LED 路燈于道路照明的問題與對(duì)策

LED路燈于道路照明的問題與對(duì)策LED光源是新一代受到注目的照明光源、目前多利用在資訊顯示等的間接照明應(yīng)用上。這些小功率的LED已經(jīng)悄悄地地用在各式各樣的產(chǎn)品中了。交通號(hào)志燈、引導(dǎo)燈等因?yàn)楦鼡Q費(fèi)用高已經(jīng)優(yōu)先被LED光源取代了、其他的地底燈、水底燈等等也都慢慢更換用LED的光源了。講求高信賴性的汽車工業(yè)也從車尾燈、車內(nèi)照明燈、儀表板等等開始采用了各式各樣的LED光源。手機(jī)和顯示器的背光源是另外一個(gè)幫助LED產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)的應(yīng)用、新的LED背光模組取代了傳統(tǒng)不環(huán)保的冷陰極管、更減少了顯示器的電耗、除了達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)外也使得一些攜帶性的電子產(chǎn)品（例如筆記型電腦等等）提高了它們的工作時(shí)間、真正達(dá)到電子產(chǎn)品可以隨身攜帶的訴求。LED的光源能利用程式控制的方式提供五顏六色的光輸出、迅速地變換顏色提供了從所未有的視覺效果。新的應(yīng)用帶動(dòng)了整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展、當(dāng)然也使LED的技術(shù)獲得了成長(zhǎng)的動(dòng)力、新一代的大功率的LED就是在這樣的成長(zhǎng)動(dòng)力下產(chǎn)生了。大功率的LED晶片的研發(fā)成果把LED的照明應(yīng)用由小區(qū)域的照明（如礦工燈、手電筒、臺(tái)燈、手機(jī)和背光模組等等）推向了大面積的照明領(lǐng)域。所謂的大面積的照明應(yīng)用包括像車頭燈、路燈、隧道燈、廣場(chǎng)照明、工廠照明、公園燈等等的應(yīng)用都是下一個(gè)帶動(dòng)LED再有另一波成長(zhǎng)高峰的應(yīng)用。當(dāng)然這些應(yīng)用比起過去的產(chǎn)品都需要考量更多的限制、例如照明的法令規(guī)定、光源的機(jī)構(gòu)和光學(xué)設(shè)計(jì)、電力節(jié)能的新要求、昂貴的售價(jià)、高功率帶來的散熱問題、光衰的問題等等都是目前的瓶頸。本文將針對(duì)這些問題說明目前的現(xiàn)況、除了說明其缺點(diǎn)外并提出建議的作法。關(guān)鍵詞/Keywords:發(fā)光二極體(LightEmittingDiode;LED),熱導(dǎo)管(Heatpipe),熱板(VaporChamber),反射鏡(reflector),燈殼(lampshell)路燈（街燈）不但扮演著維持交通順暢不可或缺的重要角色、同時(shí)對(duì)一個(gè)城市來講更是重要的指標(biāo)之一。目前在高度成長(zhǎng)的各大城市中流行著一句簡(jiǎn)單的口語『白天看車、晚上看燈』這說明了路燈和街燈是多么的重要！采用LED路燈相較于傳統(tǒng)使用在路燈上的光源如水銀燈、高壓納燈或鹵化金屬燈等、LED光源具有壽命長(zhǎng)及免維修等優(yōu)勢(shì)。隨著環(huán)保意識(shí)的高漲、歐盟RoHS(電子電機(jī)設(shè)備限用危害物質(zhì)指令)的環(huán)保新規(guī)定已經(jīng)規(guī)定于2006年7月1日起、凡是含有鉛、水銀、鎘、六價(jià)鉻等重金屬以及聚溴二苯醚和聚溴聯(lián)苯等阻燃劑的電子電器設(shè)備將被禁止進(jìn)入歐盟消費(fèi)市場(chǎng)。這一舉動(dòng)也會(huì)牽動(dòng)其他先進(jìn)的國(guó)家和地區(qū)在近期會(huì)跟進(jìn)、以保護(hù)自己生存的環(huán)境、這使得傳統(tǒng)的光源會(huì)因?yàn)楹泄苤莆镔|(zhì)而面臨淘汰的命運(yùn)、然而具有長(zhǎng)壽命和節(jié)能優(yōu)點(diǎn)的LED新光源自然就受到大家廣泛的注意和討論。除了上述說明了綠色能源帶來LED路燈的需求外、近來由于國(guó)際情勢(shì)的動(dòng)蕩導(dǎo)致原油的價(jià)格節(jié)節(jié)高漲、每桶原油的價(jià)格已經(jīng)突破100美元的關(guān)卡持續(xù)向每桶150美元挺進(jìn)、專家預(yù)估若中東局勢(shì)有進(jìn)一步惡化的現(xiàn)象、每桶油價(jià)將會(huì)達(dá)到每桶200美元的天價(jià)。