LED应用于船舶航行灯的可行性探究

2023-10-09廖琪学北部湾大学

珠江水运 2023年17期

◎ 廖琪学北部湾大学

1.引言

随着科技的不断进步，LED灯已逐渐取代白炽灯等其他技术的光源，在各大生活场所应用非常广泛[1]。白炽灯作为船舶使用已久的灯具，容易损坏，寿命短，需要频繁更换以保证正常使用，缺点已经逐渐暴露出来。在对船舶航行灯进行更换与维修时，需要高空作业，工作环境极其恶劣，触及人身安全。故对船舶航行灯的优化以减少故障次数，避免高空作业，提高维修人员安全。LED作为21世纪的绿色照明光源，与传统光源相比，LED光源具有高效节能、使用寿命长、抗震、抗冲击、防腐防爆、光效高、光线柔和等优点[2]。这对于船舶航行灯的缺点有着互补的效果，能够提高船舶在航行中的能见度，表示自身的动态位置，从而保证航行中的安全，减少水上碰撞事故的发生。

2.传统船舶航行灯

2.1 航行灯的种类及分布

航行灯在船上种类居多，且分布的位置也是各不相同，以下从种类和分布地区去介绍：

1）桅灯是一种位于船首和船尾中线之上的一束光线，它在225°的水平弧度上显示出不间断的光线。颜色：白色。

2）舷灯是指在112.5°的水平弧线上，在右舷的绿色和左舷的红色指示灯，并在112.5°的水平弧线中分别显示。对于比20M短的船舶，其舷灯组合成一盏，并安装在船头和船尾的中心线上。颜色：左红、右绿。

3）尾灯和拖曳灯是在最接近船尾位置的一盏白色的灯，在135°的水平弧线上显示不间断的灯。颜色：白色、黄色。

4）环形灯是一种不间断的灯以360°水平弧形表示。颜色：红色、黄色、绿色、白色。

5）闪光灯是指在一定时间内每分钟闪烁120次以上的灯。

2.2 航行灯的工作原理

航行灯主要是以白炽灯为主，它的发光体是螺旋形状的，被称为灯丝。当有电流通过时，会产生大量的热量，灯丝被加热到白炽度并发出光，这就是我们通常所说的发热致光。白炽灯结构简单、瞬间点燃、光线可调、无频闪、价格低廉。功率超过60W的灯泡充满稀有气体（惰性气体），以减少钨丝的蒸发并延长其使用寿命。现如今船舶航行灯，船舶信号灯和应急照明灯都使用白炽灯。使用寿命一般为1000小时的白炽灯，可以承受较大波动的电压，但是长期处于波动较大的工作电压下，使用寿命会缩短[3]；当电压增加5%时，使用寿命将缩短25%；当电压降低5%时，发光强度会损失18%。灯头有螺口式（E27等）、插入式（B22和P285等）。

3.LED灯发光原理及特点

3.1 LED发光原理

LED的全称是Light Emitting Diode（发光二极管），是一种半导体元件。如图1所示，其核心部分是P型半导体和N型半导体形成的晶体，两者之间会有一个交汇层，该层称为PN结。LED光的颜色，取决多余的能量，而多余的能量是载流子多数与少数结合时产生的。PN结具有单向导电性，利用这一特性，加反向电压，少数载流子难以加入，所以此时不发光。在LED两边加上正向电压时，电流从LED阳极流向阴极，半导体会发生不同颜色的光线。电流的大小决定着光的强弱，电流越大那么发光越强[3]。

图1 LED灯的组成结构

3.2 LED灯应用特点

1）光利用率高：在室内照明方面，LED在光利用率和能源效率方面具有显著优势。比如在教室，传统的照明灯管在教室存在很多缺点，尤其是光照范围，大部分都反射到了其他地方，直照到桌面，黑板上少之又少。

2）光线柔和：传统照明存在较大的眩晕效果，在长期照明后，容易对视力产生影响，甚至会近视。而LED灯能很好地改变这些缺点，更好的发光强度，柔和的光线，更少的能耗，加上可控的灯光，很好地解决了传统照明产生的问题。

3）体积小，功率小：例如在医院，为了达到应急启动的需求，早期的手术台上的无影灯，就以卤素灯和卤素灯加少量金卤灯为主，但是功率高达2～3KW，且大部分都是用过热辐射的形式进行辐照，对医生长期烘烤会影响良好的手术状态。在空间狭小但光源集中的环境，LED冷光源的出现解决上面问题，改善了医生在手术时环境，提高的工作条件，还可应用于人体器官的内窥镜照明，是传统照明无法达到的效果。

