淺談目前大功率LED隧道燈的市場(chǎng)應用情況

　　引言

　　近年來(lái)，為了保持國民經(jīng)濟的持續健康發(fā)展，國家加大了基礎設施建役方面的投入，如鐵路、公路的建設。這樣隧道燈配備的需求量與日俱增。為了節約能源、保護環(huán)境，提高隧道照明的質(zhì)量，同時(shí)也為了適應隧道營(yíng)運管理的可持續發(fā)展，結合隧道特殊的照明環(huán)境和觀(guān)感視覺(jué)，尋找合理新型照明理論和技能光源就顯得十分必要。

　　1.常規隧道燈與LED隧道燈的功能比較選擇

　　目前隧道照明大都是采用高壓鈉燈作為光源，但是高壓鈉燈在輻射形式、顯色性、視覺(jué)敏感特性、功率規格、亮度控制等方面均存在許多不足，而新興的LED隧道照明燈具以其優(yōu)異的性能，特別是亮度的可控性，克服了高壓鈉燈的諸多不足，正在成為當今世界隧道照明的主流燈具。國家還出臺了“十城萬(wàn)盞”半導體照明工程的新舉措，為LED隧道燈的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的機遇。

　　LED(LightEmittingDiode)即發(fā)光二極管，是一種半導體發(fā)光技術(shù)。最早研制的LED只能發(fā)出紅色的光，用于電子設備中的指示燈。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，如今LED燈已能發(fā)出各種顏色的燈光，并廣泛應用于多類(lèi)行業(yè)，主要應用市場(chǎng)包括傳統的顯示屏和信號燈市場(chǎng)、背光源市場(chǎng)、路燈、隧道燈、汽車(chē)照明市場(chǎng)、室外景觀(guān)照明和室內裝飾照明市場(chǎng)、特種照明燈市場(chǎng)。LED作為隧道燈光源具有其獨特的優(yōu)勢。

　　(1)LED隧道燈功耗小、節能，與傳統的高壓鈉燈相比，其能耗節省超過(guò)40%。

　　(2)LED隧道燈壽命長(cháng)，在理想狀態(tài)下有10萬(wàn)h，而高壓鈉燈和熒光管的壽命只有1萬(wàn)~3萬(wàn)h。

　　(3)LED隧道燈可靠性高，日常的養護和維修費用低，平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)高達2萬(wàn)h，而高壓鈉燈和熒光管的平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)不到1萬(wàn)h。

　　(4)降低了配電系統(電纜、變壓器、配電箱、橋架等)的建設成本，對于長(cháng)隧道、遠距離供電的情況，電纜、配電設施所占成本的比例尤其大，采用LED隧道燈由于節電可以大大降低電纜和配電設備等的投資。

　　(5)LED隧道燈能實(shí)現瞬間啟動(dòng)，便于亮度調節，具有無(wú)頻閃、啟動(dòng)電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現多種節能方式，如根據道路、隧道的車(chē)流量智能調節照度等。

　　(6)高壓鈉燈、熒光燈、無(wú)極燈中含有汞、鉛等化學(xué)性污染物，而LED隧道燈光源不含化學(xué)污染性物質(zhì)，是綠色環(huán)保的光源。

　　2.大功率LED隧道燈的設計要求

　　(1)隧道內不管是白天或夜間均需設置基本照明。白天車(chē)輛進(jìn)入隧道時(shí)，路面亮度應逐漸下降，使司機的視覺(jué)有一個(gè)適應過(guò)程，將入口段分為引入段、適應段和過(guò)渡段。

　　(2)確定引入段、適應段和過(guò)渡段的長(cháng)度(S)，通常按車(chē)速(V)以T=2s的適應時(shí)間來(lái)確定，可用S=VT/3.6m來(lái)估算;出口段也應設過(guò)渡照明，在雙向交通情況下和入口段相同。

