LED光源在深海照明中的应用及发展_卓世雲.pdf

光源与光电系统 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明72LED 光源在深海照明中的应用及发展卓世雲海南热带海洋学院，海南 三亚 572000摘要：LED 光源具有光效高、能耗低、体积小、寿命长、多变换等优势，可以用于我国的海洋照明领域。文章主要探讨 LED 光源的技术优势、LED 光源在海水中的衰减和显色性、深海 LED 照明灯耐压仓的设计和散热及 LED 光源在深海照明中的应用前景，对今后的深海照明作业具有积极意义。关键词：LED 光源；深海照明；光衰减分类号：TM923.340引言随着国家海洋照明事业的发展，海洋照明技术不断进步，照明要求也在不断提高。LED 光源具有高效节能、绿色环保和结构小巧等优势，目前得到广泛应用。在深海照明领域，可以应用 LED 光源满足深海使用环境的要求。近年来，随着 LED 光源种类的丰富，适用于深海工作要求的 LED 光源越来越多，LED 光源在未来的深海照明中有着十分重要的作用。1LED 光源的应用优势LED 光源在日常生活中应用十分广泛，相较于其他传统光源（以白炽灯为例）具有以下技术优势。1.1 光效高、能耗低LED 光源采用了发光二极管（LED），发光二极管可以直接把电能转化为光能，相较于其他传统光源能量损失较小，光的利用率高。LED 的本质是半导体 PN结，当 LED 通电时，其中的导带激发产生大量电子，价带产生空穴（载流子），电子与空穴发生复合，复合过程中伴随着光的产生1。白炽灯采用的是灯丝，灯丝通电产生热辐射发光，但产生的热辐射大多数以热量的形式传播到空气，只有较少的热辐射转化为可见光，效率较低。1.2 体积小LED 光源与传统光源在设计上有很大区别，传统光源一般由灯丝和灯罩组成，灯罩可以保护灯丝，但与灯丝的距离不宜太近，需要占据较大的空间。LED光源只需装上 LED 芯片就可以将电能转化为光能，LED 光源体积小、空间利用率大。在深海照明中，体积小巧的 LED 光源作业效率更高。1.3 寿命长传统光源由灯丝的材料决定使用寿命，如果长时间加热灯丝，灯丝会发生老化甚至熔断，这会影响光源的寿命。LED 光源寿命与 LED 芯片和驱动、散热结构有关。LED 芯片采用环氧树脂直接封装，能够承受更大的机械振动和冲击，使用寿命更长。加上 LED 独特的发光原理，使得 LED 光源相较于传统光源发热量较低，这对 LED 光源的寿命也有积极作用。1.4 多变换相对于传统光源，LED 光源在亮度、色彩变换等方面有无可比拟的优势。LED 光源采用了 PWM 调光技术，通过调节脉宽可以实现 LED 光源的无极调光，而白炽灯是恒定光源，不能做到无极调光。21 世纪的今天，LED 光源已经发展到红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白八种颜色。其中，白光并不是单色光，目前生产白光 LED 主要有两种方法，一种是 LED 芯片发出的蓝色光与激发荧光粉发出的黄色光合成白色光2，一种是用多种单色光 LED 合成白光。白炽灯灯丝只能产生暖色光，而不能改变光源的色彩，在亮度、彩色变换上，LED 取代传统白炽灯是未来的趋势。2LED 光源在海水中的衰减和显色性2.1 LED 光源在海水中的衰减深海照明作业需要使用透射性强、高照度的光源。与在空气中使用不同，在海水中使用 LED 光源时，光源在海水中衰减幅度比较大。例如，使用 LED 手电筒垂直于清澈海水的海平面照射，水面的照度为 100 lx作者简介：卓世雲，男，海南热带海洋学院本科在读，研究方向为海洋光学领域。文章编号：2096-9317（2023）01-0072-03光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 光源与光电系统73时，距离海平面 100 m 深处接收到的照度大约为 1 lx，200 m 处照度约为海平面的 0.01%3。