刘 淼

[摘 要]介绍照明光源的发展史,详细阐述第三、四代光源的优缺点,分析发电企业复杂的照明环境,通过原理分析及经济对比,阐述第三、四代照明光源在发电企业推广的可行性。

[关键词]高频无极放电灯 半导体照明灯具 发电企业照明环境特点

[中图分类号]TP923[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0028-04

目前节能减排已经成为国家一项基本国策,发电厂作为能源生产单位,同时也是耗能大户,节能减排压力尤为重大。面对当前电力市场疲软,负荷率下滑以及节能经济调度的试点,深度挖潜,节能降耗是企业必须自我推进的一项工作。

由于发电厂照明点多面广,部分区域需长期照明,照明用电量占厂用电比例虽然不大,但耗电量也相当可观。当前老发电企业照明方式多停留在白炽灯、汞灯阶段,新建电厂照明设备的选型虽然有所提高,但仍以照明效率相对较低、维护费用偏高的细管径直管荧光灯、紧凑型荧光灯和高压钠灯为主。近几年随着照明技术的更新换代,高频无极放电灯、半导体照明灯具技术已经相对成熟具备了大面积推广的条件。因此做好老发电企业照明系统的节能改造,尤其是新建电厂照明系统的选型其节能成效是相当显著的。本文通过对照明新技术的介绍以及发电企业照明环境的分析,来探讨新型照明方式在发电厂的应用前景。

1 照明光电源发展史

第一代电光源:白炽灯(卤钨灯)

由强大的电流形成自由电子,使钨丝升温产生热辐射而发光,钨丝温度达2000℃左右,大部分电能转变为热辐射,少部分电能转变为光能,白炽灯的使用寿命在2000小时以内。

第二代电光源:荧光灯(日光灯、节能灯)

低压气体在电场作用下被电离,电离的气体原子发射紫外光并激发管壁上的三基色荧光粉,发射荧光,包括日光灯、节能灯、紧凑型节能灯等,寿命在6000～8000小时。荧光灯含汞,玻璃含铅,有污染,废弃物不可回收。

第三代电光源:高强度气体放电灯(HID)

高强度气体放电灯是目前大功率照明应用较广的灯具,其原理是灯管内充满了气体和金属。气体帮助灯泡启动,而金属加热达到蒸发点,形成等离子态后而发出光线。包括水银灯、金属卤化灯、低压钠灯、高压钠灯以及最新型的高频无极放电灯。发光效率可达60～80 lm/w,寿命为1000～3000小时。

第四代电光源:半导体发光二极管(LED)

半导体发光二极管(Light Emitting Diode,缩写成LED),是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,它们之间形成的过渡层叫P—N结,当P—N结加正向电压时有电流注入,电子和空穴复合而发光。LED晶片的体积很小,通常只有几十到几百微米见方,属于固态光源,选择适当匹配的材料和制造工艺,电能大部分可转变成光能,理论上发光效率可达400 lm/w(但是目前LED实际发光效率还在100 lm/w左右),工作状态稳定,可靠性高,寿命超过10万小时。

2 电厂照明的环境特点

2.1 电压不稳,冲击大

发电厂照明电压稳定性相对较差,电压通常情况下偏高,而且由于发电厂均是大功率辅机,在辅机启停过程中电压波动冲击很大,对照明灯具寿命的影响非常大,由其没有专用的照明变压器的发电厂,现象尤为明显。

2.2 工作环境复杂恶劣

对于发电厂发热源较多,环境温度高,工作环境污秽,不利于灯具散热;转动机械多振动大,对采用灯丝照明的灯具寿命有较大的影响。

2.3 照明电压等级多,防护等级高

发电厂普通照明为380V、220V等级。电缆沟、电缆夹层以及低于2.2米生产车间照明用24V电压等级,检修用临时灯具采用12V电压等级。 应急照明为直流220V或110V电压等级。油库氢站应配备防爆灯具,化学车间酸碱库应配备防腐蚀密闭灯具,桥吊、斗轮机等振动大摆动大的机械需配备具有防脱落装置的照明灯具。