　　(3)夜間出入口不設加強照明，洞外應設路燈照明，亮度不低于洞內基本亮度的1/2;隧道內應設應急照明，其亮度不低于基本亮度的1/10。

　　(4)根據中國JTJ026-90《公路隧道設計規范》中的規定，隧道入口照明區間長(cháng)度及路面最低亮度標準按如表1要求設計。

　　3.大功率LED隧道燈的設計方案

　　3.1LED光源的選擇

　　LED單瓦流明輸出是決定LED隧道燈是否具有實(shí)用價(jià)值的基本指標，根據要求，LED隧道燈所用LED的單瓦流明數應達到80流明以上，在經(jīng)過(guò)近三年LED的發(fā)光效率的高速發(fā)展后，現階段可大批量供貨的LED光效已達90lm/W以上，且亮度還在不斷地提高。表2提供了代表目前國際最前沿的幾大廠(chǎng)商的已量產(chǎn)大功率1W白光LED的主要技術(shù)參數?？刹捎肙SRAM廠(chǎng)商LUWW5AM為設計光源，利用LED光源有多種不同色溫可供選擇的特點(diǎn)，選取跟日光相近色溫4000~6000K的LED光源，能有效減少“亮洞”和“黑洞”效應。

　　3.2配光設計

　　根據隧道照明要求，依不同照明段采用不同的配光燈具，根據光學(xué)原理和LED光源高指向性的特點(diǎn)，采用合理的配光，在滿(mǎn)足亮度或照度要求的情況下，降低燈具的功率，達到節能的目的。

　　(1)隧道進(jìn)口段的引入段、適應段和過(guò)渡段以及出口段采用不對稱(chēng)照明配光(逆光照明)，在相同的照度條件下，與普通照明相比較，能夠提高路面亮度121%，同時(shí)，利用了高指向性的優(yōu)勢，嚴格控制大角度方向的光強，消除大部分眩光。

　　(2)在隧道的基本段，目前常見(jiàn)的配光分布型式有聚光型配光、側射型配光、朗伯型配光等。不同的應用場(chǎng)合適用不同的配光形式，例如：道路照明宜選用蝙蝠翼型配光、射燈宜選用聚光型配光。由于隧道照明的特殊性，隧道照明中燈具的排布密度非常高，所以在隧道照明中對燈具的二次配光形式不同于一般的道路照明。在隧道照明中蝙蝠翼型配光、朗伯型配光都可以滿(mǎn)足照度均勻度的要求，這主要是由于隧道照明中燈距比較小。圖1給出了兩款LED隧道燈的C0方向配光圖，左邊為道路照明以及隧道照明中比較常用的蝙蝠翼型配光，右邊為朗伯型配光。采用蝙蝠翼配光，即寬光帶對稱(chēng)照明配光，在相同的照度條件下，與普通照明相比較，能夠提高路面亮度64%，提高路面亮度均勻度。

　　3.3散熱設計

　　LED是個(gè)光電器件，以目前處于世界前沿的大功率LED來(lái)說(shuō)，其工作過(guò)程中也只有15%~20%電能轉換成光能，其余大部分的電能轉換成熱能，使LED的溫度升高。另一方面，LED的流明輸出隨著(zhù)LED結溫的升高而降低，而LED壽命隨著(zhù)結溫升高而縮短。所以，LED的散熱處理得好不好將直接關(guān)系到隧道燈具的使用效果和壽命。

　　目前大功率LED的散熱主要有三種方式：①自然散熱、加裝風(fēng)扇強制散熱及熱管加散熱鰭片技術(shù)等。自然散熱利用自然對流和熱輻射，結構可靠，易于做防水，但是對燈體本身的結構設計要求高。②加裝風(fēng)扇強制散熱主要利用強制對流實(shí)現散熱，熱散速度快，但是成本和噪音高，難做防水。③熱管加散熱鰭片技術(shù)主要利用熱管將LED所產(chǎn)生的熱量迅速傳導至散熱鰭片而達到散熱的目的，無(wú)運動(dòng)部件，系統穩定，但是成本相對高。

