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淺談目前大功率LED隧道燈的市場應(yīng)用情況

作者: 時間:2013-05-17 來源:中國之光網(wǎng) 收藏

  引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/145424.htm

  近年來,為了保持國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展,國家加大了基礎(chǔ)設(shè)施建役方面的投入,如鐵路、公路的建設(shè)。這樣隧道燈配備的需求量與日俱增。為了節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境,提高隧道的質(zhì)量,同時也為了適應(yīng)隧道營運(yùn)管理的可持續(xù)發(fā)展,結(jié)合隧道特殊的環(huán)境和觀感視覺,尋找合理新型理論和技能光源就顯得十分必要。

  1.常規(guī)隧道燈與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、視覺敏感特性、功率規(guī)格、亮度控制等方面均存在許多不足,而新興的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(dāng)今世界隧道照明的主流燈具。國家還出臺了“十城萬盞”半導(dǎo)體照明工程的新舉措,為隧道燈的發(fā)展帶來了前所未有的機(jī)遇。

  LED(LightEmittingDiode)即發(fā)光二極管,是一種半導(dǎo)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(shè)備中的指示燈。隨著技術(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(yīng)用于多類行業(yè),主要應(yīng)用市場包括傳統(tǒng)的顯示屏和信號燈市場、背光源市場、路燈、隧道燈、汽車照明市場、室外景觀照明和室內(nèi)裝飾照明市場、特種照明燈市場。LED作為隧道燈光源具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

  (1)LED隧道燈功耗小、節(jié)能,與傳統(tǒng)的高壓鈉燈相比,其能耗節(jié)省超過40%。

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

  (3)LED隧道燈可靠性高,日常的養(yǎng)護(hù)和維修費(fèi)用低,平均無故障工作時間(MTBF)高達(dá)2萬h,而高壓鈉燈和熒光管的平均無故障工作時間(MTBF)不到1萬h。

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

  (5)LED隧道燈能實現(xiàn)瞬間啟動,便于亮度調(diào)節(jié),具有無頻閃、啟動電壓范圍寬等優(yōu)點,可以實現(xiàn)多種節(jié)能方式,如根據(jù)道路、隧道的車流量智能調(diào)節(jié)照度等。

  (6)高壓鈉燈、熒光燈、無極燈中含有汞、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(shè)計要求

  (1)隧道內(nèi)不管是白天或夜間均需設(shè)置基本照明。白天車輛進(jìn)入隧道時,路面亮度應(yīng)逐漸下降,使司機(jī)的視覺有一個適應(yīng)過程,將入口段分為引入段、適應(yīng)段和過渡段。

  (2)確定引入段、適應(yīng)段和過渡段的長度(S),通常按車速(V)以T=2s的適應(yīng)時間來確定,可用S=VT/3.6m來估算;出口段也應(yīng)設(shè)過渡照明,在雙向交通情況下和入口段相同。

  (3)夜間出入口不設(shè)加強(qiáng)照明,洞外應(yīng)設(shè)路燈照明,亮度不低于洞內(nèi)基本亮度的1/2;隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)應(yīng)急照明,其亮度不低于基本亮度的1/10。

  (4)根據(jù)中國JTJ026-90《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定,隧道入口照明區(qū)間長度及路面最低亮度標(biāo)準(zhǔn)按如表1要求設(shè)計。

  3.大功率LED隧道燈的設(shè)計方案

  3.1LED光源的選擇

  LED單瓦流明輸出是決定LED隧道燈是否具有實用價值的基本指標(biāo),根據(jù)要求,LED隧道燈所用LED的單瓦流明數(shù)應(yīng)達(dá)到80流明以上,在經(jīng)過近三年LED的發(fā)光效率的高速發(fā)展后,現(xiàn)階段可大批量供貨的LED光效已達(dá)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商的已量產(chǎn)大功率1W白光LED的主要技術(shù)參數(shù)。可采用OSRAM廠商LUWW5AM為設(shè)計光源,利用LED光源有多種不同色溫可供選擇的特點,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(yīng)。