主要原因是水和空气的密度不同，空气的密度较小，海水的密度较大，空气分子的空隙大约是水分子空隙的 10 倍，而且空气的散射指数和折射指数相比于海水较小。加上随着海水深度的不断增加，海水水压也在不断增强，使得在同等盐度的 1 m3海水中，深海海水所含的水分子比浅海海水更多，导致 LED 光源在海水中呈指数性衰减。海洋中所含的微生物和浮游植物也会影响 LED 光源的散射与折射，不同海域的微生物和浮游植物的含量不同，对 LED 光源的散射与折射的影响也不同。在深海作业中使用 LED 光源时必须考虑作业海域的微生物和浮游植物的含量以及作业海域的深度，确定 LED光源的透射性和照度，在不同海况选择使用不同性能的 LED 光源，以满足深海照明工作要求。2.2 LED 光源在海水中的显色性不同 LED 光源的显色性和光效有所不同，例如，范供齐等4为了制备低色温、高显色性的 LED，采用Ce3+荧光粉+硅胶、Ba2Al2Si10N14O4:Eu2+和 Ce3+荧光粉+硅胶+Sr2Si5N8:Eu2+制作白光 LED，得出的结论是Sr2Si5N8:Eu2+红色荧光粉适合制备高显色性、光效较低的白色 LED，适用于深海拍摄等对摄取还原度要求高、对 LED 的光效要求不高的深海作业环境；由Ba2Al2Si10N14O4红色荧光粉制成的白色 LED 适用于需要高亮度照明且对显色性要求不高的深海作业环境，其具有均衡显色性和较高的光效。3LED 光源在深海照明中的具体应用3.1 LED 光源深海耐压仓的设计3.1.1 耐压仓的结构根据国内外 LED 深海照明的资料，目前 LED 光源深海耐压仓通常采用圆柱筒型结构，主要原因是圆柱体结构简单，相较于其他结构易加工，抗压能力强。耐压仓基本结构包括高透光耐压镜片（高透光亚克力耐压镜片）、一体式（多段式）耐压壳体、耐压后盖板（适用于用电池供电的照明灯）等，此外设计 LED 光源深海耐压仓时还要尽量减小壳体的表面积，以减少海水压强对深海耐压仓的压力。3.1.2 耐压仓的材料不同材料制作的耐压仓的抗压性不同，目前使用的主流材料是钛合金和铝合金。其中铝合金需通过硬质阳极氧化处理，在其表面形成保护膜，增强抗海水腐蚀能力。钛合金是钛和其他金属合成的高强度金属，材料硬度高、质量轻、抗海水腐蚀、耐热，可以用于航空航天，在深海耐压仓壳体制作方面也有非常大的优势。但钛合金材料价格昂贵，一般在普通制造行业中不使用，钛合金主要用于高精尖高科技产品的制造。而且钛合金也存在较多问题，如钛合金加工困难、焊接成型效果差等。目前，需要加大对钛合金的加工方式、切削刀头材料、冲压设备和模具、新型钛合金等的研究，努力降低钛合金的价格，使钛合金能应用到日常生活。3.1.3 耐压仓的密封方式LED 光源深海耐压仓的密封一般采用密封结构与密封件结合的方式，其中，密封结构的设计要保证 LED 照明灯各个器件的精密度，而在器件连接处使用的密封圈要与器件完美结合，以满足深海中的密封要求。为了方便在岸上更换部件，LED 照明灯在设计上多采用多段式可拆卸结构，在拆装后重新组合时可能会出现密封性问题，其原因在于密封圈压缩量控制不好，在重新使用照明灯进行深海作业时，密封圈会因海水压强而发生永久性变形，无法恢复原状，导致LED 照明灯的密封性出现问题。解决问题可以使用毕庆等5设计的结构，该结构可以在重组照明灯时控制密封圈的压缩量。3.2 LED 照明灯的散热方法3.2.1 减少 LED 照明灯的发热量随着科技的发展，深海作业对亮度的要求不断提高，LED 照明灯的功率也在不断提高。LED 照明灯功率的提升势必会对 LED 照明灯的散热造成影响6。为了准确了解 LED 照明灯的内部散热系数，设计最佳的散热结构，可以根据电压-温度的依赖性、显微拉曼光谱、电致发光、热成像等获得 LED 照明灯的热辐射，以此研究 LED 照明灯的发光效率与热辐射之间的关系，得到 LED 照明灯的最佳散热标准，提高 LED 照明灯的工作性能7。在光学中，电光转化效率可用于确定 LED 的理论光功率、电功率和散热系数，光电转化效率可以用下列公式计算：（1）式中：w为电光转化效率；pg为 LED 照明灯的光功率；pd为 LED 照明灯的电功率。