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LED照明在轨道交通照明系统中的应用

2013-8-12  来源:北京轨道交通运营有限公司机电公司; 北京理工大学  作者:曹 瀚 谭铁仁  有2352人阅读

LED照明作为一种新型的绿色照明,与传统照明相比,具有节能、高效,安全等特点,更符合低碳环保的理念。介绍LED照明的工作原理和特点,阐述北京城市轨道交通照明的现状及存在的问题,并通过收集LED照明在车站内的实验数据,分析LED照明在城市轨道交通的应用前景。

  0 前言

  城市轨道交通车站是人员密集度十分高的场所,人员的流动性也很大。特别是在地下车站,照明灯具是正常照明的唯一来源。因此,稳定、可靠的照明是保证车站内乘客安全和舒适的必要条件,也是保障列车能够正常、有序、安全运行的前提条件。

  绿色照明是指通过科学的照明设计,采用光效高、寿命长、安全且性能稳定的照明产品,来改善和提高人们的工作、学习和生活,从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。

  目前, 北京市城市轨道交通普遍采用传统照明,传统照明在实际应用中存在着诸多不足之处。为了积极响应低碳环保的理念并结合北京城市轨道交通自身的特点,北京轨道交通对车站进行了用L E D照明灯具代替现有类型灯具的改造试验。L E D的应用既能满足绿色环保的要求,又能很好地解决目前照明灯具所存在的问题。

  1 北京城市轨道交通照明的现状

  北京城市轨道交通车站目前采用的照明灯具类型有荧光灯、金属卤化物灯和高压钠灯等。灯具种类繁多、功率较大,既不方便采购和维修,又不节能环保。而且,这几种照明灯具的寿命基本都低于10 000 h,有的甚至低于5 000 h。目前在用灯具的工作电压基本都来源于市电交流220 V,由于城市轨道交通内部照明配电的比较特殊,配电电压普遍偏高,致使灯具容易损坏,使用周期大大缩短。以下是目前在用照明灯具所存在的问题。

  (1)荧光灯。显色性偏低,由于功率因素偏低,所以耗能较大。

  (2)金属卤化物灯。发光效率高、显色性能好且寿命长,但是点燃时间长,不易应用于应急照明光源。

  (3)高压钠灯。发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点,但是钠灯的照明持续性存在缺陷。

  由于城市轨道交通车站结构的特殊性,地下车站及区间的结构为全封闭式,车站照明灯具的需求量较大且照明时间较长;地上车站及区间的结构基本为半敞开式, 所以, 车站照明灯具受环境因素的影响较大。车站内粉尘较多且部分照明灯具长期暴露在外, 严重影响了光源的发光效率和寿命周期。总的来说,这些普通光源在节能环保和维修费用等方面存在着较大的问题。

  2 LED照明特点

  LED即发光二极管,是一种可以将电能转化为光能的电子器件,其核心部分是P N结,它除了具有正向导通,反向截止、击穿特性外,在一定条件下,它还具有发光特性,但光仅在靠近PN结处产生。

  2.1 LED照明的优势

  L E D照明相对于传统照明有着绝对的优势,主要体现在8个方面。

  (1)电压:LED使用低压电源。单颗电压在1.9~4 V之间,比使用高压电源更安全。

  (2)抗振性:LED是固态光源。由于它的特殊性,具有其他光源产品不能比拟的抗振性。

  (3)寿命:长达5万h及以上。

  (4)稳定性:受环境温度影响相对较小。

  (5)响应时间:LED照明的响应时间为纳秒级,是目前所有光源中响应时间最快的产品。

  (6)节能环保:LED比传统灯具节能60%~80%以上,且不含金属汞等对身体有害物质。

  (7)颜色:LED的带宽窄,发光颜色纯,因此,L E D的色彩比其他光源的色彩丰富得多,能够更准确

  地反应物体的真实性。

  (8)效能:LED发光功率转换接近98%以上,所以,光效高。经过实验,最高光效已达161 l m/W,是目

  前光效最高的照明产品。

  L E D照明灯具的电源采用的是低压直流电源,所以,L E D照明灯具配套A C/D C转换且恒流驱动的电源,这样就可以有效地防止由于电压偏高而造成的灯具损坏,从而提高灯具的使用寿命。L E D照明响应时间很短, 能够满足应急照明的要求并且光效较高,使其在相同照度标准下,功率耗费最小,能够达到节能减排的效果。由于LED被完全封装在环氧树脂里面并由无毒的材料做成,所以非常环保、耐用。

  2.2 LED照明的不足之处

  近年来,L E D的发光效率正在逐步提高,已接近荧光灯的水平,并在继续增长中。但在照明应用及普及方面仍存在一些技术性问题。

  (1)LED采用的是冷发光技术,其发出的光与自然光有一定的差距。白炽灯具有非常强的黄色光成分,给人一种温暖的感觉。而L E D发出的白光带有蓝色光成分,使人们的视觉不很自然。