4）节能环保：在户外照明方面，LED在光特性和节能方面具有显著优势。比如城市照明中，在这个智能化的时代、道路照明、广告牌、景观照明等，对待不同的场景，LED的功能多样性都能够与之匹配，满足照明系统需求，加上良好的可控性，亮度、范围、颜色、光效等都能够达到一个最佳状态，节省能耗的同时，提高了城市的环保[4]。

4.传统航行灯和LED灯对比分析

4.1 LED灯是否符合船舶航行灯的要求

4.1.1 规范要求

依据《1972年国际海上避碰规则公约》（以下简称《规则》）对船舶航行灯要求，必须要保持最小发光强度，以确保在规定的可视距离处能被观察到。而过度的光芒会影响驾驶人员的瞭望，所以《规则》要求对船舶航行灯的最大发光强度予以限制，但未提出具体的数值，一般以超过规定的能见1n mile距离为宜。

4.1.2 物理条件

①发光强度。号灯的最低发光强度数值要求见表1。

表1 号灯规范

船舶的大小决定着航行灯的发光强度，照亮多少海里[5]。对号灯发光强度的测量，可以在暗室或海上进行。一般在暗室内测定，先用调压器按额定电压接通灯具，然后用照度计距离灯具1m远，并上下移动各若干距离（一般以水平上下方各5°的角度为准），即可测定出发光强度。苏伊士运河信号灯的发光强度是3×106cd。

号灯的最小发光强度通过公式计算得来［6］：

式中：

I为发光强度：在一个单位的角度内，一个光源发出的光束称为光强度，简称“光”。单位是新国际烛光（Candela）。

F为光通量：一种光源在一秒内向各个方向发出的光能，单位是1m。

ω为立体角：从一个圆的半径r上切下一个圆锥，这个圆锥的顶部是球的中心，底部是球的表面，这个锥形的内部就是这个空间。

T为临阈系数:即人们所能感觉的最低照度称为临界系数，即低于这个照度人的视觉就看不见了。单位是勒克司（lx），公式中所指的

D为号灯的能见距离即号灯的照明距离,以海里（n mile）计算。

K为大气透射率：光能在大气中经过一定的距离传递，由于媒质的吸收、散射等原因而损失一部分，其剩余部分的光能与原数值之比即称作大气透射率。对于规定的号灯，K值应为0.8，相当于13n mile的气象能见度。

以LED玉米灯举例：LED玉米灯是LED灯具的一种，属于光源类，360°环绕发光，其形状及灯珠分布如同玉米棒，称为LED玉米灯。其设计成360°发光，其形状如同玉米棒，特称为LED玉米灯。灯体小巧，适合国内船舶上的常用灯头（E27灯头，B22灯头，E14灯头），安装简便；款式新潮，工艺精良，产品系列化。根据数据对比，LED玉米灯的理论数据可以替代白炽灯。使用LED灯可以达到与白炽灯相同的光效。

②功耗要求。航行灯功率规格有65W、75W、60W、40W、25W。而桅灯、左右舷灯、尾灯，都是采用65W的白炽灯。相对于其他功率规格的灯，工作环境更加恶劣，要求的抗震性能更高，所以故障率会较高，在航行中经常更换。因此以65W来对比LED的功率。

更换L E D 灯的前提是要符合1972年国际海上避碰规则公约航行灯发光强度所对应的功率。LED玉米灯发光强度符合要求，LED玉米灯的功率才25W就能与白炽灯的65W发出相同的发光强度。也就是说如果更换成为LED玉米灯的话，一个灯位可以比以前省出40W的功率，这样一来减少了对航行灯的发电量，减轻了发电机的负荷，有更多的电量去服务其他设备。

4.2 船舶航行灯应用于LED的优势

4.2.1 环保

LED作为二十一世纪的绿色光源，具有众多优点，其中节能环保是它所突出的亮点，再加它的发光材料使其成为绿色光源。根据有关资料介绍LED的最高发光效率可以达到370lm/W。在同样的发光强度条件下，LED耗电量更低。同样亮度和照明的LED照明的功耗仅为白炽灯的1/10[7]，是普通节能灯耗电量的1/4，把白炽灯换成LED可以在保证了发光强度的同时，还减少发电量，又节省了燃料，起到了很好的环保作用。

4.2.2 智能控制

传统船舶航行灯的控制线路中，每一盏灯对应着一个电流继电器，灯泡在工作时继电器会断开，当有一路发生故障时，所对应的继电器会失电，然后开关闭合，蜂鸣器就会报警发出响声。这样的报警线路太过单一，而且不善于观察每一盏灯的使用情况。

若把白炽灯更换为LED灯，则需要把报警线路一同更换。从工艺上来说，LED照明光源是电子产品，是低电压直流电为工作电流，非常适合电子智能控制。智能控制的主要目标是监控航行灯的使用情况，缩短使用时间，节约能源，从而更好地控制航行灯，保障船舶安全航行。