中國(guó)國(guó)內(nèi)的電能短缺加上原油價(jià)格的飆升、導(dǎo)致中央政府祭出了宏觀調(diào)控的政策來抑制經(jīng)濟(jì)的過度發(fā)展、同時(shí)提出節(jié)能減排的目標(biāo)。各地的地方政府紛紛提出對(duì)應(yīng)的做法來響應(yīng)中央的號(hào)召、采用LED路燈的節(jié)能減排效果確實(shí)能有效地改善目前在道路照明上的浪費(fèi)情形。在缺乏相關(guān)法規(guī)的規(guī)范下、許多的業(yè)界的先進(jìn)已經(jīng)等不及的開發(fā)出一些先期的樣品來攻占這個(gè)新興市場(chǎng)了、初期的產(chǎn)品有許多是來自從事五金散熱的公司、光學(xué)鏡頭的供應(yīng)商、傳統(tǒng)燈具的供應(yīng)商、系統(tǒng)整合的工程公司等等都前仆后繼的投入LED路燈的開發(fā)。下表列出了一些市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)者和美國(guó)StrategiesUnlimited對(duì)市場(chǎng)的成長(zhǎng)預(yù)估。

表一：市場(chǎng)上的主要競(jìng)爭(zhēng)者

圖一：市場(chǎng)的成長(zhǎng)預(yù)估（資料來源：StrategiesUnlimited)由于目前并沒有一套能用于LED路燈的規(guī)范、所以一般業(yè)者都是參考國(guó)內(nèi)建設(shè)部于2006年12月19日發(fā)布、2007年7月1號(hào)實(shí)施的『城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)』CJJ45-2006作為依據(jù)。其中有兩條強(qiáng)制性的條文、一個(gè)是規(guī)定采用雙電源來保障安全、另一個(gè)是規(guī)定照明的功率密度值（Watts/m2)作為照明均勻性和節(jié)能的規(guī)范。在2007年年尾于中山古鎮(zhèn)的照明研討會(huì)中、由國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布了一個(gè)推薦性技術(shù)規(guī)范---『整體式LED路燈的測(cè)量方法』希望能廣徵各方建議進(jìn)而早日推出業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)。道路照明對(duì)于不同的道路級(jí)別在對(duì)應(yīng)的照度值的要求下、規(guī)定照明功率密度值來達(dá)到節(jié)能的目的。以LED路燈而言一般我們會(huì)建議利用光學(xué)設(shè)計(jì)和LED本身的高方向性的發(fā)光優(yōu)勢(shì)來增加燈柱之間的距離、進(jìn)而減少燈頭的數(shù)目也就是降低安裝LED路燈的總成本。我們建議在40x30m2的地面面積下20-30lx的平均照度值是一個(gè)合理的初期目標(biāo)。進(jìn)一步的節(jié)能目標(biāo)應(yīng)該能將40米的燈距拉大到50-60米。

圖二：常規(guī)照明燈具的建議布置圖在照明的方式和設(shè)計(jì)要求上、懸吊長(zhǎng)度不宜超過燈桿高度的1/4及仰角不宜超過15度的規(guī)定仍然適用于LED路燈。但在路燈的高度上由于LED路燈能有較好的光學(xué)設(shè)計(jì)將發(fā)出的光充分用在想要照射的路面、不會(huì)像傳統(tǒng)的光源有光污染和低效率的情形。尤其是燈桿高度部份由于傳統(tǒng)光源有困難達(dá)到高均勻度的要求、所以燈桿高度都很高（以12米為主要高度）為了達(dá)到節(jié)能的要求燈桿高度建議應(yīng)該以8米為主要設(shè)計(jì)高度、并將LED路燈的總功耗能控制在100Watts以下！如此不但節(jié)能也擴(kuò)大LED路燈采用太陽能的可能性。每一個(gè)工程就像一個(gè)新的專案需要針對(duì)該專案的需求重新設(shè)計(jì)、不可千篇一律的采用舊設(shè)計(jì)。并在能滿足功能的前提下、針對(duì)LED光源的獨(dú)特性做出外型獨(dú)特的燈殼、達(dá)到美化市容的目的。對(duì)于燈具的布置除了拉大燈距的做法外、上圖列出了建議的布置圖。在節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)和措施上、并不是靠降低照明水平來實(shí)現(xiàn)而是要在光源、電源和燈具的設(shè)計(jì)選用上做出有效的結(jié)合。