LED 路灯于道路照明的问题与对策

LED路灯于道路照明的问题与对策LED光源是新一代受到注目的照明光源、目前多利用在资讯显示等的间接照明应用上。这些小功率的LED已经悄悄地地用在各式各样的产品中了。交通号志灯、引导灯等因为更换费用高已经优先被LED光源取代了、其他的地底灯、水底灯等等也都慢慢更换用LED的光源了。讲求高信赖性的汽车工业也从车尾灯、车内照明灯、仪表板等等开始采用了各式各样的LED光源。手机和显示器的背光源是另外一个帮助LED产业成长的应用、新的LED背光模组取代了传统不环保的冷阴极管、更减少了显示器的电耗、除了达到节能减排的目标外也使得一些携带性的电子产品（例如笔记型电脑等等）提高了它们的工作时间、真正达到电子产品可以随身携带的诉求。LED的光源能利用程式控制的方式提供五颜六色的光输出、迅速地变换颜色提供了从所未有的视觉效果。新的应用带动了整个LED产业的蓬勃发展、当然也使LED的技术获得了成长的动力、新一代的大功率的LED就是在这样的成长动力下产生了。大功率的LED晶片的研发成果把LED的照明应用由小区域的照明（如矿工灯、手电筒、台灯、手机和背光模组等等）推向了大面积的照明领域。所谓的大面积的照明应用包括像车头灯、路灯、隧道灯、广场照明、工厂照明、公园灯等等的应用都是下一个带动LED再有另一波成长高峰的应用。当然这些应用比起过去的产品都需要考量更多的限制、例如照明的法令规定、光源的机构和光学设计、电力节能的新要求、昂贵的售价、高功率帶來的散熱問題、光衰的問題等等都是目前的瓶颈。本文将针对这些问题说明目前的现况、除了说明其缺点外并提出建议的作法。关键词/Keywords:发光二极体(LightEmittingDiode;LED),热导管(Heatpipe),热板(VaporChamber),反射镜(reflector),灯壳(lampshell)路灯（街灯）不但扮演著维持交通顺畅不可或缺的重要角色、同时对一个城市来讲更是重要的指标之一。目前在高度成长的各大城市中流行著一句简单的口语『白天看车、晚上看灯』这说明了路灯和街灯是多么的重要！采用LED路灯相较于传统使用在路灯上的光源如水银灯、高压纳灯或卤化金属灯等、LED光源具有寿命长及免维修等优势。随著环保意识的高涨、欧盟RoHS(电子电机设备限用危害物质指令)的环保新规定已经规定于2006年7月1日起、凡是含有铅、水银、镉、六价铬等重金属以及聚溴二苯醚和聚溴联苯等阻燃剂的电子电器设备将被禁止进入欧盟消费市场。这一举动也会牵动其他先进的国家和地区在近期会跟进、以保护自己生存的环境、这使得传统的光源会因为含有管制物质而面临淘汰的命运、然而具有长寿命和节能优点的LED新光源自然就受到大家广泛的注意和讨论。除了上述说明了绿色能源带来LED路灯的需求外、近来由于国际情势的动荡导致原油的价格节节高涨、每桶原油的价格已经突破100美元的关卡持续向每桶150美元挺进、专家预估若中东局势有进一步恶化的现象、每桶油价将会达到每桶200美元的天价。中国国内的电能短缺加上原油价格的飙升、导致中央政府祭出了宏观调控的政策来抑制经济的过度发展、同时提出节能减排的目标。各地的地方政府纷纷提出对应的做法来响应中央的号召、采用LED路灯的节能减排效果确实能有效地改善目前在道路照明上的浪费情形。在缺乏相关法规的规范下、许多的业界的先进已经等不及的开发出一些先期的样品来攻占这个新兴市场了、初期的产品有许多是来自从事五金散热的公司、光学镜头的供应商、传统灯具的供应商、系统整合的工程公司等等都前仆后继的投入LED路灯的开发。下表列出了一些市场上的竞争者和美国StrategiesUnlimited对市场的成长预估。

表一：市场上的主要竞争者

