LED照明燈具在公路隧道中的應(yīng)用研究

郗 鋒

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路工程系，西安 710018)

公路隧道是公路結(jié)構(gòu)中的地下構(gòu)造物，與洞外明亮的道路不同。白天車輛駛?cè)攵磧?nèi)，由于亮度驟降，人的視覺(jué)反映滯后形成“黑洞效應(yīng)”，很難辨別洞內(nèi)情況;而車輛駛出隧道時(shí)，形成了“白洞效應(yīng)”，造成強(qiáng)烈眩光。夜間的情況和白天正好相反。這種由于洞內(nèi)外亮度差異大，進(jìn)入或駛出隧道時(shí)，人眼需要適應(yīng)時(shí)間，即產(chǎn)生“適應(yīng)的滯后現(xiàn)象”。為了解決隧道洞口亮度由亮到暗或由暗到明的視覺(jué)適應(yīng)過(guò)程，讓司機(jī)能清楚地辨認(rèn)洞內(nèi)路面上的目標(biāo)或物體，消除視覺(jué)和心理障礙，不影響行車安全。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)規(guī)定:長(zhǎng)度＞100 m的隧道應(yīng)設(shè)置照明。公路隧道照明就是為了創(chuàng)造洞內(nèi)良好的工作視覺(jué)環(huán)境質(zhì)量，確保在白天和夜間行駛的車輛以設(shè)計(jì)速度安全地接近和穿越隧道。

白光LED(Light Emitting Diode，簡(jiǎn)稱LED)燈具是21世紀(jì)引人矚目的綠色光源，是一種功耗低、壽命長(zhǎng)、抗振動(dòng)、無(wú)輻射的節(jié)能環(huán)保型光源。自1998年以來(lái)，在短短的幾年中全球半導(dǎo)體與照明領(lǐng)域掀起一股白光LED“熱潮”，使白光 LED技術(shù)不斷創(chuàng)新和飛速發(fā)展，LED的發(fā)光強(qiáng)度和穩(wěn)定性得以大幅度提高。

1 LED的工作原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 LED燈的工作原理

LED中文譯為“發(fā)光二極管”，是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子器件，具有二極管的特性?；窘Y(jié)構(gòu)為一塊電發(fā)光的半導(dǎo)體模塊，封裝在環(huán)氧樹脂中，通過(guò)針腳作為正負(fù)電極并起到支撐作用。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為PN節(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)(即兩端加上正向電壓)，電子開始移動(dòng)和空穴(帶正電的離子)結(jié)合產(chǎn)生輻射光。其光源在靠近PN節(jié)接口毫米以內(nèi)產(chǎn)生，發(fā)光的波長(zhǎng)取決于材料之特性而有不同發(fā)光顏色，常見有紅、黃、綠、藍(lán)發(fā)光二極管。發(fā)光二極管發(fā)光亮度可以通過(guò)工作電壓(電流)的大小來(lái)調(diào)節(jié)。在很大的工作電流范圍內(nèi)，發(fā)光二極管的亮度隨電流的增大而提高。目前不同的發(fā)光二極管可以發(fā)出從紅外到藍(lán)間不同波長(zhǎng)的光線，還有在藍(lán)光LED上涂上熒光粉，將藍(lán)光轉(zhuǎn)化為白光的LED。

1.2 LED燈具的優(yōu)點(diǎn)

LED燈具無(wú)頻閃、無(wú)輻射，是典型的綠色照明，更是護(hù)眼新光源。LED不靠鎢絲發(fā)光，而是以特殊半導(dǎo)體P-N材質(zhì)制成。通過(guò)電子運(yùn)動(dòng)而發(fā)光。其光譜中沒(méi)有紫外線和紅外線，因而不會(huì)有閃頻和輻射，對(duì)眼睛起到保護(hù)作用。其主要優(yōu)點(diǎn)集中在以下幾點(diǎn):

1)發(fā)光效率高。LED燈具有電壓低、電流小、亮度高的特性。一個(gè)10～12 W的LED光源發(fā)出的光能與一個(gè)35～150 W的白熾燈發(fā)出的光能相當(dāng)。同樣照明效果LED比傳統(tǒng)光源節(jié)能80% ～90%，是白熾燈的4到8倍。

