浅谈大功率LED隧道灯的应用分析[1]

　　引言

　　近年来，为了保持国民经济的持续健康发展，国家加大了基础设施建役方面的投入，如铁路、公路的建设。这样隧道灯配备的需求量与日俱增。为了节约能源、保护环境，提高隧道照明的质量， 同时也为了适应隧道营运管理的可持续发展，结合隧道特殊的照明环境和观感视觉，寻找合理新型照明理论和技能光源就显得十分必要。

　　1 常规隧道灯与LED 隧道灯的功能比较选择

　　目前隧道照明大都是采用高压钠灯作为光源，但是高压钠灯在辐射形式、显色性、视觉敏感特性、功率规格、亮度控制等方面均存在许多不足，而新兴的LED 隧道照明灯具以其优异的性能，特别是亮度的可控性，克服了高压钠灯的诸多不足，正在成为当今世界隧道照明的主流灯具。国家还出台了“十城万盏”半导体照明工程的新举措，为LED 隧道灯的发展带来了前所未有的机遇。

　　LED(Light Emitting Diode)即发光二极管，是一种半导体发光技术。最早研制的LED 只能发出红色的光，用于电子设备中的指示灯。随着技术的发展，如今LED 灯已能发出各种颜色的灯光，并广泛应用于多类行业，主要应用市场包括传统的显示屏和信号灯市场、背光源市场、路灯、隧道灯、汽车照明市场、室外景观照明和室内装饰照明市场、特种照明灯市场。LED 作为隧道灯光源具有其独特的优势。

　　(1)LED 隧道灯功耗小、节能，与传统的高压钠灯相比，其能耗节省超过40%。

　　(2)LED 隧道灯寿命长，在理想状态下有10 万h，而高压钠灯和荧光管的寿命只有1 万~3 万h。

　　(3)LED 隧道灯可靠性高，日常的养护和维修费用低，平均无故障工作时间(MTBF)高达2 万h，而高压钠灯和荧光管的平均无故障工作时间(MTBF)不到1 万h。

　　(4)降低了配电系统(电缆、变压器、配电箱、桥架等)的建设成本，对于长隧道、远距离供电的情况，电缆、配电设施所占成本的比例尤其大，采用LED 隧道灯由于节电可以大大降低电缆和配电设备等的投资。

　　(5)LED 隧道灯能实现瞬间启动，便于亮度调节，具有无频闪、启动电压范围宽等优点，可以实现多种节能方式，如根据道路、隧道的车流量智能调节照度等。

　　(6)高压钠灯、荧光灯、无极灯中含有汞、铅等化学性污染物，而LED 隧道灯光源不含化学污染性物质，是绿色环保的光源。

　　2 大功率LED 隧道灯的设计要求

　　(1)隧道内不管是白天或夜间均需设置基本照明。白天车辆进入隧道时，路面亮度应逐渐下降，使司机的视觉有一个适应过程，将入口段分为引入段、适应段和过渡段。

　　(2)确定引入段、适应段和过渡段的长度(S)，通常按车速(V)以T=2s 的适应时间来确定，可用S=VT/3.6m 来估算;出口段也应设过渡照明，在双向交通情况下和入口段相同。

　　(3)夜间出入口不设加强照明，洞外应设路灯照明，亮度不低于洞内基本亮度的1/2;隧道内应设应急照明，其亮度不低于基本亮度的1/10。

　　(4)根据中国JTJ 026-90《公路隧道设计规范》中的规定，隧道入口照明区间长度及路面最低亮度标准按如表1 要求设计。

　　3 大功率LED 隧道灯的设计方案

　　3.1 LED 光源的选择

　　LED 单瓦流明输出是决定LED 隧道灯是否具有实用价值的基本指标， 根据要求，LED 隧道灯所用LED 的单瓦流明数应达到80 流明以上， 在经过近三年LED 的发光效率的高速发展后，现阶段可大批量供货的LED 光效已达90lm/W 以上，且亮度还在不断地提高。表2 提供了代表目前国际最前沿的几大厂商的已量产大功率1W 白光LED 的主要技术参数。可采用OSRAM 厂商LUWW5AM 为设计光源，利用LED光源有多种不同色温可供选择的特点，选取跟日光相近色温4000~6000K 的LED 光源，能有效减少“亮洞”和“黑洞”效应。

