LED灯具在船舶照明及智能照明系统中的优势应用

2020-03-31陈浩

船舶标准化工程师 2020年2期

陈浩

（上海欧得利船舶工程有限公司，上海 200023）

关键字：LED；照明应用；智能照明系统

0 引言

随着人们对于绿色环保、可持续发展理念的日益认同，以及技术的成熟和成本的下降，LED越来越成为照明领域的主流趋势。2011年，国家发展改革委联合商务部、海关总署等五部委发布的《中国逐步淘汰白炽灯路线图》，2013年，工业和信息化部、科学技术部、环境保护部联合公告的《中国逐步降低荧光灯含汞量路线图》，都宣告了传统照明方式的即将落幕。

同时，智能船舶成为了国际海事界的新热点。2018年，工业和信息化部、交通运输部、国防科工委联合印发了《智能船舶发展行动计划（2019—2021年）》的通知，为我国船舶工业高质量发展，支撑我国智能航运建设明确了目标、指明了方向[1]。

本文探讨了LED在船舶典型舱室中的应用，以及将 LED优势与智能船舶照明系统相结合一些应用前景。

1 LED灯具概述

LED为发光二极管（Light Emitting Diode，LED）的英语首字母缩写。作为一种半导体材料，LED的核心是由P型与N型半导体组成的晶片，两者之间的过渡层为PN结，具有单向导电性。当给LED施加正向电压后，N区中的自由电子往P区移动，与P区内的空穴在 PN结附近相结合，电子和空穴消失的同时产生光子，从而发光，如图1所示。

自1962年美国通用电气公司首次将红色LED商品化开始，经过近60年的发展革新，LED技术日趋成熟，用户接受认可度日益提高，已经具备替代传统照明的能力。

LED灯具的优势：作为一种固态发光体，LED体积小、抗振性强、耐腐蚀性强、寿命长、发光效率高、安全性高、色温丰富、亮度可控制、不含汞及其他有毒物质，是一种绿色环保的光源产品。传统船用照明灯具多以白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯（钠灯、水银灯、金属卤化灯）为主，在发光效率、寿命、色温、显色指数等方面各有不足。某品牌LED灯具与几款传统灯具的对比见表1。

图1 典型LED结构

表1 LED灯具与传统灯具对比

从表1可以看出，LED蓬顶灯的发光效率是荧光灯的1.6倍，是白炽灯的2.1倍，优势十分明显。

又由于LED照明光源属于低压微电子产品，融合了计算机技术、嵌入控制技术、网络通信技术等，为船舶照明设备智能化控制的实现提供了丰富的可能性。

2 LED灯具在典型船舶舱室中的应用

2.1 色温选择与船员健康

远洋船舶航线时间较长、压力大，工作区域噪声大、湿热度高，船体振动和摇晃使船员长期处于颠簸和振荡之中，加之长期在一种单调灯光下工作引起的视觉疲劳，这些都严重影响了船员的身心健康，导致船员情绪低落、易怒、冷漠、固执，容易引发酗酒等不良行为和增加罹患抑郁症等疾病的风险。为了维护船员的健康，除了需要进行人为心理疏导干预之外，尽量为船员提供舒适的生活和工作环境也是可行方法之一。而照明灯具色温的选择运用对改善照明环境的作用不可忽视。

色温是表示光源光色的尺度，是指光波在不同能量下人眼所能感受到的颜色变化，单位为K。

LED的色温范围较广，2 000 K～9 000 K，如图2所示。

图2 色温渐变图

选择合适的色温能够为船员营造更为舒适的照明环境，可以有效减少船员抑郁焦虑、易怒等负面心理。

1）工作机舱场所照明。工作时间，船员多数集中在驾驶室、集控室和机舱内，这些场所环境噪声大，船员工作压力大，选择色温在4 000 K～5 000 K之间的LED能够给人一种明亮清爽感，有助于集中注意力，缓解疲劳感，提高工作效率。

2）休息娱乐场所照明。

（1）船员卧室。卧室是船员的私人休息区域，一般面积小、布置简单，选用色温在2 000 K～3 000 K之间的LED能够营造出一种温馨的氛围，对于船员放松心情、消除压力很有帮助。同时，也可在船员睡眠期间使用带蓝光LED的灯具，蓝光LED能够调节生物钟，促进人体内褪黑素的分泌，提高睡眠质量。

（2）餐厅娱乐室。这里是属于船员用餐、休憩的公共场所，照明环境应以安静的暖色调为佳。LED色温既不宜过高也不宜太低，3 000 K～3 500 K的色温下，食物看上去更可口美味，可以激发船员食欲。