2)耗電量極小。在同樣亮度下，耗電量?jī)H為普通白熾燈的1/8到1/10。

3)壽命長(zhǎng)。LED利用固態(tài)半導(dǎo)體芯片將電能轉(zhuǎn)化為光能，外加環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊，LED單管壽命10萬(wàn) h，光源壽命在2萬(wàn) h以上，按每天工作12 h壽命也在5年以上。

4)可靠耐用，便于長(zhǎng)途運(yùn)輸。由于體內(nèi)無(wú)鎢絲以及玻璃殼等易損部件，基本不受運(yùn)輸影響，正常報(bào)廢率很小，維護(hù)費(fèi)用極低。

5)起動(dòng)響應(yīng)快、無(wú)黑頭、免除頻換燈管之煩。LED起動(dòng)響應(yīng)極快，因而電流對(duì)其沖擊甚微。而普通白熾燈或節(jié)能管受起動(dòng)電流的作用，燈頭很易發(fā)黑而需更換。

6)由于LED管是由十多只或幾十只組成，即使個(gè)別損壞了也不會(huì)對(duì)正常照明產(chǎn)生太大影響，不像高壓鈉燈損壞時(shí)全燈熄滅，因此LED燈的可靠性比高壓鈉燈的可靠性提高了許多倍。

7)光源中不添加汞，有利于環(huán)境保護(hù)。

LED燈具與傳統(tǒng)的燈具性能的比較見表1。

表1 LED燈具與傳統(tǒng)燈具的性能比較

2 LED燈應(yīng)用于隧道照明的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)隧道照明采用的光源類型主要有:金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、白熾燈以及節(jié)能燈(緊湊性熒光燈)等。其中高壓鈉燈具有發(fā)光效率高、節(jié)能、色溫適中等優(yōu)點(diǎn)，在隧道燈中使用最為廣泛。但是，LED隧道燈與高壓鈉燈相比的優(yōu)勢(shì)有:

1)LED作為點(diǎn)光源，很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須靠光發(fā)射來(lái)解決的二次取光及光損耗問(wèn)題。

2)對(duì)光照射面的均勻度可控，理論上可以做到在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)完全均勻，這也能避免傳統(tǒng)光源“燈下亮”現(xiàn)象中的光浪費(fèi)。

3)色溫可選，這樣在不同場(chǎng)合應(yīng)用中，也是提高效率、降低成本的一個(gè)重要途徑。LED作為一種發(fā)光器件，既可以通過(guò)流過(guò)電流的變化控制亮度，也可通過(guò)不同波長(zhǎng)LED的配置實(shí)現(xiàn)色彩的變化與調(diào)節(jié)。這使得隧道在不同的環(huán)境下進(jìn)行照明模式的轉(zhuǎn)化變得非常容易。

4)更節(jié)能。目前白光 LED的發(fā)光效率約為80 Lm/W，較傳統(tǒng)高壓鈉燈可以節(jié)電 50% ～60%，隨著LED效率的快速提升，LED隧道燈在節(jié)能方面顯示出了巨大的潛力。

5)低維護(hù)成本。以目前的技術(shù)水平和測(cè)試結(jié)果推算，大功率LED光源可以正常使用5年—10年不用更換，而傳統(tǒng)高壓鈉燈平均2年左右就要更換一次，使用LED光源可以大大降低維護(hù)成本。

6)顯色性更佳。LED的顯色指數(shù)高(顯色指數(shù)一般為75～80)，路面看起來(lái)更明亮，感覺(jué)更舒適，駕駛?cè)藛T也感覺(jué)更安全。而高壓鈉燈光譜窄，顯色性差(顯色指數(shù)一般為20～40)，感覺(jué)昏暗。