2.4 更换难度大

由于发电厂工作环境复杂高温高压设备多,部分部位照明更换难度较大,如烟囱顶部障碍灯,炉外及炉顶照明等,一旦损坏更换难度及危险程度均较大,这类照明对灯具寿命要求较高。

针对发电企业上述照明环境特点对配套照明灯具提出了较高的要求,既要抗震、耐高温环境适应性强,还要寿命长,电压适应幅度宽,而这些要求正是高频无极放电灯、半导体照明灯具所具备的优势。

3 高频无极放电灯的工作原理及特点

3.1 工作原理

高频无极放电灯是基于荧光灯气体放电和高频电磁感应两个人们所熟知的原理相结合的一种新型电光源。他是由高频发生器、功率耦合器和涂有稀土三基色荧光粉的灯泡三部分组成。当电流通过高频发生器,产生一个2.65MHz高频正弦电压,并同时产生一个3000V左右的点火电压,通过功率耦合器在涂有稀土荧光粉的玻璃泡壳内瞬间建立一个高频磁场,在高频磁场的作用下,泡壳内部的惰性气体(氪气和氩气的混合气体)发生电离并进而产生雪崩效应,从而产生强紫外线,稀土荧光粉在强紫外线的作用下从而发出可见光。由于玻璃泡壳内壁涂有氧化铝金属粉层,相当于在泡壳内壁建立了一个金属屏蔽层,从而阻挡了电磁波外泄,这使得高频无极灯不会产生超出国家标准的电磁空间辐射。传统电光源不论是白炽灯还是高、低压气体放电灯,都是由一个玻壳和一根灯丝组成,电能通过灯丝进入灯泡转换为光能。而高频无极灯则是通过把高频电磁能以感应方式耦合到灯泡内,因此它没有常规电光源所必须的灯丝或电极,故名无极灯。如图1所示。

3.2 灯具特点

(1)寿命长:一般的白炽灯、日光灯、节能灯、及其它气体放电灯都有灯丝或电极,而灯丝或电极的溅射效应恰恰是限制灯使用寿命的必然组件。高频无极灯没有灯丝,所以它不存在限制寿命的必然组件。使用寿命仅决定于电子元器件的质量等级、电路设计和泡体的制造工艺,一般使用寿命可达5万～10万小时。是白炽灯的60倍,节能灯的12倍,高压钠灯的4倍。

(2)高效节能发光效率高:可达60Lm/W以上。比白炽灯节能70%以上,比高压汞灯、高压钠灯、金卤灯节能50%以上,具有极低的运行成本和维护成本。

(3)无频闪:高频无极灯所使用的工作频率为2.5～3.0MHz,也就是说,高频无极灯的工作频率比普通白炽灯和日常使用的电感式日光灯、金卤灯、高压钠灯等灯种的工作频率(50Hz)高出5万～6万倍,比普通节能灯或电子镇流器的工作频率(30～60KHz)高出约250倍。由于它的工作频率高,所以视为“完全没有频闪效应”,不会造成眼睛疲劳,保护眼睛健康。

(4)不需预热、瞬时启动、适应温度范围大:可立即启动和再启动,启动时间均小于0.5秒,完全消除了灯丝启动的弊端,即开即亮,开关寿命3万次以上,在-40℃至50℃范围内,均可正常启动和工作。

(5)显色性好,可见光比例高:光色柔和,呈现被照物体的自然色泽;在发出的光线中,可见光比例达80%以上,视觉效果好。

(6)高频功率数、可靠性高:功率因数可高达95%以上,减少了无功消耗,节能降耗效果显著。采用了电磁感应、高频触发和独特的灯泡制作工艺,使整灯的可靠性极高,真正实现免维护。

如表1所示。

由高频无极放电灯的特点可以看出,因为无极灯无灯丝、电极,所以抗震性能十分优异;此外采用电磁发光,低气压放电原理,防爆性能优越;激励源在灯泡外,自身的发热量在高压钠灯、金卤灯的1/5以下,环境温度适应性好;寿命长维护量小。综上所述他是目前灯具中最适合在发电厂应用的灯具。