图一：市场的成长预估（資料來源：StrategiesUnlimited)由于目前并没有一套能用于LED路灯的规范、所以一般业者都是参考国内建设部于2006年12月19日发布、2007年7月1号实施的『城市道路照明设计标准』CJJ45-2006作为依据。其中有两条强制性的条文、一个是规定采用双电源来保障安全、另一个是规定照明的功率密度值（Watts/m2)作为照明均匀性和节能的规范。在2007年年尾于中山古镇的照明研讨会中、由国家半导体照明工程研发及产业联盟发布了一个推荐性技术规范---『整体式LED路灯的测量方法』希望能广徵各方建议进而早日推出业界的标准。道路照明对于不同的道路级别在对应的照度值的要求下、规定照明功率密度值来达到节能的目的。以LED路灯而言一般我们会建议利用光学设计和LED本身的高方向性的发光优势来增加灯柱之间的距离、进而减少灯头的数目也就是降低安装LED路灯的总成本。我们建议在40x30m2的地面面积下20-30lx的平均照度值是一个合理的初期目标。进一步的节能目标应该能将40米的灯距拉大到50-60米。

图二：常规照明灯具的建议布置图在照明的方式和设计要求上、悬吊长度不宜超过灯杆高度的1/4及仰角不宜超过15度的规定仍然适用于LED路灯。但在路灯的高度上由于LED路灯能有较好的光学设计将发出的光充分用在想要照射的路面、不会像传统的光源有光污染和低效率的情形。尤其是灯杆高度部份由于传统光源有困难达到高均匀度的要求、所以灯杆高度都很高（以12米为主要高度）为了达到节能的要求灯杆高度建议应该以8米为主要设计高度、并将LED路灯的总功耗能控制在100Watts以下！如此不但节能也扩大LED路灯采用太阳能的可能性。每一个工程就像一个新的专案需要针对该专案的需求重新设计、不可千篇一律的采用旧设计。并在能满足功能的前提下、针对LED光源的独特性做出外型独特的灯壳、达到美化市容的目的。对于灯具的布置除了拉大灯距的做法外、上图列出了建议的布置图。在节能的标准和措施上、并不是靠降低照明水平来实现而是要在光源、电源和灯具的设计选用上做出有效的结合。深夜时降低路面的照度是节能最有效也是最快的方法。光控和时控的相结合会进一步达到节能目标。也能利用冷白和暖白光的调和来改变出光的色温、对于一些常起雾的区域能提供节能又高质量的道路照明。在LED灯具的开发上、有几个重点是我们必须特别注意的、它们分别是LED光源、热传的设计、光学的设计、灯壳外型设计、和电控电源的开发。下面针对这几个关键做个别的说明：（一）LED光源目前市场的主流都是用美国Cree和Lumileds的产品、光源的成本占整个产品的60%以上、由于售价控制于国外大厂使得产品的售价居高不下。数个封装好的3–5Watts的高功率模块被广泛的使用中、甚至8-10W的模块也有厂商使用。许多国内的封装厂在高功率的LED封装上做了一些尝试但在封装的基板设计、封装的技术、材料的选用、（固晶胶、萤光粉、封胶材料等等）以及制程的参数等等都还有进步的空间！不好的光源即使在散热处理得很好的LED路灯中也会在3-6个月内产生严重的光衰现象。预估高功率的LED集成模块因为比较容易配合光学设计的需求将会成为LED路灯应用的市场主流。（二）热传的设计LED光源的寿命和光衰与其节点的工作温度有很密切的关系。温度每增加10度C其信赖性就会减少一半。许多样品用了许多的铝挤散热基构、压铸件和鳍片等等的散热件来帮助LED散热导致灯头太重并不适合挂在现有的灯柱上。散热设计的重点在于要有愈短愈好的热路径的设计、热必须能在最快速的方法将热导出然后散出。导出去不能有效的散热或是没能在第一时间有效地导出热都是不好的设计。一些主动是散热的设计例如风冷的风扇和水冷式的技术都不适合严苛的户外照明环境应该避免这样的设计。热导管是广泛应用在计算器电脑的一种散热的技术。每个月的热导管需求量约是1000万支、所以这个成熟的技术很适合应用在高功率LED的散热设计上。