符合港口照明特性LED灯具的研究及示范应用

薄海虎 袁荣林 上海国际港务（集团）股份有限公司振东集装箱码头分公司温彩霞 王 坤 上海国瑞环保科技股份有限公司



符合港口照明特性LED灯具的研究及示范应用

薄海虎 袁荣林 上海国际港务（集团）股份有限公司振东集装箱码头分公司
温彩霞 王 坤 上海国瑞环保科技股份有限公司

摘要：LED灯具是近年发展迅速的一种绿色，环保，安全，节能的灯具，然而港口特殊的使用环境对LED灯具的性能有非常高的要求，介绍了符合港口特殊环境下使用LED灯具若干技术措施，并给出了采取措施后的节能环保效果。

关键词：港口；LED；照明；节能

近年来经济持续增长，但环境却不断恶化，节能减排成为全球的迫切的要求。上海国际港务集团为顺应这一发展趋势，落实节能减排工作，锁定了照明这一领域。以振东集装箱分公司为例，港区内高杆灯、轮胎吊、桥吊的照明设备都是高压钠灯。在传统灯具中，高压钠灯具有光效高，寿命长，透雾性强等优点，缺点是含汞污染，能耗高。振东港区内的高压钠灯以1 000 W和400 W为主，共2 217只灯具，总功率为1 550 kW。年港区内照明消耗的电量就高达594万kWh。

上海港务集团也在不断地探索LED照明产品在港区的应用，调研结果显示，LED照明产品在节能上有巨大的空间，同时也发现LED照明产品在港区的应用仍然在透雾性、散热、配光、光衰等方面还需要进一步提升。与传统灯具相比较价格高，灯具改造采购全新的LED灯具，一次性投入的成本太高，且市场上LED灯具价格悬殊，品质差异巨大，对适应港区的LED灯具选择比较困难。

上海国瑞环保科技股份有限公司提供的LED灯具良好的品质和商务模式很好地解决了上述问题。振东分公司成立项目评估小组，与上海国瑞环保公司联合组织了项目测试技术工作小组，对项目使用的过孔散热单片式大功率LED集成光源灯具进行了试装、测试工作，经过6个多月的共同努力，试装、测试工作圆满结束，经测试拟在项目使用的LED灯具在工作场所的亮度、照度、均匀度、可视度以及透雾能力和抗震能力等关键性技术质量指标和安全指标超过原有的高压钠灯的标准，相比高压钠灯的节能率高于65%，完全符合港口安全照明用相关标准，现总结如下。

1 LED灯具安全性采取的措施

（1）抗震动性 整个LED灯具采用一体化过孔灯具结构，加厚高弹性连接安装支架和防滑丝，防松动螺丝加装减震密封垫加以解决。

（2）抗台风 整个LED灯具采用过孔灯具结构，台风能从灯具散热孔中穿过，对风的阻力明显减小。

（3）防坠落 除安装支架加强外，加装不锈钢防坠落链。

（4）抗腐蚀 在LED灯具的表面喷塑处理中，增加纳米二氧化钛防腐材料，大大提高抗腐蚀，耐盐雾能力。

（5）抗冷热冲击 在LED光源基板中，采用高导热的热变形小的合金铜材料，在LED灯壳中增加稀土材料，减少冷热的变形量，同时增加密封材料厚度。通过密封材料的吸收金属材料冷热变形的应力。

（6）抗电磁干扰和电磁辐射 除选择符合电磁干扰和电磁辐射的安全标准的电源外，增加金属屏蔽保护罩来阻断电磁干扰和辐射。

（7）防触电 LED灯具的电源选用安全的隔离电源，LED工作电压选用低于36 V的安全电压，并安装可靠的LED灯具外壳接地连接线。

（8）防雷击 在LED灯具电源内加装了10KVA的防雷击电路和接地保护电路，防止感应雷，对于直接雷采用全铝合金外壳屏蔽来进行保护。

（9）抗电压波动和高压谐波 在LED灯具的电源电路中，增加了稳压电路和滤波电路。

（10）防灰尘、防雨淋与防水溅 在防灰尘上采用过孔散热灯具结构，风吹雨淋，灰尘无法藏身，LED灯具具备自洁功能，在防雨淋和水溅上，将LED灯具做到IP 65。

（11）防积雪和冰棱 LED灯具整体采用穿孔结构，积雪留不住，同时采用孤行外边设计结构，冰棱结不上，挂不住。

（12）防眩光 LED灯具发光面采用雾化玻璃透镜配光，无强眩光发射，同时严格控制I 80方向上的光强发光值。

（13）防光污染 LED灯具做到精确配光，LED光均照射到需照明的工作场面上，无光污染和光浪费。

（14）防蓝光危害 常规蓝光危害是指430～460纳米的光波危害，在港口LED光源中，选用光波为580～586纳米的暖白光为主的LED光，蓝光危害已完全控制。

（15）防紫外线照射 LED灯具的加喷了抗紫外线照射的纳米涂层，在LED配光透镜用料上抛弃PC，PMMA等树脂塑胶材料，选用石英成分的光学玻璃透镜，不怕紫外线照射，无黄化、老化现象发生。