  3.2配光設(shè)計

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

  (1)隧道進(jìn)口段的引入段、適應(yīng)段和過渡段以及出口段采用不對稱照明配光(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,利用了高指向性的優(yōu)勢,嚴(yán)格控制大角度方向的光強(qiáng),消除大部分眩光。

  (2)在隧道的基本段,目前常見的配光分布型式有聚光型配光、側(cè)射型配光、朗伯型配光等。不同的應(yīng)用場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(shè)計

  LED是個光電器件,以目前處于世界前沿的大功率LED來說,其工作過程中也只有15%~20%電能轉(zhuǎn)換成光能,其余大部分的電能轉(zhuǎn)換成熱能,使LED的溫度升高。另一方面,LED的流明輸出隨著LED結(jié)溫的升高而降低,而LED壽命隨著結(jié)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(qiáng)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(jié)構(gòu)可靠,易于做防水,但是對燈體本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高。②加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱主要利用強(qiáng)制對流實現(xiàn)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(dǎo)至散熱鰭片而達(dá)到散熱的目的,無運(yùn)動部件,系統(tǒng)穩(wěn)定,但是成本相對高。

  由于隧道與一般道路相比,有其獨(dú)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(shè)計,實現(xiàn)模塊化方式散熱,使LED結(jié)溫保持在70℃以下,保證LED長時間低光衰下穩(wěn)定的工作,提高燈具的維護(hù)系數(shù),節(jié)約維護(hù)成本。

  根據(jù)隧道內(nèi)氣流的流動特性,對散熱腔進(jìn)行不對稱通風(fēng)設(shè)計,保障空氣對流散熱,同時減少汽車產(chǎn)生的油煙等污質(zhì)進(jìn)入散熱腔,吸附于散熱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致散熱效率降低。

  3.4結(jié)構(gòu)設(shè)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(hù)等級按IP65進(jìn)行設(shè)計,散熱腔按IP23進(jìn)行設(shè)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(nèi)空氣不流通,汽車尾氣摻雜其中,成分復(fù)雜,因此LED隧道燈具應(yīng)具有良好的耐腐蝕、廢氣、煙霧和隧道內(nèi)大氣中含有的其他化學(xué)物質(zhì),各結(jié)構(gòu)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(shè)計

  LED的正向伏安特性和普通二極管類似,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(nèi)部損耗及發(fā)熱快速上升,嚴(yán)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(nèi)部壓降后同電流一樣,也與LED需要的總電壓相匹配。內(nèi)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(jié)能和減少對電網(wǎng)的“污染”,LED隧道燈的驅(qū)動器還要求其功率因數(shù)和產(chǎn)生的諧波必須滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求,并適當(dāng)考慮電磁干擾和電磁兼容。

  (1)采用高轉(zhuǎn)換效率、高穩(wěn)定性的電源,轉(zhuǎn)換效率大于87%,功率因素大于95%,抗外界電網(wǎng)電壓波動能力強(qiáng)的開關(guān)電源(96~264V),配以恒流電路設(shè)計,以恒流方式驅(qū)動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間段進(jìn)行功率的調(diào)節(jié),達(dá)到良好的照明效果和節(jié)能的目的。對隧道進(jìn)口段的引入段、適應(yīng)段、過渡段以及出口段采用不同的電流進(jìn)行驅(qū)動,使其盡量接近隧道照明曲線要求,達(dá)到最好的照明效果;對隧道進(jìn)口段和出口段采用定時調(diào)節(jié)功能,通過PWM調(diào)光調(diào)節(jié)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%,無論在白天和黑夜,都有效減小“亮洞”和“黑洞”現(xiàn)象。

  4.結(jié)語

  大功率隧道照明LED光源的生產(chǎn)開發(fā),設(shè)計應(yīng)用,為國家鐵路、公路隧道照明增添廣擴(kuò)的市場,它不但為我國隧道新光源的應(yīng)用填補(bǔ)了空白,而且在低碳節(jié)能環(huán)保的道路上又邁進(jìn)的一步,值得全面推廣應(yīng)用。

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