深夜時(shí)降低路面的照度是節(jié)能最有效也是最快的方法。光控和時(shí)控的相結(jié)合會(huì)進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。也能利用冷白和暖白光的調(diào)和來改變出光的色溫、對(duì)于一些常起霧的區(qū)域能提供節(jié)能又高質(zhì)量的道路照明。在LED燈具的開發(fā)上、有幾個(gè)重點(diǎn)是我們必須特別注意的、它們分別是LED光源、熱傳的設(shè)計(jì)、光學(xué)的設(shè)計(jì)、燈殼外型設(shè)計(jì)、和電控電源的開發(fā)。下面針對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵做個(gè)別的說明：（一）LED光源目前市場(chǎng)的主流都是用美國(guó)Cree和Lumileds的產(chǎn)品、光源的成本占整個(gè)產(chǎn)品的60%以上、由于售價(jià)控制于國(guó)外大廠使得產(chǎn)品的售價(jià)居高不下。數(shù)個(gè)封裝好的3–5Watts的高功率模塊被廣泛的使用中、甚至8-10W的模塊也有廠商使用。許多國(guó)內(nèi)的封裝廠在高功率的LED封裝上做了一些嘗試但在封裝的基板設(shè)計(jì)、封裝的技術(shù)、材料的選用、（固晶膠、螢光粉、封膠材料等等）以及制程的參數(shù)等等都還有進(jìn)步的空間！不好的光源即使在散熱處理得很好的LED路燈中也會(huì)在3-6個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的光衰現(xiàn)象。預(yù)估高功率的LED集成模塊因?yàn)楸容^容易配合光學(xué)設(shè)計(jì)的需求將會(huì)成為L(zhǎng)ED路燈應(yīng)用的市場(chǎng)主流。（二）熱傳的設(shè)計(jì)LED光源的壽命和光衰與其節(jié)點(diǎn)的工作溫度有很密切的關(guān)系。溫度每增加10度C其信賴性就會(huì)減少一半。許多樣品用了許多的鋁擠散熱基構(gòu)、壓鑄件和鰭片等等的散熱件來幫助LED散熱導(dǎo)致燈頭太重并不適合掛在現(xiàn)有的燈柱上。散熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于要有愈短愈好的熱路徑的設(shè)計(jì)、熱必須能在最快速的方法將熱導(dǎo)出然后散出。導(dǎo)出去不能有效的散熱或是沒能在第一時(shí)間有效地導(dǎo)出熱都是不好的設(shè)計(jì)。一些主動(dòng)是散熱的設(shè)計(jì)例如風(fēng)冷的風(fēng)扇和水冷式的技術(shù)都不適合嚴(yán)苛的戶外照明環(huán)境應(yīng)該避免這樣的設(shè)計(jì)。熱導(dǎo)管是廣泛應(yīng)用在計(jì)算器電腦的一種散熱的技術(shù)。每個(gè)月的熱導(dǎo)管需求量約是1000萬支、所以這個(gè)成熟的技術(shù)很適合應(yīng)用在高功率LED的散熱設(shè)計(jì)上。對(duì)于某些需要在小面積內(nèi)設(shè)計(jì)高密度的LED應(yīng)用就建議用熱板(VaporChamber)的技術(shù)、不過在可能的情形下建議盡量分散LED也就是分散熱源、不但散熱的設(shè)計(jì)較好做、就連光學(xué)的設(shè)計(jì)也是較好的方式。因?yàn)橐话愕臒魵ざ际且越饘贋椴牧?、所以建議用可彎曲和壓扁的熱導(dǎo)管連結(jié)LED和燈殼做到最有效和低成本的散熱設(shè)計(jì)！熱導(dǎo)管的應(yīng)用加上配合一些結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)來幫助提高自然對(duì)流的能力是我們?cè)O(shè)計(jì)的重點(diǎn)應(yīng)該也會(huì)是未來的趨勢(shì)。下面的圖說明了熱導(dǎo)管經(jīng)過折彎壓扁后做為L(zhǎng)ED燈具的散熱機(jī)構(gòu)。（三）光學(xué)設(shè)計(jì)不同的光源必須有不同的光學(xué)設(shè)計(jì)、即使相同的光源但是應(yīng)用在不同的專案中也要有新的設(shè)計(jì)。下圖說明了針對(duì)路燈的應(yīng)用、我們刻意將光場(chǎng)設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形的光型。