2 照明节能采取措施

（1）高杆灯在试装和示范过程中，采用上海国瑞环保提供的300 W LED灯替代原1 000 W高压钠灯，经实测对比，在节能的同时照度比原有的高压钠灯照度提高了10～20%，超过港口高杆照明标准，其节能率达到了70%。

（2）轮胎吊在试装和示范过程中，大梁和大车灯采用140 W LED灯具替代原400 W高压钠灯，为保证作业面照度，小车灯采用160 W LED灯具替代400 W高压钠灯，其节能率达到64.38%。

（3）桥吊在试装和示范改造过程中，为保障桥吊小车作业面照度，采用420 W LED灯具替代1 000 W高压钠灯，大梁和连系梁采用360 W LED灯具替代原有1 000 W高压钠灯，大车灯采用140 W替代400 W高压钠灯，节能率达到了63.52%。

目前行业内大功率LED灯具的整灯光效水平在100 LM/W左右，而本次项目中，采用高效集成大功率LED封装技术和穿孔散热灯具结构，使LED灯具整灯光效达到了120 LM/W。实现了平均节能率65%左右的节能目标。

3 照明环保采取的措施

LED集成发光源材料，采用蓝密石衬底材料，半导体氮化物发光材料，纯黄金导线，稀土荧光粉，有机硅胶，紫铜传热基板，镀银板反光层。均为环保贵重材料制作。

（1）配光透镜材料，采用无铅、汞、的石英光学玻璃材料经热压制作。

（2）灯壳散热材料，采用高导热航天级铝合金材料制作。

（3）电源控制器，均采用优质电子元件制作，并通过了欧盟环保RoHS认证。

（4）安装支架：选用优质钢材制作。

交往的过程必然是动态生成的，在双语教学实践过程中，最主要的交往形式是师生对话。民主平等的对话交往让教师和学生都把教学过程当作自己的生命活动过程，学生学到知识和真理，而教师则由此实现人生价值。此外，动态生成也让教学这种特殊交往从理论走向实践，潜在性变成现实性。词汇教学过程不再是单边的知识传递过程，而是融开放性、创造性、体验性和挑战性为一体。由此可见，动态生成性是词汇教学的内在属性，教学过程的本质也决定了词汇教学动态生成的必然性。

（5）防坠落链、螺丝：均采用无铅的优质不锈钢材料制作。

（6）密封件材料：采用优质硅材料制作。

（7）表面喷塑材料：均采用优质环保树脂塑粉和优质纳米二氧化钛材料制作。

4 技术参数的选择

（1）色温的选择

港口照明传统照明光色为低色温的2000 K左右的黄光照明，LED灯光色温一般为3000～6 000 K，试装5 000 K色温灯光后，码头作业人员很不适应，随后调整为3000 K,操作人员在实践操作中，还是感觉有点白，没有以前高压钠灯光舒适，因此，在试装产品LED光源中通过增加调配稀土橙色荧光粉和红色荧光粉的配比，实现了LED灯具色温在2300～2500 K范围内。

（2）显色指数的选择

传统户外照明用高压钠灯的显色指数（Ra）在20左右，选用LED灯具是指 到40～70左右，操作人员感觉到夜晚看物体更清晰了。

众所周知，太阳光为自然光照明，为380～780纳米可见光的全光谱照明光，在LED光源封装时，选用黄色YaG粉加蓝光芯片发光的同时，增加稀土橙粉和稀土红粉来补全白光LED光谱，使LED灯的发光主波在580～586纳之间，看上去光色质量非常接近黄昏时的太阳光，使操作人员长期在这种灯光下工作，不易产生视觉疲劳，更利于安全工作。

（4）光色坐标的选择

经过反复试验测试对比，光色坐标选择在2300～2500 K对应的暖白光黑体轨迹周边，光颜色比较自然，看物体比较清楚，人眼没有不舒适感。

（5）亮度的选择

对照港口码头的照明要求，在改装和示范LED灯具照明后，亮度普遍提高了20～50%左右。

（6）照度的选择

对于港口码头的照明照度值，选择的替代原则是实现节能目地的同时，现场照度值要达到和超过原有高压钠灯照度值，且要高于相关行业标准30%以上。本项目改装后，测试数据已验证照度有所提高完全符合行业标准值。

（7）亮度均匀度的选择

通过合理的配光设计，使高杆照明灯和港机照明灯的亮度均匀度均控制在0.5～0.9的范围之内，完全达到和超过行业标准的要求。

（8）环境比的选择

通过LED灯具透镜的合理配光和光通量的分配，始终保持照明工作场所的周边10 m内的照度值在工作场所照度值0.5～0.8的范围，使操作人员和司乘人员，不但能看清工作面上的物体，还能看得见周边环境情况，增加了工作的安全性。