LED 照明灯的光电转化效率主要与输入电流和 LED产生的热辐射有关,设计人员在设计 LED 照明灯时，可以根据 LED 芯片的光电转化效率和热辐射，提高 光源与光电系统 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明74LED 芯片的光电转化效率，降低 LED 芯片的发热量，提高 LED 照明灯的性能。3.2.2 增加 LED 照明灯的散热量（1）主动散热。深海 LED 照明灯具备高耐压性、高密封性等优点，其结构具备高集成性，但这种耐压密封结构不利于 LED 照明灯的散热，特别是高功率的深海照明灯，其内部热量无法得到有效传递，导致内部的集成器件被烧坏，影响深海照明工作的开展8。因此，需要在高功率深海 LED 照明灯中加装主动散热装置，如在内部加装水循环装置、吸热物质（对照明灯的状态无影响）等，必要时可以减少照明灯的工作时间9。（2）被动散热。除了给 LED 照明灯加装主动散热装置，还可通过改变其结构的热传导，达到散热目的。1822 年，法国科学家傅里叶提出热力学定律 傅里叶定律。根据傅里叶定律，如果两个物体存在温度差且相互完全接触，物体能量会由高到低传导10。LED照明灯的热分析可以使用有限元分析方法和傅里叶定律，通过不断测试、计算改进照明灯壳体的热量传导。其中，傅里叶定律的热流密度公式如下：（2）式中：Q 为热流密度；k 为导热系数；ddTx为两个物体的温度梯度，负号表示物体的温度流方向为从高到低。4LED 光源在深海照明中的未来发展随着科技和现代社会的高速发展，LED 光源在深海照明领域的应用逐渐增多，相关技术也在不断进步。根据资料和调研，目前 LED 光源市场鱼龙混杂，一些LED 光源的质量无法达到要求，特别是深海 LED 光源的一些核心技术一直被国外垄断。我国深海 LED 光源的发展较晚，相关技术不成熟，每年都需要从国外进口大量的深海 LED 照明灯产品，产生大量费用。为此，需要为 LED 光源在深海照明的应用进行合理规划。4.1 严格制订生产工艺标准目前，国内市场没有针对深海 LED 照明灯产品制订严格的工艺标准，导致市场上的深海 LED 照明灯产品存在质量问题。因此，要制定相关产品的生产工艺标准，这样才能提高深海 LED 照明灯产品的合格率，降低产品的残次率，提高深海 LED 照明灯的性能和产量，让消费者对国内的产品质量有信心，从而提高我国深海 LED 照明灯的市场保有量。4.2 完善我国的人才培养体系目前，我国在深海照明灯方面的研究较少，技术人才数量达不到标准。对此，需要完善技术人才培养体系，如在各高校设立深海 LED 照明研究课程，加强国内高校与国外教育机构的交流合作，完善国内的技术空缺。4.3 加大科研经费的投入LED 照明产业在我国被定性为高科技产业，需要有足够的经费支持，LED 照明产业才能发展。加强在该领域的经费投入，为高校展开深海 LED 照明灯的研究提供经费支持，可以促进 LED 照明产业的发展和完善。5结束语文章主要分析了 LED 光源的技术优势和 LED 光源在海水中的光学特性，然后在设计方面分析了 LED光源深海耐压仓的结构、材料和密封特性，阐述了LED 光源的的散热设计，最后分析了 LED 光源的应用前景。提高相关人员对 LED 深海照明的认识，可以促进国内深海 LED 照明技术的发展。随着 LED 照明技术的不断发展，国家加大了对深海照明的研究力度，相信未来会有展示中国高科技照明产业发展水平的高性能国产深海 LED 照明灯亮相在国际舞台，中国的科技产业将会蒸蒸日上，更上一层楼。参考文献1 夏李斌,王林生,杨东彪,等.白光LED用B2O3-Bi2O3-Eu2O3-MO(M=Mg,Ca,Sr,Ba)红光发射荧光玻璃的结构与发光性能J.发光学报,2017,38(4):415-422.2 洪权,郭萍,周伟.钛合金成型技术与应用J.钛工业进展,2022,39(5):27-32.3 刘水清,吴国庆,王永军