LED照明節(jié)能技術(shù)在臨吉高速公路隧道中的應(yīng)用

朱文君

（山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006）

0 引言

臨汾至吉縣（壺口）高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)青島至蘭州公路和山西省“三縱十一橫十一環(huán)”高速公路網(wǎng)第九橫（黎城至吉縣壺口段）的重要組成部分，也是山西省“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。

臨吉高速公路路線的80%處于山嶺重丘區(qū)，橋隧占總長(zhǎng)的49.6%。全線共設(shè)有17條隧道，包括佛兒崖隧道、梁家凹隧道、光華隧道、東紅峪隧道、高架河隧道、半溝隧道、松樸嶺隧道、瓦窯嶺隧道、鄉(xiāng)寧1＃隧道、鄉(xiāng)寧2＃隧道、云臺(tái)山隧道、吉縣1?！h4＃隧道、高樓隧道、進(jìn)師嶺隧道。

初步計(jì)算認(rèn)為隧道照明電費(fèi)將成為運(yùn)營(yíng)單位的巨大負(fù)擔(dān)并形成巨大能耗。如何在隧道照明方面最大限度地節(jié)能降耗、保障安全，是臨吉高速公路建設(shè)和營(yíng)運(yùn)時(shí)期亟待解決的技術(shù)難題。

影響公路隧道照明電力消費(fèi)的主要因素是燈具效率、燈具的布局模式、控制方案等。目前公路隧道照明廣泛使用高壓鈉燈。高壓鈉燈存在效率低、啟動(dòng)慢、能源消耗高、不利于智能控制等弊端，不符合當(dāng)前我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的要求。探索使用新型高效光源是解決這一問題的關(guān)鍵。

隧道是道路的一部分，為了保證其間行駛的安全性，無論白天和夜晚都離不開照明。由于隧道的地理位置和環(huán)境條件比較特殊，隧道照明燈具設(shè)計(jì)布置量大，開啟工作時(shí)間長(zhǎng)，因此對(duì)隧道照明的節(jié)能、穩(wěn)定、易維護(hù)和長(zhǎng)壽命有著非常嚴(yán)格的要求。

隨著近幾年LED照明產(chǎn)業(yè)的科技成果日新月異，隧道建設(shè)的科技創(chuàng)新引起了臨吉高速公路建設(shè)管理各單位的高度重視。經(jīng)過論證，臨吉高速公路在中短隧道實(shí)施LED節(jié)能照明示范工程，分別為佛兒崖至瓦窯嶺8座隧道、鄉(xiāng)寧1＃隧道、鄉(xiāng)寧2＃隧道、吉縣1?！?＃隧道，其余3座特長(zhǎng)隧道采用高壓鈉燈照明方式。

1 LED的基本原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 LED的基本原理

LED是Light Emitting Diode的縮寫，中文名稱為“發(fā)光二極管”。它是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的核心是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，是負(fù)極，另一端連接電源的正極，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，里面主要是空穴，另一部分是N型半導(dǎo)體，里面主要是電子。這兩種半導(dǎo)體連接起來就形成一個(gè)PN結(jié)。

PN結(jié)的端電壓構(gòu)成一定勢(shì)壘，當(dāng)加正向偏置電壓時(shí)勢(shì)壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以會(huì)出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對(duì)P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放出去。

根據(jù)照明要求，將單粒LED按某種方式排列組裝在一起以增加發(fā)光亮度或完成其他特定功能的裝置稱為L(zhǎng)ED一體化照明燈具，簡(jiǎn)稱LED照明燈具。

1.2 LED的優(yōu)點(diǎn)

LED具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a）體積小 LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它體積非常小，重量非常輕；

b）耗電量低 LED的耗電量相當(dāng)?shù)停侵绷黩?qū)動(dòng)，超低功耗（單管0.03～0.06W），電光功率轉(zhuǎn)換接近100%，一般來說LED的工作電壓是2～3.6V，工作電流是0.02～0.03A，也就是說，它消耗的電能不超過0.1W，相同照明效果下比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上；

c）使用壽命長(zhǎng) LED光源又被稱為長(zhǎng)壽燈，它是固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動(dòng)的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)，在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合?，使用壽命可達(dá)6萬～10萬小時(shí)，比傳統(tǒng)光源壽命長(zhǎng)10倍以上；

d）高亮度、低熱量 LED使用冷發(fā)光技術(shù)，發(fā)熱量比普通照明燈具低很多；

e）環(huán)保 LED是由無毒的材料制作，不像熒光燈含水銀會(huì)造成污染，同時(shí)LED也可以回收再利用，光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源；

f）堅(jiān)固耐用 LED被完全封裝在環(huán)氧樹脂里面，比燈泡和熒光燈管都堅(jiān)固，燈體內(nèi)也沒有松動(dòng)的部分，因此LED不易損壞；

g）多色彩 LED光源可利用紅、綠、藍(lán)三基色原理，在計(jì)算機(jī)技術(shù)控制下，使三種顏色具有256級(jí)灰度并將其任意混合，即可產(chǎn)生256×256×256＝16777216種顏色，形成不同光色的組合變化多樣，可以實(shí)現(xiàn)豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果及各種圖像；

h）技術(shù)先進(jìn) 與傳統(tǒng)光源單調(diào)的發(fā)光效果相比，LED光源是低壓微電子產(chǎn)品，它成功融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等，所以亦是數(shù)字信息化產(chǎn)品，屬于半導(dǎo)體光電器件“高、新、尖”技術(shù)，具有在線編程、無限升級(jí)、靈活多變的特點(diǎn)；

i）控制方便 只要調(diào)整電流，就可以對(duì)LED隨意調(diào)光，使燈光更加清晰、柔和，從而讓人感覺更加舒服。

利用上述優(yōu)點(diǎn)制造出來的小功率LED燈具替代大功率的高壓鈉燈，可以獲得相同的照明效果。表1是一組100W高壓鈉燈與50W LED隧道燈的實(shí)測(cè)參數(shù)比較表。