5 雨雾天适用性采取的措施

在雨雾天LED灯光使用后天空中白茫茫，地面上看不见一直是困扰LED灯替代高杆灯和港机灯的行业难题，许多专家、学者对此研究，并未有突破性进展，在试装和示范过程中，研究发现4000～6500 K的白光LED灯在雨雾天确实是光下不来，而改用色温越低的灯，地面可见度越高，但实测数据表明，低色温的灯，其地面照度并没有明显提高，但看物体的可见度提高了。通过多次试验得到结论，光的穿透力与光的波长无关，但其雨雾天的可见度与光的颜色有关，低色温，黄色光的LED灯光在雨雾天更容易看清被照物和周边环境。因此在港口照明上选用2300～2500 K，主波长在580～586纳米的暖黄光，其“透雨、透雾能力”达到和超过原有的高压钠灯。

6 解决光衰采取的措施

本项目使用的LED灯具在照度设计在高于港口行业照明标准值的30～80%之间，但港口恶劣的使用环境，如何确保十年内LED灯具的光衰小于30%，也成了技术组的重点工作。LED灯具的光衰减由LED芯片、封装材料、散热材料和透镜配光材料以工作环境，温度所决定的，为解决光衰减问题，技术组从LED芯片原料着手，选用美国普瑞45 mil大功率芯片，并控制其工作电流在320 mA之内，使其内部热量得以控制，同时，使用美国英特美公司的高可靠性荧光粉，尽可能不使用氮化物荧光粉，并选用道康宁硅胶进行封装，淘汰掉树脂胶，首先从LED光源材料上确保十年品质。其次，在散热材料上选用高导热航天级稀土铝合金压铸材料，增加其导热性，使压铸材料的导热系数从原来的100左右提高到200～230左右，导热能力提高一倍，在散热结构上，通过加大散热面积和散热孔设计，使空气在LED灯内形成对流，增强散热功能，始终使LED光源的工作温度控制在65℃以下的范围内，在配光透镜的材料选择上，技术组拼弃了PC，PMMA等树脂配光透镜材料，而选用光学，石英玻璃透镜材料，彻底克服了PC，PMMA树脂材料，黄化，老化引起的光衰问题，通过以上材料和技术手段的解决，相关产品送国家电光源中心检测，1万小时光通维持率在96%左右，经过现场试装，示范实测验证，工作近一年的LED灯其光衰在1%左右，基本保证实现十年光衰小于30%的光照度维持率目标。

7 延长灯具寿命采取的措施

为尽可能地延长LED灯的使用寿命，技术工作组从LED灯具的整体确保十年寿命设计入手，选择LED光源和LED电源，以及密封件，配光透镜和连接件。首先在LED光源用材上，按照正常工作10万h的要求进行选择，LED电源上按照军工标准，选择正常工作大于8万h的材料进行物料选择，确保LED光源和LED电源，工作5万h内年故障率低于2%。在密封材料上，选择上拼弃橡胶密封件，而选用耐高温，高湿，耐腐蚀和抗紫外照射，抗硫化变质的硅胶材料制作，其他连接材料均用不锈钢螺丝制作，通过以上材料的选择，确保LED整灯的设计寿命达到10万h，工作寿命大于5万h，基本能实现LED灯具10 a工作寿命期内年故障率低于2%的目标。

8 创新点

（1）穿孔散热一体化灯具结构设计创新

选用上海国瑞环保提供的集成大功率LED灯，通过灯壳过孔散热整体设计，解决了散热问题，抗震问题，防台风问题和防腐蚀，盐雾以及紫外线照射等许多LED照明行业难题，并实现了LED灯具的自洁功能。

（2）高效高品质电源设计

选用高效电源并增加防触电，防电磁干扰，防雷击，防大电流冲击，防电压波动和防高次谐波干扰等电路设计，解决了行业LED电源经常出现故障灭灯的难题。

（3）LED低色温黄光能增加被照场所可视度的发现，解决了LED灯光“穿透力”不够的行业难题。

（4）高效，低光衰LED集成光源材料和封装工艺的确定，为高效低光衰LED照明提供了可靠的LED光源支撑。

（5）光学级石英雾化玻璃透镜的创新，减少了眩光和光污染，同时在一定程度上减了一个LED灯具光衰的关键点，为以后大功率LED照明配光提供了借鉴。

9 经济效益和社会效益

项目投入改造了1 209盏1 000 W高压钠灯，1008盏轮胎吊原400 W高压钠灯。年节约用电334.05万kWh折算年节约标煤1 002.15 t，减少CO2排放3 330.47 t，取得良好经济效益的同时也取得了节能减排的良好社会效益。

Research and Demonstration Application of LED Lamps in Accordance with Port Lighting Characteristics

Bo Haihu, Yuan Rongling
Shanghai International Port (Group) Co.,Ltd Zhendong Container Branch
Weng Caixia, Wang Kun
Shanghai Gecos Environmental Protection Technology Co.,Ltd

Abstract:LED lamps are green, environmental protection, save and energy-saving lamps, which have been developed rapidly in recent years.LED lamps performance has to meet very high request according to special port environment.It introduces several technological measures of LED lamps to meet special port environment.It also puts forward energy-saving and environmental protection after taking related measures.

Key words:Port, LED, Lighting, Energy-Saving

[作者简介]

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.03.007

薄海虎：（1963-），男，副总经理，高工，主要从事港口的技术站务管理工作。