LED照明技术在试验厂房中的应用
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1 引言 航天器试验厂房是卫星和飞船研制、试验、总装的主要场所，其内部的照明环境对型号试验安全有序进行起到非常重要的作用，照明系统是提供明亮、舒适的照明环境的重要保障设施。近年来，随着我国航天事业的不断发展，为满足日益增长的型号任务的需求，航天器试验厂房的建设规模逐渐扩大，试验厂房灯光设备的配置也越来越多，灯光系统产生的能源消耗也越来越大。因此，如何节约能源，打造绿色航天器试验厂房的重要性日益凸显。对于高大厂房灯光产品来说，随着近年来LED光源技术的迅速发展，将LED光源应用到高大厂房灯光产品中，已经成为光源行业大力发展的方向。 2 照明系统现状及存在问题 目前，航天器试验厂房照明系统主要采用大功率高压钠灯和金属卤化物灯(金卤灯)的双光源组合灯具，灯位距地标高均在20m左右，最高可达25m。由于灯具的更新换代，原双光源产品购买困难，且双光源系统存在发热量大，灯具烧毁频繁、维修更换难度大等一系列问题。部分双光源灯具均已被单光源(金卤灯)灯具取代。单光源照明系统虽解决了双光源照明系统存在的部分问题，但仍存在一些问题主要表现如下： 1)照明质量欠佳。 经测量得知，航天器试验厂房内最小照度为60lx，最大照度为168lx，厂房平均照度约为138.6lx，照度值已远低于QJ2574-93《卫星总装安全要求》及GJB2204A-2005《卫星总装通用规范》中“AIT大厅工作区内照度应不低于300lx”的要求，且单光源照明系统色温不稳定，光衰大，已无法为型号试验提供良好的照明环境。 2)能耗及维保成本高。 高压钠灯和金卤灯均属于高压气体放电光源，功率大能耗高，据粗略统计，试验厂房照明系统27盏混光灯一天的电耗约为518kWh(一天按24h计算);灯具维修更换困难，且频繁的更换与维修需要更多的人力、物力，维护保养成本较高。 3)寿命短。 高压钠灯和金卤灯的理论寿命约为5000小时，但电压波动、环境温度、燃点时间等因素均会影响灯具的使用寿命。由于试验厂房吊顶内温度较高，灯具本身散热性差，且未能做到“在24小时连续燃点后，每周必须关闭至少15分钟”的使用要求，故灯具的实际使用寿命远低于5000小时。据统计，灯具的灯泡、镇流器年烧毁率高达30%。 4)存在安全隐患。 由于金卤灯及镇流器点燃后要产生大量热，灯具本身散热性差，且试验厂房吊顶内温度过高等原因，使灯具、电缆等元器件的绝缘性能下降，存在火灾隐患;在更换与维修灯具的高空作业过程中存在安全隐患。 3 LED光源及优越性 LED是“发光二极管”的缩写，LED是一种可以将电能转化为光能的电子器件，且具有二极管的特性。在一定条件下，它还具有发光特性，当在发光二极管PN结上加正向电压时，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能。 作为新型照明灯具，LED灯具相比于传统灯具有着巨大优势，其主要优点有： 1)发光效率高。 白炽灯光效为12-24lm/w、荧光灯50-70lm/w，大部分的耗电变成热量损耗，而LED光效可达到50-200lm/w，而且发光的单色性好，光谱窄，无需过滤，可直接发出有色可见光。 2)节能。 LED单管功率0.03-0.06w，采用直流驱动，单管驱动电压1.5-3.5v。电流15-18mA，反映速度快，可以高频操作，用在同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯的万分之一，荧光灯的二分之一。 3)寿命长。 白炽灯、荧光灯都是采用电子辐射发光，灯丝易烧，热沉积、光衰减等特点，而LED灯体积小，重量轻，环氧树脂封装，可承受高强机械冲击和震动，不易破碎，平均寿命达10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。LED灯具使用寿命可达5-10年，可以大大降低灯具的维护费用避免经常换灯。 4)安全可靠性强。 