LED光源沒有傳統(tǒng)光源向四面發(fā)光的缺點(diǎn)、其高方向性的單面發(fā)光特性會(huì)有比較好的光學(xué)設(shè)計(jì)。集成模塊光引擎的二次光學(xué)設(shè)計(jì)不論是用透鏡或反射杯(reflector)都會(huì)是整個(gè)燈具最重要的一環(huán)、提升整體燈具的出光效率是很重要的工作、傳統(tǒng)燈具只有約65%的出光效率、但以LED路燈來講80%以上的出光效率應(yīng)該是LED路燈的目標(biāo)。LED光源不適合緊密的排列在一個(gè)平面上、這樣會(huì)增加光學(xué)設(shè)計(jì)的困難無法提升出光效率和高均勻性光場(chǎng)的要求。對(duì)于炫光的問題可以利用LED排列的方式和位置的安排來控制（說明于下圖中）。另外對(duì)于中間視覺的現(xiàn)象是有助于LED路燈的推廣因素但需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持這個(gè)理論。（四）燈殼外型設(shè)計(jì)結(jié)合熱導(dǎo)管雖然可以將熱傳導(dǎo)致就有的傳統(tǒng)壓鑄燈殼、但考慮燈具的出光效率所需的光學(xué)設(shè)計(jì)我們還是建議采用兼具散熱和光學(xué)設(shè)計(jì)要求的新設(shè)計(jì)燈殼。IP65的需求仍是設(shè)計(jì)上的一個(gè)重點(diǎn)。模組化的高功率LED模塊會(huì)提供較好的設(shè)計(jì)彈性、使得各式各樣的LED燈殼設(shè)計(jì)能達(dá)到美觀又實(shí)用的目的。（五）電控電源傳統(tǒng)納燈需要將電源和燈泡（光源）放得很近來確保納燈能正常點(diǎn)亮。但LED光源不需要如此、許多設(shè)計(jì)沿用舊思維將電源部份放在燈頭里面或是背負(fù)在燈頭上面。理論上因?yàn)殡娫床糠莺蚅ED光源有不同的壽命所以將他們一起放在極難維修的高空中是一種不好的設(shè)計(jì)！所以我們建議采取分開設(shè)計(jì)和安裝、將電源電控部份安裝到燈桿下面以方便維修。電控部份采用高效率的交換式電源供應(yīng)器再加上依負(fù)載端(LEDs）設(shè)計(jì)的定電流穩(wěn)定線路(PWMDimming)智慧型的電控系統(tǒng)可以達(dá)到進(jìn)一步省電、監(jiān)控、保全的目的、這些附加價(jià)值是傳統(tǒng)燈具做不到的、我們卻可以整合到LED燈具中！再加上Wireless的工能進(jìn)一步節(jié)省信號(hào)電纜的費(fèi)用、采用Zigbee的RF無線IC可將信號(hào)無線傳輸于兩個(gè)路燈燈頭之間、進(jìn)而串聯(lián)成一個(gè)無線的聯(lián)絡(luò)網(wǎng)。高售價(jià)的LED路燈考驗(yàn)著大家對(duì)這類產(chǎn)品的接受程度、就跟當(dāng)年推出省電燈泡一樣。不過省電燈泡雖有政府的補(bǔ)助計(jì)畫仍然得不到廣大消費(fèi)者的接受取代傳統(tǒng)的白熾燈泡。尤其前面說過如果占總體成本的六成以上關(guān)鍵零件（LED模塊）的價(jià)錢是掌控在國(guó)外大廠手上、那要降價(jià)就很不可能、如果不降價(jià)那這個(gè)市場(chǎng)就會(huì)和當(dāng)年省電燈泡一樣叫好不叫座。預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)的封裝和晶片技術(shù)成熟后能將LED模塊的成本降低至整個(gè)燈具成本的三成左右才有可能普極化的采用LED路燈來取代傳統(tǒng)的高壓納燈。一般來講若以直接取代傳統(tǒng)納燈的方式來采用LED路燈、依目前的售價(jià)和電費(fèi)的結(jié)構(gòu)約需3.5年左右來能將初期的投資差額回本！但若用新設(shè)計(jì)加大燈柱之間的距離、并考慮用較細(xì)的電覽縣的節(jié)省再加上電費(fèi)的節(jié)省等等、回本的時(shí)間就大幅縮短在一年左右。除了降低電力消耗成本外、也降低了二氧化碳的排放量！但即使如此目前其較昂貴的價(jià)格、仍舊是未來是否能普及到各國(guó)的考驗(yàn)之一。LED路燈的產(chǎn)品開發(fā)需要結(jié)合許多不同領(lǐng)域的專家整合關(guān)鍵的技術(shù)如下圖這些整合的成功與否將是決定LED燈具是否能成為未來的主流的關(guān)鍵。隨著國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)的進(jìn)駐中國(guó)外延片和芯片的技術(shù)的本土化將帶動(dòng)高信賴性