对于某些需要在小面积内设计高密度的LED应用就建议用热板(VaporChamber)的技术、不过在可能的情形下建议尽量分散LED也就是分散热源、不但散热的设计较好做、就连光学的设计也是较好的方式。因为一般的灯壳都是以金属为材料、所以建议用可弯曲和压扁的热导管连结LED和灯壳做到最有效和低成本的散热设计！热导管的应用加上配合一些结构上的设计来帮助提高自然对流的能力是我们设计的重点应该也会是未来的趋势。下面的图说明了热导管经过折弯压扁后做为LED灯具的散热机构。（三）光学设计不同的光源必须有不同的光学设计、即使相同的光源但是应用在不同的专案中也要有新的设计。下图说明了针对路灯的应用、我们刻意将光场设计成长方形的光型。LED光源没有传统光源向四面发光的缺点、其高方向性的单面发光特性会有比较好的光学设计。集成模块光引擎的二次光学设计不论是用透镜或反射杯(reflector)都会是整个灯具最重要的一环、提升整体灯具的出光效率是很重要的工作、传统灯具只有约65%的出光效率、但以LED路灯来讲80%以上的出光效率应该是LED路灯的目标。LED光源不适合紧密的排列在一个平面上、这样会增加光学设计的困难无法提升出光效率和高均匀性光场的要求。对于炫光的问题可以利用LED排列的方式和位置的安排来控制（说明于下图中）。另外对于中间视觉的现象是有助于LED路灯的推广因素但需要更多的实验数据来支持这个理论。（四）灯壳外型设计结合热导管虽然可以将热传导致就有的传统压铸灯壳、但考虑灯具的出光效率所需的光学设计我们还是建议采用兼具散热和光学设计要求的新设计灯壳。IP65的需求仍是设计上的一个重点。模组化的高功率LED模块会提供较好的设计弹性、使得各式各样的LED灯壳设计能达到美观又实用的目的。（五）电控电源传统纳灯需要将电源和灯泡（光源）放得很近来确保纳灯能正常点亮。但LED光源不需要如此、许多设计沿用旧思维将电源部份放在灯头里面或是背负在灯头上面。理论上因为电源部份和LED光源有不同的寿命所以将他们一起放在极难维修的高空中是一种不好的设计！所以我们建议采取分开设计和安装、将电源电控部份安装到灯杆下面以方便维修。电控部份采用高效率的交换式电源供应器再加上依负载端(LEDs）设计的定电流稳定线路(PWMDimming)智慧型的电控系统可以达到进一步省电、监控、保全的目的、这些附加价值是传统灯具做不到的、我们却可以整合到LED灯具中！再加上Wireless的工能进一步节省信号电缆的费用、采用Zigbee的RF无线IC可将信号无线传输于两个路灯灯头之间、进而串联成一个无线的联络网。高售价的LED路灯考验著大家对这类产品的接受程度、就跟当年推出省电灯泡一样。不过省电灯泡虽有政府的补助计画仍然得不到广大消费者的接受取代传统的白炽灯泡。尤其前面说过如果占总体成本的六成以上关键零件（LED模块）的价钱是掌控在国外大厂手上、那要降价就很不可能、如果不降价那这个市场就会和当年省电灯泡一样叫好不叫座。预计国内的封装和晶片技术成熟后能将LED模块的成本降低至整个灯具成本的三成左右才有可能普极化的采用LED路灯来取代传统的高压纳灯。一般来讲若以直接取代传统纳灯的方式来采用LED路灯、依目前的售价和电费的结构约需3.5年左右来能将初期的投资差额回本！但若用新设计加大灯柱之间的距离、并考虑用较细的电览县的节省再加上电费的节省等等、回本的时间就大幅缩短在一年左右。除了降低电力消耗成本外、也降低了二氧化碳的排放量！但即使如此目前其较昂贵的价格、仍旧是未来是否能普及到各国的考验之一。LED路灯的产品开发需要结合许多不同领域的专家整合关键的技术如下图这些整合的成功与否将是决定LED灯具是否能成为未来的主流的关键。随著国际领先企业的进驻中国外延片和芯片的技术的本土化将带动高信赖性