3.3 经济性比对

我们将同照明等级的高频无极灯与当前广泛应用的高压钠灯的进行了成本对比分析。高频无极灯显色指数、功率因数明显高于高压钠灯,因此135W的高频无极放电灯的照明效果高于250W高压钠灯的照度。且使用寿命为高压钠灯的6倍,随着无极灯的大批量规模化生产,镇流器加灯泡的整体成本与高压钠灯成本正逐渐拉近。以无极灯的一个使用周期60000小时来对比两款灯具的成本,电价按照发电厂标杆上网电价0.37元/kwh进行测算,结论如下表。从对比表中可以看出高压钠灯的成本高出无极灯一倍,尚未考虑高压钠灯更换的人工成本。通过上述经济效益对比得出以下结论,电厂初设阶段如选择高频无极灯在一次性投资增加不大的前提下,高频无极灯长远效益明显要高出高压钠灯。如表2所示。

4 半导体照明灯具

半导体发光二极管是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,它们之间形成的过渡层叫P—N结,当P—N结加正向电压时有电流注入,电子和空穴复合而发光。目前发光二极管分为大功率发光二极管(>1W),小功率发光二极管(<1W)。如图2所示。

4.1 灯具特点

(1)光电转换率高、低功耗、节能省电:传统日光灯会产生大量的热能,而LED日光灯则是把电能全都转换为光能,不会造成能源的浪费。 而且对墙面、衣物不会产生退色现象。LED一般12V-24V直流供电,单颗功率为0.06～1W,用量大的可以通过多种方式组合或集成,以满足不同需要,功率因素接近于1,用低电压带来高光效能,比传统白炽灯节省电能约80%以上,如果一个LED发光要特定亮度时所需的耗电量是15W,那麼传统白炽灯泡要达到同样亮度的耗电量可能会高达高达150W。

(2)寿命长、免维护:目前LED理论寿命可达5～10万小时,标称寿命也在2万小时以上,由于寿命长,经久耐用;LED灯体本身使用的是环氧树脂而并非传统的玻璃,更坚固牢靠,磕碰和振动对LED不会造成损坏,减少了维护维修费用,降低了成本。

(3)环境适应能力强、安全性好:LED只要在温度-40℃-85℃,湿度≤65%的情况下都可以正常安全的使用,由于LED属于冷光源照明,没有灯丝,防爆性能好,对恶劣环境适应能力强。

(4)光线柔和、无频闪、使用安静:LED灯具是把交流电直接转换为直流电,不会产生闪烁现象,且没有镇流器使用安静。

(5)电压可调、范围广:传统的日光灯是通过整流器释放的高电压来点亮的,当电压降低时则无法点亮。而LED灯具在较大范围的电压之内都能点亮,只是在电压偏低时,亮度降低而已,但仍能保证正常启动。如表3,表4所示。

LED照明技术目前正处在精进阶段, 120 Lm/w的纯白色LED即将量产,这将是目前光效最高的照明灯具。LED灯具分为大功率LED照明与小功率LED照明,大功率LED照明灯具主要应用在路灯等大空间照明领域,成本相对较高,而小功率LED照明灯具已经走向民用,民用灯具市场已经可以买到LED灯泡、LED灯管,与普通灯具互换性强,不需进行灯具改造直接更换LED灯泡、灯管即可使用,且而随着LED光源产业的壮大,其价位不断下降,使企业更换灯具成本大幅下降。

如图3所示。

虽然LED照明灯具从光效率上与T5新型荧光灯管基本相同,但LED固体照明在环境适应性上是T5荧光灯所无法比拟的,而且LED灯的电压等级覆盖非常广,可按需定做,为电缆沟等低压供电区域照明十分便捷。

5 结语

通过对高频无极灯及半导体照明灯具特性的了解得出以下结论,高频无极放电灯适合于发电企业空间广、大范围的大功率照明,如机炉房、厂前区等;半导体灯具适合于低电压、振动大恶劣环境下的照明,如配电室电缆夹层烟囱障碍灯等。两种灯具一大一小均具备节能、抗震、防爆、电压适应能力强、使用寿命长等多方面的的优点,涵盖了发电厂的全部照明环境,十分符合发电厂的照明要求,具备在发电企业推广的潜力,尤其在新项目规划过程中应积极采用新型灯具照明,这样在前期投资增加不大的前提下,大幅降低投运后的维护费用。