表1 100W高壓鈉燈與50W LED隧道燈光效比較表

2 實(shí)施方案

隧道照明均要依據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026.1—1999），按照隧道等級(jí)進(jìn)行配光及布設(shè)設(shè)計(jì)。下面以山西省臨吉高速公路光華隧道LED照明試點(diǎn)工程為例予以說明。

2.1 根據(jù)隧道照明等級(jí)，明確各段照明亮度要求

本項(xiàng)目應(yīng)用于入口段、過渡段、基本段、出口段，依據(jù)照明原理和燈具特點(diǎn)，對(duì)隧道的照度分布和不同路段的亮度要求進(jìn)行了燈具配置，通過測(cè)試手段加以驗(yàn)證，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足了光華隧道LED照明方案對(duì)不同路段的亮度指標(biāo)要求及隧道照度分布要求（見表2）。

表2 隧道亮度要求設(shè)計(jì)表

2.2 依據(jù)設(shè)計(jì)亮度要求，選擇LED照明燈具及配套設(shè)備

2.2.1 LED照明燈具的配置

光華隧道中LED照明燈具的配置情況見表3。

表3 隧道燈具配置表

2.2.2 大功率LED照明光源散熱器設(shè)計(jì)

與高壓鈉燈不同，LED照明燈具使用LED光源，在高溫條件下其性能會(huì)迅速下降，甚至損毀。解決散熱問題是保證LED燈具正常工作的重要條件。項(xiàng)目實(shí)施過程中結(jié)合隧道通風(fēng)的特點(diǎn)，采用單一散熱器。這種散熱器具有小通道結(jié)構(gòu)，有利于照明裝置散熱，在熱量到達(dá)燈具之前已經(jīng)通過這種小散熱器將熱量散發(fā)進(jìn)入空中。由光源組成的單元燈具具有此種結(jié)構(gòu)，使冷卻效率大大提高，有效解決了高功率LED燈具的發(fā)熱問題，同時(shí)也使燈具的質(zhì)量減少了60%。

2.2.3 電源設(shè)計(jì)的安全性及易維護(hù)性

考慮到隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)的方便性，對(duì)直流穩(wěn)壓電源需進(jìn)行可靠性和可維護(hù)性驗(yàn)證。本項(xiàng)目采用的是開關(guān)電源，采用隔離分體式電源設(shè)計(jì)，散熱好，性能穩(wěn)定可靠，徒手即可更換電源，便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，并且滿足保護(hù)燈體和保障使用者人身安全的要求。

3 PWM無極控制系統(tǒng)

隧道照明最根本的目的是：滿足司機(jī)視覺要求，滿足人眼適應(yīng)曲線。在傳統(tǒng)配電回路控制法下，照明亮度分級(jí)少，造成電能浪費(fèi)（即過度照明或無效照明），而無級(jí)調(diào)光方式則能快速響應(yīng)跟蹤照明需求曲線，以得到最優(yōu)的控制效果并達(dá)到節(jié)能的目的，即所謂的“按需照明”。無級(jí)調(diào)光控制的實(shí)現(xiàn)，依賴于可調(diào)光燈具、通訊接口等硬件的支持。目前，可調(diào)光LED照明燈性能較為穩(wěn)定可靠，已經(jīng)完全可以支持PWM無極控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

隧道內(nèi)加強(qiáng)照明燈的工作時(shí)間長(zhǎng)，需要12h持續(xù)工作。在傳統(tǒng)照明設(shè)計(jì)方式下，燈具投入運(yùn)營(yíng)初期的亮度超出規(guī)范基本要求的42.6%～66.7%，存在一定程度的過度照明。為了避免過度照明造成電能浪費(fèi)，同時(shí)減小LED燈的光衰，延長(zhǎng)LED光源和驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)，可將加強(qiáng)的功率設(shè)定在額定功率的75%。在未來的運(yùn)營(yíng)過程中，可根據(jù)LED燈的光衰情況，逐年遞增燈具的輸出功率，直至100%功率輸出。這種功率同步遞增的方式并不改變?cè)械呐涔馓匦浴?/p>

4 結(jié)語

我國(guó)對(duì)LED的技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用都極為重視。2003年由科技部牽頭成立了“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組”，許多省的交通行業(yè)已紛紛開始進(jìn)行這方面的應(yīng)用研究。在既有研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步研究和解決LED照明技術(shù)中存在的困難和問題，臨吉高速公路隧道采用以LED照明技術(shù)為核心的照明系統(tǒng)，率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)這一隧道照明節(jié)能技術(shù)的大范圍應(yīng)用。

實(shí)踐證明該技術(shù)方案成熟可靠，比使用傳統(tǒng)的高壓鈉燈可節(jié)約電能30%～40%，節(jié)能效果顯著。LED照明燈具在公路隧道照明領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。