，它由三波段极光4 278A、5 577A、6 300A单色成像仪和全色成像仪构成。在观测期间，设备要求尽量减少来自地面杂散光的影响，特别是要避免在上述三个波段的影响。传统光源多为广谱连续光谱，在室内照明中，与日光光谱相似的连续光谱对处于人工光环境的人员非常有益，但是应用于室外特殊环境，特定的光谱会对CCD成像系统造成干扰。通常的解决办法是在观测设备工作期间关闭站区的室外照明，但是由于极光观测经常会连续观测几个小时，而极夜期间没有人工室外照明会带来一定的安全风险。有的国外科考站采用专用滤光片将室外光源的光谱限制在某个特定区域以减少对观测设备的影响。但是这种方式灯具效率低，平时还要摘除滤光片，使用较为繁琐。

在项目设计过程中发现，LED光源的窄光谱特性为站区的室外照明提供了一种全新的解决方案。根据市场调研，订制了一款特制灯具，内含12个普通的白光LED模块，功率约60W；14个波长为594nm的橙色LED模块和2个波长为450nm的蓝色LED模块，功率约80W，封装在一个灯具中。平时开启白光LED为站区照明，当进行极光观测时，关闭白光LED，开启橙色和蓝色LED为站区提供照明。由于光源的主波长错开了CC成像系统的敏感波段，从而在满足站区照明的同时，最大限度地减少了室外照明对CCD成像系统的干扰。与此同时，利用LED指向性好的特点，结合灯具的配光设计，减少无序的散射光进入观测设备。在2014年底，灯具将安装在中山站，届时可现场测试此灯具的实施效果。

图1 科考站室外照明选用的LED的光谱参数

尽管LED在本项目中与传统光源相比有上述优势，但不可否认的是，现阶段LED还存在诸多问题影响其应用。首先，LED现在的规格不统一，市场没有统一的标准，对于设计选择产品和业主采购产品造成一定的困难。例如，本项目只能通过定制产品以满足设计要求。其直接后果是带来了产品的价格问题，本项目由于相对采购数量较少，价格因素的影响相对较小，但是可以推想这对于LED的推广造成了障碍。此外，LED的驱动电路可靠性有待提高，虽然LED光源的寿命较长，但是与之匹配的驱动电路如出现问题，同样影响灯具的寿命。用户在使用过程中，也提出了诸如LED的色温偏高，显色性不好等问题，需要对设计和产品做进一步优化。

4 结束语

LED作为快速发展的一种新型光源，虽然还有很多不完善之处，存在尚待解决的问题。本项目针对LED的特性和南极科考站具有的独特的地域特性、气候特征及使用功能，充分利用LED耐低温、防震性能好、系统寿命较长、指向性好、光谱集中的优点，同时减少LED散热要求高，显色性较低等缺点对系统设计的影响，使得LED与传统光源相比，具有一定的产品技术优势，使之在现阶段成为南极科考站室外照明设计的最佳选择。

[1] 北京照明学会照明专业设计委员会.照明设计手册[M]. 北京：中国电力出版社，2006.

[2] 中国电光源所，中国照明学会. 电光源实用手册[M]. 北京：中国物资出版社，2005.

[3] 国家经贸委,中国绿色照明工程项目办公室. 绿色照明工程实施手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4] Joseph B. Murdoch. ILLUMINATION ENGINEERING. Macmillan Publishing Company 1995.