李寶文

(蘭州鐵路局計(jì)劃統(tǒng)計(jì)處，甘肅 蘭州 730000)

目前國(guó)內(nèi)外節(jié)能產(chǎn)品LED在通用照明上已有較大突破，并已逐步推廣運(yùn)用。但由于LED節(jié)能燈作為點(diǎn)光源，目前只能運(yùn)用在室內(nèi)和低空照明場(chǎng)所，在特定場(chǎng)合下(照射高度超過(guò)20 m，照射距離超過(guò)200 m)、具有特殊用途、滿足特殊作業(yè)需求的LED照明，尚處于研制階段。尤其是對(duì)鐵路燈橋燈塔等高空下的站場(chǎng)照明，尚無(wú)成功的LED節(jié)能燈產(chǎn)品供現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用。為此，蘭州鐵路局計(jì)統(tǒng)處與局老科協(xié)、揚(yáng)州市朝陽(yáng)鐵路信號(hào)設(shè)備有限公司合作，研制了適合鐵路燈橋燈塔應(yīng)用的LED節(jié)能燈，本文對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)。

1 研制目標(biāo)

研制150 W左右LED節(jié)能燈，以400 W金鹵燈為改造單元，在同等照度、亮度條件下，節(jié)電達(dá)到60%以上，使用壽命不低于50 000 h，能滿足鐵路作業(yè)的要求，符合TB10008—2007《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB/T494—1997《鐵路照明照度標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

2 技術(shù)方法

2.1 研究解決光照均勻度

本課題技術(shù)難點(diǎn)之一就是光照均勻度的問(wèn)題，如果采用平常錐形設(shè)計(jì)照明燈的形式，就形成了照遠(yuǎn)不能照近，或調(diào)整角度，又形成照近不能照遠(yuǎn)。因而課題組設(shè)計(jì)了近似外圓弧形的燈具模板，經(jīng)過(guò)多次模擬試驗(yàn)，成功地解決了光照均勻度的問(wèn)題，其技術(shù)方法為:

2.1.1 設(shè)計(jì)一種近似外圓弧形安裝LED燈的模板，弧形模板按垂直角度計(jì)算，分別從5～80°由7塊不同尺寸的模塊組成，模板上部照遠(yuǎn)的光區(qū)段角度較小，照近的光區(qū)段的角度較大。在7塊模塊上安裝不同數(shù)量的LED燈，形成了遠(yuǎn)近都能照到的7個(gè)光區(qū)，從根本上解決了光照均勻度的問(wèn)題。

2.1.2 在近似外圓弧形的7塊模板上，小角度照遠(yuǎn)距離的光區(qū)安裝的 LED燈數(shù)量占總量的約50%，中角度照中等距離的光區(qū)安裝LED燈數(shù)量占總量的約37%，大角度照近距離的光區(qū)安裝LED燈數(shù)量占總量的約13%。

2.1.3 近似外圓弧形的模板寬260 mm，總長(zhǎng)度為660 mm，厚度為60 mm，主材料為高導(dǎo)熱的散熱器，7塊模塊用螺栓固定在外圓弧形的柜架上，形成一個(gè)整體。

2.2 研究解決 LED節(jié)能燈普遍存在的眩光、刺眼、“斑馬線”、散光角度不足和光照度不足的問(wèn)題，經(jīng)多次試驗(yàn)，采用了以下的方法:

2.2.1 采取二次配光的方法，在每個(gè) LED燈泡上配上凸透鏡，使光的照度達(dá)到設(shè)定的理想值，解決了光照度不足的問(wèn)題。

2.2.2 選擇定制LED燈泡為90°，凸透鏡選擇5～35°不同角度的透鏡，通過(guò)透鏡射出來(lái)的光，相互疊加形成了如下特色:整個(gè)光源融為一體，不眩光、不刺眼;散光角度充足;無(wú)“斑馬線”;遠(yuǎn)近光射區(qū)域選擇的透鏡角度不同，在二次配光的作用下，光照度達(dá)到了理想的效果。

2.2.3 相關(guān)電子元器件選用的是軍品級(jí)產(chǎn)品，LED燈泡選用目前市場(chǎng)質(zhì)量好、性能穩(wěn)定的3W LED燈泡，單個(gè)光通量達(dá)到 160～180 lm，整個(gè)LED節(jié)能燈的光通量達(dá)到11 000 lm。

2.2.4 為保證作業(yè)場(chǎng)所色溫科學(xué)合理，本課題的色溫設(shè)計(jì)經(jīng)多次測(cè)定在6 210～6 300 K之間。