3）医疗保健场所照明。在海上航行时，船员经常处于高湿热环境，也容易接触油漆油气，因此患上脚气、湿疹、痤疮类皮肤疾病的几率较高。医务室中若备一盏波长在415 mm左右的蓝紫色LED灯，其能消灭杀死真菌，有助于缩短治疗湿疹等皮肤病所需的时间。另外，波长在630 mm～800 mm之间的红色LED灯有助于伤口的加速愈合，这对处在潮湿工作环境又难免会受伤的船员是极有用的。

2.2 节能与维护

LED作为一种半导体原件，光源本身发热少，是属于冷光源的一种，其中80%的电能可以转化为可见光，对于船舶节能减排、节约经济成本十分有用。

以某19 700 DWT成品油及二类化学品油船项目为例，LED灯具与传统灯具节能情况对比如表2所示。

通过表2可知，原船若使用同一设备商的LED照明灯具替换传统照明灯具，能节省功率约30.7 kW左右。

表2 LED灯具与传统灯具节能对比

如果除去投光灯后，再算上台灯、床头灯、壁灯等的换装，则能够节省下的功率大约在21 kW左右，全船每年（以320 d计算）可节能约161 280 kW·h。以柴油发电机组单位耗油200 g/kW·h来计算，当前船用180 cST重油每吨4 730元人民币，每千瓦燃油价格为0.95元，每年可节省15 3216元。

作为一种被封装在透明环氧树脂里的固态发光体，LED不易碎。把晶体固化到支架上的银胶或白胶也不会受热效应影响而熔断挥发，故而整个灯体比较牢固，抗冲击性和抗振性都很强。LED理论寿命可达100 000 h以上，光衰在20%以内。现在，灯具厂商们标称的LED使用寿命也多在50 000 h以上，是荧光灯、白炽灯等传统照明灯具的5倍以上。采用LED之后，在船舶约25年的运营使用周期之内，灯具整体更换率将大大减少，灯具维护成本的降低也变相地减少了船员的工作量。

3 LED灯具与智能照明系统

相比传统灯具，LED灯具作为一种低压微电子产品的特性在应用于智能化照明系统时才更能现出其价值。

智能照明是指利用计算机技术、无线通信数据传输、扩频电力载波通信技术等技术组成的分布式遥测、遥控系统，进而实现照明设备的智能化控制。智能照明系统具有灯光亮度的强弱调节、灯光定时启动、熄灭控制、场景设置等功能，主要由硬件系统、软件系统及通信系统3大部分组成[2]。

硬件主要由2大部分组成（图3）：1）PC总控制站及显示单元；2）就地控制单元，包括电源单元、输入单元（光照度传感器、红热外人体传感器（Passive Infra-Red，PIR）、语音采集/感应模块等）、输出单元（开关模块、调光模块、调色模块、场景定时模块等）、LED灯体、就地开关（控制面板）等，这些配件的组合能带来更为丰富的照明应用方案和更加高效节能、健康环保的照明体验。

智能照明系统控制终端通过网关将分布在各处的照明分控电箱（就地控制单元）连接起来，由控制终端的软件系统将各就地控制单元采集传输来的各类信息按预先设计的程序经过汇总处理后输出到显示单元，再通过图形化操作界面展示在管理人员面前，便于实时监控操作，若监测到灯具损坏，可第一时间通知船员进行维护更换。

控制终端的软件系统也可以装在手机、平板电脑等移动设备上，便于管理人员在非驾控室位置通过船内无线网络对照明系统进行管理。

一般船用PIR传感器可覆盖半径约6 m、高约3 m的空间，可手动调节传感器感应程度、通电时间[3]，适合布置在上层建筑内走道、梯道、公厕等公共处所。感测人员的进出控制灯具的开关。LED可以工作在高速状态下，不会因为频繁的启动或关断便如同传统灯具一样容易发黑、损坏。

光照度传感器可以布置在驾驶室等带有较大窗户的舱室，其可将监测的照度数据发送给控制单元，而控制单元就可依据室内的实际情况对室内 LED灯具的开、关状态以及亮度进行调节，随时补充照明。

在船员居住、休闲娱乐舱室中完全可依据LED灯具的性能特点将多种照明方案综合使用。可以通过 LED采用智能调光技术可以使照明效果随音乐的变化而变化，营造特殊的照明效果[4]；可以根据作息时间及人体每天的激素分泌周期，实现从冷色光到暖色光的周期变化（前提是安装了可变色的LED灯具）。

将来，随着人工智能技术和语音图像识别技术的发展，LED智能照明系统或许能够实现完全语音操控、手势操控。