LED照明節能技術在臨吉高速公路隧道中的應用

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）高速公路是國家高速公路網青島至蘭州公路和山西省“三縱十一橫十一環”高速公路網第九橫（黎城至吉縣壺口段）的重要組成部分，也是山西省“十一五”規劃重點建設項目之一。

臨吉高速公路路線的80%處于山嶺重丘區，橋隧占總長的49.6%。全線共設有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、鄉寧1＃隧道、鄉寧2＃隧道、云臺山隧道、吉縣1?！h4＃隧道、高樓隧道、進師嶺隧道。

初步計算認為隧道照明電費將成為運營單位的巨大負擔并形成巨大能耗。如何在隧道照明方面最大限度地節能降耗、保障安全，是臨吉高速公路建設和營運時期亟待解決的技術難題。

影響公路隧道照明電力消費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、啟動慢、能源消耗高、不利于智能控制等弊端，不符合當前我國建設資源節約型社會的要求。探索使用新型高效光源是解決這一問題的關鍵。

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境條件比較特殊，隧道照明燈具設計布置量大，開啟工作時間長，因此對隧道照明的節能、穩定、易維護和長壽命有著非常嚴格的要求。

隨著近幾年LED照明產業的科技成果日新月異，隧道建設的科技創新引起了臨吉高速公路建設管理各單位的高度重視。經過論證，臨吉高速公路在中短隧道實施LED節能照明示范工程，分別為佛兒崖至瓦窯嶺8座隧道、鄉寧1＃隧道、鄉寧2＃隧道、吉縣1?！?＃隧道，其余3座特長隧道采用高壓鈉燈照明方式。

1 LED的基本原理及優點

1.1 LED的基本原理

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

PN結的端電壓構成一定勢壘，當加正向偏置電壓時勢壘下降，P區和N區的多數載流子向對方擴散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以會出現大量電子向P區擴散，構成對P區少數載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合，復合時得到的能量以光能的形式釋放出去。

根據照明要求，將單粒LED按某種方式排列組裝在一起以增加發光亮度或完成其他特定功能的裝置稱為LED一體化照明燈具，簡稱LED照明燈具。

1.2 LED的優點

LED具有以下優點：

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

b）耗電量低 LED的耗電量相當低，它是直流驅動，超低功耗（單管0.03～0.06W），電光功率轉換接近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光源節能80%以上；

c）使用壽命長 LED光源又被稱為長壽燈，它是固體冷光源，環氧樹脂封裝，燈體內也沒有松動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在恰當的電流和電壓下，使用壽命可達6萬～10萬小時，比傳統光源壽命長10倍以上；

d）高亮度、低熱量 LED使用冷發光技術，發熱量比普通照明燈具低很多；

e）環保 LED是由無毒的材料制作，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時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）堅固耐用 LED被完全封裝在環氧樹脂里面，比燈泡和熒光燈管都堅固，燈體內也沒有松動的部分，因此LED不易損壞；

g）多色彩 LED光源可利用紅、綠、藍三基色原理，在計算機技術控制下，使三種顏色具有256級灰度并將其任意混合，即可產生256×256×256＝16777216種顏色，形成不同光色的組合變化多樣，可以實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像；

h）技術先進 與傳統光源單調的發光效果相比，LED光源是低壓微電子產品，它成功融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術、嵌入式控制技術等，所以亦是數字信息化產品，屬于半導體光電器件“高、新、尖”技術，具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點；

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

利用上述優點制造出來的小功率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隧道燈的實測參數比較表。

表1 100W高壓鈉燈與50W LED隧道燈光效比較表

2 實施方案

隧道照明均要依據《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ 026.1—1999），按照隧道等級進行配光及布設設計。下面以山西省臨吉高速公路光華隧道LED照明試點工程為例予以說明。

2.1 根據隧道照明等級，明確各段照明亮度要求

本項目應用于入口段、過渡段、基本段、出口段，依據照明原理和燈具特點，對隧道的照度分布和不同路段的亮度要求進行了燈具配置，通過測試手段加以驗證，進行優化設計，滿足了光華隧道LED照明方案對不同路段的亮度指標要求及隧道照度分布要求（見表2）。

表2 隧道亮度要求設計表

2.2 依據設計亮度要求，選擇LED照明燈具及配套設備

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照明光源散熱器設計

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。項目實施過程中結合隧道通風的特點，采用單一散熱器。這種散熱器具有小通道結構，有利于照明裝置散熱，在熱量到達燈具之前已經通過這種小散熱器將熱量散發進入空中。由光源組成的單元燈具具有此種結構，使冷卻效率大大提高，有效解決了高功率LED燈具的發熱問題，同時也使燈具的質量減少了60%。

2.2.3 電源設計的安全性及易維護性

考慮到隧道運營維護的方便性，對直流穩壓電源需進行可靠性和可維護性驗證。本項目采用的是開關電源，采用隔離分體式電源設計，散熱好，性能穩定可靠，徒手即可更換電源，便于現場維護，并且滿足保護燈體和保障使用者人身安全的要求。

3 PWM無極控制系統

隧道照明最根本的目的是：滿足司機視覺要求，滿足人眼適應曲線。在傳統配電回路控制法下，照明亮度分級少，造成電能浪費（即過度照明或無效照明），而無級調光方式則能快速響應跟蹤照明需求曲線，以得到最優的控制效果并達到節能的目的，即所謂的“按需照明”。無級調光控制的實現，依賴于可調光燈具、通訊接口等硬件的支持。目前，可調光LED照明燈性能較為穩定可靠，已經完全可以支持PWM無極控制系統的實現。

隧道內加強照明燈的工作時間長，需要12h持續工作。在傳統照明設計方式下，燈具投入運營初期的亮度超出規范基本要求的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，同時減小LED燈的光衰，延長LED光源和驅動電源的使用壽命，在實際運營時，可將加強的功率設定在額定功率的75%。在未來的運營過程中，可根據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原有的配光特性。

4 結語

我國對LED的技術開發與應用都極為重視。2003年由科技部牽頭成立了“國家半導體照明工程協調領導小組”，許多省的交通行業已紛紛開始進行這方面的應用研究。在既有研究成果和實踐經驗的基礎上，通過進一步研究和解決LED照明技術中存在的困難和問題，臨吉高速公路隧道采用以LED照明技術為核心的照明系統，率先實現了對這一隧道照明節能技術的大范圍應用。

實踐證明該技術方案成熟可靠，比使用傳統的高壓鈉燈可節約電能30%～40%，節能效果顯著。LED照明燈具在公路隧道照明領域具有廣闊的應用前景。