2.3 研究解決散熱問(wèn)題

大功率LED節(jié)能燈的散熱問(wèn)題是涉及到其使用壽命長(zhǎng)短和光照度衰減的核心問(wèn)題，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，LED的工作環(huán)境溫度適宜在－30～+75℃，超過(guò)80℃就會(huì)影響燈具的使用壽命。經(jīng)科學(xué)攻關(guān)，采取了以下技術(shù)方案:

2.3.1 選用了特殊的、高導(dǎo)熱、快傳遞的材料定制散熱器。

2.3.2 在結(jié)構(gòu)上作了要求設(shè)定，散熱體積較大。

2.3.3 在電路設(shè)計(jì)上，采取了低電壓供電、功耗小，達(dá)到了工作溫度低的效果。

2.3.4 設(shè)計(jì)的大功率LED節(jié)能燈的工作環(huán)境溫度為－40～+75℃，課題組經(jīng)30多天的連續(xù)測(cè)試，150 W的LED節(jié)能燈的工作環(huán)境溫度未超過(guò)48℃，屬科學(xué)合理的工作環(huán)境溫度。

2.3.5 課題組設(shè)計(jì)的散熱器，采用自然散熱的技術(shù)，非人工強(qiáng)制散熱的方式。

2.4 研究解決恒壓恒流的技術(shù)問(wèn)題

根據(jù)西北地區(qū)高海拔、空氣干燥、晝夜溫差大、季節(jié)風(fēng)沙大、鐵路站場(chǎng)又有高壓接觸網(wǎng)及電壓波動(dòng)大、靜電干擾防護(hù)等問(wèn)題，采取了以下的技術(shù)方案:

2.4.1 與電源生產(chǎn)專業(yè)科技人員聯(lián)合設(shè)計(jì)了寬電壓高頻輸入技術(shù)，利用源效應(yīng)的科學(xué)原理，在電壓波動(dòng)值不穩(wěn)定時(shí)，波動(dòng)值在20%～30%的范圍內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定，達(dá)到了恒壓效果，有效解決了鐵路站場(chǎng)電壓波動(dòng)大的問(wèn)題。設(shè)計(jì)輸入電壓為110～330 V，輸出電壓為25～28 V，而且輸出電流可根據(jù)實(shí)際需要作調(diào)整。

2.4.2 課題組設(shè)計(jì)的大功率 LED節(jié)能燈，為了達(dá)到低功耗、保安全、長(zhǎng)壽命，采用8個(gè)一串聯(lián)，5路一并聯(lián)的布局模式。既降低了LED節(jié)能燈在工作中產(chǎn)生的熱量，又不會(huì)因個(gè)別燈泡偶然損壞而影響整體光照效果。

2.4.3 課題組設(shè)計(jì)的大功率 LED節(jié)能燈，經(jīng)測(cè)試3 000 V高壓過(guò)電在60 s不受損，8 000 V高壓瞬間過(guò)電不影響燈具質(zhì)量。LED的無(wú)功消耗極低，經(jīng)測(cè)試，本課題研發(fā)的大功率LED節(jié)能燈功率因數(shù)達(dá)到0.94。

2.4.4 關(guān)于防雷、防靜電干擾以及安全問(wèn)題:課題組研發(fā)的大功率LED節(jié)能燈在安裝時(shí)，不改變?cè)袩魳驘羲碾娐吩瓲?，使用原有的接地裝置，只要換上燈具即可，而且功率比原有的金鹵燈或高壓鈉燈小得多，故不會(huì)產(chǎn)生對(duì)原有設(shè)備設(shè)施超負(fù)荷問(wèn)題。因大功率LED節(jié)能燈主體材料是金屬導(dǎo)電材料，同時(shí)又接地，故不會(huì)產(chǎn)生靜電干擾。

2.4.5 蘭州地區(qū)高海拔、空氣干燥、晝夜溫差大，不會(huì)對(duì)大功率LED節(jié)能燈的使用產(chǎn)生影響。首先，高海拔的地區(qū)紫外線較強(qiáng)，而課題組設(shè)計(jì)的LED節(jié)能燈做了防護(hù)外罩，故紫外線輻射不會(huì)影響燈具的內(nèi)在質(zhì)量。其次，蘭州地區(qū)氣候干燥，這比較適合LED節(jié)能燈需防雨防濕的要求。還有晝夜溫差大的區(qū)域氣候特點(diǎn)，也不會(huì)影響LED節(jié)能燈的使用壽命，因燈具是在晚間工作，而且又產(chǎn)生一定的熱量，夜間在溫度低的時(shí)間，能起到較好的散熱降溫效果。