　　3.2 配光设计

　　根据隧道照明要求， 依不同照明段采用不同的配光灯具，根据光学原理和LED 光源高指向性的特点，采用合理的配光，在满足亮度或照度要求的情况下，降低灯具的功率，达到节能的目的。

　　(1)隧道进口段的引入段、适应段和过渡段以及出口段采用不对称照明配光(逆光照明)，在相同的照度条件下，与普通照明相比较，能够提高路面亮度121%，同时，利用了高指向性的优势，严格控制大角度方向的光强，消除大部分眩光。

　　(2)在隧道的基本段，目前常见的配光分布型式有聚光型配光、侧射型配光、朗伯型配光等。不同的应用场合适用不同的配光形式，例如：道路照明宜选用蝙蝠翼型配光、射灯宜选用聚光型配光。由于隧道照明的特殊性，隧道照明中灯具的排布密度非常高，所以在隧道照明中对灯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、朗伯型配光都可以满足照度均匀度的要求，这主要是由于隧道照明中灯距比较小。图1 给出了两款LED 隧道灯的C0 方向配光图，左边为道路照明以及隧道照明中比较常用的蝙蝠翼型配光，右边为朗伯型配光。采用蝙蝠翼配光，即宽光带对称照明配光，在相同的照度条件下，与普通照明相比较，能够提高路面亮度64%，提高路面亮度均匀度。

　　3.3 散热设计

　　LED 是个光电器件，以目前处于世界前沿的大功率LED来说，其工作过程中也只有15%~20%电能转换成光能，其余大部分的电能转换成热能， 使LED 的温度升高。另一方面，LED 的流明输出随着LED 结温的升高而降低，而LED 寿命随着结温升高而缩短。所以，LED 的散热处理得好不好将直接关系到隧道灯具的使用效果和寿命。

　　目前大功率LED 的散热主要有三种方式： ①自然散热、加装风扇强制散热及热管加散热鳍片技术等。自然散热利用自然对流和热辐射，结构可靠，易于做防水，但是对灯体本身的结构设计要求高。②加装风扇强制散热主要利用强制对流实现散热，热散速度快，但是成本和噪音高，难做防水。③热管加散热鳍片技术主要利用热管将LED 所产生的热量迅速传导至散热鳍片而达到散热的目的，无运动部件，系统稳定，但是成本相对高。

　　由于隧道与一般道路相比，有其独特的性质，我们采用热管加散热鳍片技术的方式进行散热处理， 热通道垂直设计，实现模块化方式散热，使LED 结温保持在70℃以下，保证LED 长时间低光衰下稳定的工作， 提高灯具的维护系数，节约维护成本。

　　根据隧道内气流的流动特性，对散热腔进行不对称通风设计，保障空气对流散热，同时减少汽车产生的油烟等污质进入散热腔，吸附于散热结构导致散热效率降低。

　　3.4 结构设计

　　采用轻质的铝合金外壳，灯具重量在10kg 以下。LED 光源腔和电气腔防护等级按IP65 进行设计， 散热腔按IP23 进行设计;光源腔和散热腔采用合理的隔离方式，避免光源腔和散热腔热流的相互影响。由于隧道内空气不流通，汽车尾气掺杂其中，成分复杂，因此LED 隧道灯具应具有良好的耐腐蚀、废气、烟雾和隧道内大气中含有的其他化学物质，各结构组件外表面均进行防腐蚀处理，使其符合GB/T7000.5 的防腐要求。

　　3.5 电路设计