100 W的LED燈輸出光通量大約只有6 250 Lm，到達(dá)路面時(shí)仍為6 000 Lm左右，而路面的平均照度可以達(dá)到16 Lx(12 m高桿)。200 W高壓鈉燈的輸出光通量為16 000 Lm，但到達(dá)路面的就只有6 000 Lm，路面的照度大約為30～40 Lx，由于顯色系數(shù)的差別，LED的照度修正系數(shù)為2.35倍，高壓鈉燈的修正系數(shù)為0.94倍。所以100 W的LED經(jīng)過(guò)修正以后，地面的照度為37.6 Lx，而高壓鈉燈的修正后照度為28.2～37.6 Lx，二者相當(dāng)。所以100 W 的 LED可以取代約200 W的高壓鈉燈，從實(shí)際的發(fā)光效果來(lái)看，LED燈比高壓鈉燈好得多。

3 燈具布置實(shí)例

寧強(qiáng)至棋盤關(guān)高速公路隧道照明設(shè)計(jì)采用新型LED隧道專用照明燈具替代原設(shè)計(jì)高壓鈉燈后，照明總功率為原設(shè)計(jì)的0.6倍，節(jié)電40%。照明布置為:

基本段燈具布置:采用60 W LED隧道專用燈，間距12.0 m(水泥路面)，110 W 的LED隧道專用燈，間距12.0 m(瀝青路面)。

引入段燈具布置:采用140 W的LED隧道專用燈加強(qiáng)照明，間距0.6 m。

過(guò)渡段Ⅰ燈具布置:采用140 W LED隧道專用燈加強(qiáng)照明，間距2.0 m。

過(guò)渡段Ⅱ燈具布置:采用140 W LED隧道專用燈加強(qiáng)照明，間距8.0 m。

出口段:每個(gè)基本照明段落增加2盞140 W的LED和4盞110 W的LED隧道專用燈加強(qiáng)照明(瀝青路面)。

每個(gè)基本照明段落增加2盞140 W的LED隧道專用燈加強(qiáng)照明。

比較高壓鈉燈和LED燈的投資與節(jié)能情況見表2。

表2 照明優(yōu)化費(fèi)用比較

4 結(jié)語(yǔ)

目前LED隧道專用燈具的初始投資雖然高于高壓鈉燈，但是由于LED的用電量及使用維護(hù)費(fèi)用大大低于高壓鈉燈，并且隨著LED燈具的產(chǎn)業(yè)化，其生產(chǎn)成本將大幅降低，所以LED燈具在公路隧道的應(yīng)用將會(huì)很快普及，屆時(shí)隨著更多LED燈具的不斷應(yīng)用，將會(huì)產(chǎn)生非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

根據(jù)我國(guó)每年公布的《公路水運(yùn)交通行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從2003年到2006年全國(guó)公路隧道建設(shè)增量每年的增幅均在20%以上。2009年底，全國(guó)公路隧道為6 139處，394.20萬(wàn)m，比上年末增加713處，75.56萬(wàn)m，其中特長(zhǎng)隧道190處，82.11萬(wàn) m，長(zhǎng)隧道905處，150.07萬(wàn) m。如果再加上鐵路隧道、地鐵、輕軌和立交橋下穿通道等其它類型隧道，若這其中有50%安裝LED隧道照明燈具，將在節(jié)能上產(chǎn)生非常巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

因此，LED燈具作為第四代電光源，賦有“綠色照明光源”之稱，它必將取代傳統(tǒng)的白熾燈、鹵鎢燈和熒光燈而成為21世紀(jì)的新一代光源，特別是同綠色能源—太陽(yáng)能電池結(jié)合起來(lái)，白光LED將成為一種理想的環(huán)保照明。

［1］中華人民共和國(guó)交通部.JTJ 026—1999 公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1999.

［2］中華人民共和國(guó)交通部.JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］王樂(lè).關(guān)于LED應(yīng)用于照明的研究和設(shè)計(jì)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［4］宋白樺，李鴻，賀科學(xué).公路隧道照明的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.湖南交通科技，2005(1):96-98.

［5］陳彥華.公路隧道照明燈具的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2002(3):55-57.

［6］黃彥.淺談 LED在隧道照明中的應(yīng)用［J］.燈與照明，2009(4):17-19.