  (2)LED灯具散热存在着问题。随着功率的增加,其散热问题显得越来越突出,大量实际应用表明,

  L E D不能加大输入功率的基本原因是由于L E D在工作过程中会放出大量的热,使管芯结温迅速上升,热阻变大。输入功率越高,发热效应越大。温度的升高将导致器件性能衰减,非辐射复合增加,器件的漏电流增加,半导体材料缺陷增长,封装用环氧树脂黄化等等,严重影响L E D的光电参数,严重影响到了LED的寿命。

  (3)L E D价格较高。这是影响L ED照明普及的主要原因。但是,近年来由于晶片技术的不断改良,制造成本不断下降,正朝着高效率、低成本的方向发展,这为LED在照明领域的应用提供了有利条件。

  3 L E D在轨道交通中的应用及影响

  城市轨道交通行业的发展要求“严控成本、低耗环保”。为建设现代化的轨道交通,把节能降耗作为提高整体网络化运营管理能力和设备设施运行、维修实施精细化管理的重要手段,从而促进首都交通全面协调可持续发展。

  按照城市轨道交通行业的规划要求,加强能源管理,主要从技术节能和管理节能2个方面提高能源的利用效率、降低能源的消耗水平、制止能源浪费。

  目前,L E D照明在北京城市轨道交通的部分车站的试验应用主要体现在技术节能方面,通过车站的试验应用来收集相关的技术数据,验证L E D照明的实用性和经济性,为L E D照明在轨道交通内的广泛应用提供有力的实践基础。

  经过现场试验, 所收集的相关技术数据主要体现在固定点的照明照度值、照明设备功率、运行时间、功率因数和耗能等方面,表1、表2为目前所收集到的荧光灯和L E D照明的基本参数及耗能、照度的对比情况。

    表1 荧光灯与LED照明耗能及参数对比

  表2 荧光灯与LED照明的照度对比

  通过对这些数据的综合对比可见,不论从耗能方面还是照度方面,L E D照明均比荧光灯照明具有一定的优势。

  3.1 耗能数据分析

  在相同运行电压和时间下,所选用的L E D照明的功率比荧光灯的功率减小了一半,而L E D照明的功

  率因素也要比荧光灯高出约0.2之多。由于功率的减小,其运行电流也相应减小,电缆及元器件的发热量也会减少,这样不但可以降低能耗,还能延长设备的寿命。

  根据能耗计算公式

  电能A=总功率P×时间T

  及总功率P =光源总功率P 1+配件总功率P 2,

  对荧光灯照明和L E D照明分别计算。

  (1)采用荧光灯照明时,计量电能值为2 102 k W.h,计量时间为600 h,通过公式A =P T ,可得:总功率P 约为3 500 W。

  其中单体光源功率为40 W,光源数量为80个,通过公式光源总功率=单体光源功率×数量,可得:光源总功率P 1为3 200 W。

  根据P =P 1+P 2计算可得:其他配件的总功率P 2约为300 W。

  (2)采用LED照明时,计量电能值为966 kW.h,计量时间为600 h,通过公式A =P T ,可得:总功率P 约为1 610 W。

  其中单体光源功率为20W,光源数量为80个,通过公式光源总功率=单体光源功率×数量,可得:光

  源总功率P 1为1600 W。

  根据P =P 1+P 2计算可得:其他配件的总功率P 2约为10 W。

  可见,采用L E D照明不但可以使用低功率的光源,而且其配件的功率也相应减小,所以,无论是光

  源还是配件的耗能都大大减小。

  3.2 照度数据分析

  我们分别选择了6个测试分布点,测试照度。通过对照度测试值的比较,L E D灯具正下方测试点的照度要明显高出不少,而灯具间测试点的照度值就明显提升不多,其主要原因是由于L E D灯具散热的遮挡。由于试验车站的灯具分布比较密集,所以,整体照度值都比采用荧光灯的照度值要高。由此可知,如果灯具间隔分布较大的话,其照度值势必会有所降低,严重的话,还会出现明显的阴影区域。所以,在采用LED照明之前,需要根据灯具的安装高度和照射角度,经过精密的计算,掌握好LED灯具的照射面积,合理制定灯具的分布情况,这样就会避免此类情况的发生。

  4 结束语

  传统的火力发电在能源危机和温室效应的影响下,优势逐步降低。新兴的L E D产业由于具有节能环保的特性,正在逐渐渗透各个行业中。当前,L E D的普及主要是受到了资金的限制,主要表现在前期投资较大且维保费用较高。但从长远的角度来看, 由于维保周期较长, 总体支出费用相对较少。因此,既要满足城市轨道交通行业规定的照度标准又要满足节能环保,L E D照明取代常规普通照明成了必然的途径。

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