　　由于隧道與一般道路相比，有其獨特的性質(zhì)，我們采用熱管加散熱鰭片技術(shù)的方式進(jìn)行散熱處理，熱通道垂直設計，實(shí)現模塊化方式散熱，使LED結溫保持在70℃以下，保證LED長(cháng)時(shí)間低光衰下穩定的工作，提高燈具的維護系數，節約維護成本。

　　根據隧道內氣流的流動(dòng)特性，對散熱腔進(jìn)行不對稱(chēng)通風(fēng)設計，保障空氣對流散熱，同時(shí)減少汽車(chē)產(chǎn)生的油煙等污質(zhì)進(jìn)入散熱腔，吸附于散熱結構導致散熱效率降低。

　　3.4結構設計

　　采用輕質(zhì)的鋁合金外殼，燈具重量在10kg以下。LED光源腔和電氣腔防護等級按IP65進(jìn)行設計，散熱腔按IP23進(jìn)行設計;光源腔和散熱腔采用合理的隔離方式，避免光源腔和散熱腔熱流的相互影響。由于隧道內空氣不流通，汽車(chē)尾氣摻雜其中，成分復雜，因此LED隧道燈具應具有良好的耐腐蝕、廢氣、煙霧和隧道內大氣中含有的其他化學(xué)物質(zhì)，各結構組件外表面均進(jìn)行防腐蝕處理，使其符合GB/T7000.5的防腐要求。

　　3.5電路設計

　　LED的正向伏安特性和普通二極管類(lèi)似，外加正向電壓稍有變化，其正向電流將產(chǎn)生很大變化，致使LED內部損耗及發(fā)熱快速上升，嚴重影響LED的正常工作和壽命。為了防止這種情況發(fā)生，大功率LED一般必須采用恒流方式供電。為了盡可能提高電流源的效率，減少發(fā)熱，電流源的輸入電壓必須得到合理控制，使其最大值在扣除內部壓降后同電流一樣，也與LED需要的總電壓相匹配。內部損耗小了，電流源的可靠性才能得到保障。

　　隧道照明一般都需要大量的燈具，電力消耗巨大，為了節能和減少對電網(wǎng)的“污染”，LED隧道燈的驅動(dòng)器還要求其功率因數和產(chǎn)生的諧波必須滿(mǎn)足相關(guān)的標準要求，并適當考慮電磁干擾和電磁兼容。

　　(1)采用高轉換效率、高穩定性的電源，轉換效率大于87%，功率因素大于95%，抗外界電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強的開(kāi)關(guān)電源(96~264V)，配以恒流電路設計，以恒流方式驅動(dòng)LED光源，保證LED的使用壽命。

　　(2)采用適合隧道照明的控制電路，使燈具按隧道不同照明段和不同時(shí)間段進(jìn)行功率的調節，達到良好的照明效果和節能的目的。對隧道進(jìn)口段的引入段、適應段、過(guò)渡段以及出口段采用不同的電流進(jìn)行驅動(dòng)，使其盡量接近隧道照明曲線(xiàn)要求，達到最好的照明效果;對隧道進(jìn)口段和出口段采用定時(shí)調節功能，通過(guò)PWM調光調節輸出電流或是采用雙電源供電，晚上則以單電源供電，使其功率降低為白天照明的50%，無(wú)論在白天和黑夜，都有效減小“亮洞”和“黑洞”現象。

　　4.結語(yǔ)

　　大功率隧道照明LED光源的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)，設計應用，為國家鐵路、公路隧道照明增添廣擴的市場(chǎng)，它不但為我國隧道新光源的應用填補了空白，而且在低碳節能環(huán)保的道路上又邁進(jìn)的一步，值得全面推廣應用。