LED灯具是完全封装在环氧树脂里面，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点。发热量低、无热辐射性，能精确控制光型及发光角度、光色、眩光、不含汞，钠元素等可能危害健康的物质。 4 应用措施 LED照明在景观照明中应用较多，且技术较为成熟，但在高大厂房中应用仍处于初级阶段。为确保收获良好的应用效果，特将本次应用安装分阶段进行，严格按照方案论证、产品安装、照度测试、数据分析几步完成。 方案论证。为确保应用方案的可行性，在安装前对试验厂房进行区域划分与测量点布置，并对现有灯具的照度进行了测量。并采用照明计算软件DIALux对试验厂房LED照明系统的照度进行模拟。将试验厂房几何尺寸、灯具参数作为输入，并选择四角布点法对照度进行测量，选取168个测量点，通过软件模拟得出试验厂房各测量点的照度值，照度模拟效果见图1。 图1 照度模拟效果图 产品安装。对灯具进行安装调试。选用灯具产品为BGK300W-A型LED高悬挂灯，具体参数见表1。 表1 LED高悬挂灯参数表 安装采取维持原灯孔数量及位置不变的方法，采用原有吊顶嵌入式暗装对LED高悬挂灯进行安装，灯位平面图见图2。灯具的控制方式及导线均不做改动。 图2 灯位平面图 照度测试。针对试验厂房测量区域采取“四角布点法”进行测量。即在照度测量区域内将测量区域划分成矩形网格，网格为边长为3m的正方形，在矩形网格4个角点上测量照度，网格四角布点示意图如图3所示。 图3 四角布点示意图 针对测量区域而言，四角点指测量区域四个角落，共4个测量点;边线点指测量区域四条外边线上的点，每条边线上选取6个点，每点之间距离约为3米，共有24个测量点;场内点指对测量区域四条外边线内的测量点，每点之间距离约为3米，共有114个测量点。针对已布置好的测量点，严格按照测量条件在夜晚对照度进行测量，按测量数据填写照度测量计量表。由于新照明灯具存在散热、光衰等问题，故本次测量试验需持续一段时间，拟定每周测量2次，至少持续8周。以保证把新换灯具的优点、缺点充分暴露出来，以达到测量的目的。 数据分析。对照度测量值严格按四角布点法计算公式计算出平均照度及照度均匀度，并对不同灯具的参数、照明效果、节能效益进行详细对比分析。 四角布点法的平均照度按式(1)计算： 式(1) 式中： E——平均照度，单位为勒克斯(lx); M——纵向网格数; N——横向网格数; E□——测试区域四个角处的测点照度，单位为勒克斯(1x); EΔ——除E□外，四条外边上的测点照度，单位为勒克斯(1x); Eo——四条外边以内的测点照度，单位为勒克斯(1x)。 照度均匀度按式(2)计算： 式(2) 式中： U——照度均匀度(均差); Em——最小照度，单位为勒克斯(1x); E——平均照度，单位为勒克斯(lx)。 计算结果显示采用LED高悬挂灯后工作面最大照度达470 lx，平均照度达到310lx。由此可见，试验厂房的照明质量显著提高，不仅保证了试验厂房照度值满足QJ574-93《卫星总装安全要求》，而且色温及显色指数更加宜人，长期使用不会出现色差变化，无偏色现象。 5 节能分析 经计算，在保证试验厂房照度要求的情况下，新型LED灯具用电功率大幅降低，节电率高达62.5%，节能效益分析见表2，最大限度的节省了电费开支，且新型灯具的寿命成倍延长，大幅降低了灯具维修更换的人力、物力成本。 表2 LED灯与原灯具节能效益分析 通过以上计算得知，改用新型LED灯具后，由于用电功率大幅降低，该大厅每年可节省照明电费约10.88万元，维护费1.5万元，每年可节约总费用达12.38万元。 6 结束语 随着LED光源技术的迅猛发展，LED光源在高大厂房中的应用也得到了长足的进步。不仅改善了航天器试验厂房的照明环境，加速了陈旧用电设备、落后工艺的更新换代，还可以大大提高能源利用率，大幅度的降低能源损耗，从而高效地为型号试验保驾护航，使有限的能源用于更多的科研生产。若今后将LED照明技术与调光技术相结合，LED技术在航天器试验厂房中的应用必将得到更大的发展。
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