2.4.6 針對(duì)蘭州地區(qū)季節(jié)風(fēng)沙大的特點(diǎn)，課題組針對(duì)大功率LED節(jié)能燈設(shè)計(jì)了防護(hù)罩，既能防塵防雨，又保證了正常透氣散熱。

3 成果檢測(cè)分析

經(jīng)具有專業(yè)檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，由表1可見(jiàn)，本課題研發(fā)的大功率(150 W)LED節(jié)能燈，在照射高度20 m，照射距離200 m的燈橋燈塔上使用，近距離(距離燈橋5 m)照度為156 lx，中間距離(25～125 m)照度為130～146 lx，遠(yuǎn)距離(150～200 m)照度為34～78 lx，即最高值為156 lx，最低值為34 lx。而高壓鈉燈近距離為350 lx，遠(yuǎn)距離(100～200 m)為3～43 lx，高壓鈉燈遠(yuǎn)距離照度不足。大功率(150 W)LED節(jié)能燈取9個(gè)點(diǎn)(5～200 m，每25 m一個(gè)點(diǎn))測(cè)試，平均值為113.6 lx，完全符合 TB10008—2007、TB/T494—1997規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

表1 150 W LED節(jié)能燈與400 W高壓鈉燈照度測(cè)試

4 效益分析

研發(fā)的大功率(150W)LED節(jié)能燈從2011年1月初在蘭州車務(wù)段潁川堡車站燈橋1－4股道投產(chǎn)運(yùn)行9個(gè)多月來(lái)，安全可靠，未產(chǎn)生任何維修費(fèi)用，極大地改善了夜間站場(chǎng)照明條件，受到了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的一致好評(píng)。經(jīng)蘭州車務(wù)段實(shí)際測(cè)算，節(jié)能效果顯著。經(jīng)濟(jì)效益從表2可以反映:

表2 兩類燈具經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

4.1 大功率(150 W)LED節(jié)能燈使用壽命長(zhǎng)，可以50 000 h以上基本免維護(hù)，極大地降低了運(yùn)營(yíng)成本，單盞燈10年可節(jié)約維護(hù)成本52 750元，如果大批量使用LED節(jié)能燈，其經(jīng)濟(jì)效益是十分巨大的。

4.2 大功率(150 W)LED節(jié)能燈功耗低、超節(jié)能，本課題的LED節(jié)能燈每年的耗電量只有金鹵燈或高壓鈉燈的29.8%。

4.3 從能耗和維護(hù)成本的綜合因素考慮，一盞金鹵燈或高壓鈉燈10年的綜合費(fèi)用是75 434.25元，而一盞 LED節(jié)能燈10年的綜合費(fèi)用是13 774.25元，兩相比較，課題組研發(fā)的大功率LED節(jié)能燈綜合費(fèi)用只占金鹵燈或高壓鈉燈的18.26%，一盞燈的10年綜合費(fèi)用可節(jié)省61 660元。

4.4 推廣大功率 LED節(jié)能燈，不僅有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且有十分廣闊的社會(huì)效益。與傳統(tǒng)金鹵燈比，一盞大功率 LED節(jié)能燈，一年可節(jié)電1 460 kW·h，全國(guó)高空照明需要的大功率照明燈非常多，如果都換成LED照明燈，一年節(jié)電的數(shù)量驚人;大功率LED節(jié)能燈無(wú)紫外線輻射、無(wú)廢棄物污染，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生任何污染和傷害，真正達(dá)到了綠色照明的要求。

2011年4月《大功率LED節(jié)能燈在鐵路燈橋燈塔應(yīng)用》課題通過(guò)了蘭州鐵路局科委組織的專家評(píng)審。同年6月，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予該技術(shù)專利權(quán)(專利號(hào):201020699782X);7月該課題獲得蘭州鐵路局第九屆企業(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)。

5 尚需完善的問(wèn)題

蘭州局研發(fā)大功率LED節(jié)能燈項(xiàng)目，盡管達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)，但也有許多問(wèn)題尚需進(jìn)一步研發(fā)完善:

5.1 安裝LED燈的近似外圓弧形模板:目前由7塊模塊組成，以后可以通過(guò)模壓，形成一塊整體的、分成不同光區(qū)段的外圓弧形模板，這樣就可以制作方便、操作簡(jiǎn)捷、重量減輕、安裝靈巧。

5.2 大功率LED燈的控制:可以研發(fā)設(shè)計(jì)成智能控制系統(tǒng)，根據(jù)自然光照的強(qiáng)弱程度調(diào)節(jié)照明需求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)燈關(guān)燈，這樣既節(jié)約了能源，又方便了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)對(duì)照明的需求。