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1、近期，复旦大学教授、电光源研究所所长、光源与照明工程系系主任刘木清分析了 LED 在隧道照明中的应用研究，引起了业界的热烈讨论。隧道照明目前的主要光源是荧光灯、高压钠灯及金卤灯等，LED 的特点决定了它未来在隧道照明中的潜力。 一、隧道照明的主要光源比较 目前，隧道照明的光源主要有高压钠灯、荧光灯、金卤灯等. 其中，高压钠灯光效高、紫外辐射少、可在任意位置点燃、耐震、寿命长，在隧道照明特别是山地等城市外的隧道中大量使用，而荧光灯、金卤灯等近年来在城市隧道照明中获得大量的应用。LED 是近几年发展很快的光源，其光效等性能指标快速提高而价格快速下降，因而在显示、景观照明等成功应用的同时在道路照明等
2、定向照明中逐步获得应用。 二、LED 作为隧道照明光源的特点 1、LED 隧道灯的整体光效 LED 隧道灯的整体效率除与采用的 LED 的光效相关外，还与三个因素有关：二次光学设计达到的光线利用率、良好散热以保证的 LED 输出光通量维持性能及 LED 驱动电路的效率。以上几个部分的效率相乘得到 LED 隧道灯的整体光效。 通过对 LED 发光机理的研究，可以推算出 LED 的辐射光谱效率可达 350lm/w，由于 LED 发光机理上是冷光源，且辐射中光谱全在可见光范围内，因而实际效率有望更接近理论值。即使考虑到工艺上的局限，实际 LED 光效如果达到理论值的一半也很可观。光效的提高意味着对能
3、量利用效率的提高，当 LED 的生产工艺发展成熟之后，在和传统隧道照明光源的比较中 LED 的节能优势将得以凸显。 其次，与传统光源相比，LED 体积小，在许多应用场合甚至可以将其当作点光源来处理，这就给灯具的光学设计带来很大的灵活性。同时，传统光源灯具中由于光源尺寸较大而存在的光源遮挡与吸收作用在 LED 灯具中也不存在了。 再次，LED 只向半空间发出光线，这意味着不加任何形式的反射器，光源发出的光线也能全部射向受照面方向，这一特点决定了 LED 灯具有望做到 90%以上的灯具效率。同时通过合理的光学设计达到很高的光通利用率。 以上是 LED 用于隧道照明在整体光效方面可能的优势，但如何将
4、其优势转化为实际的可应用产品，尚需解决许多技术问题。LED 是与高压钠灯等传统光源很大不同的光源，用于隧道照明不能简单的将LED 取代现有的光源，也不能简单的点亮 LED 即用于隧道照明。如何整合 LED 隧道灯具的各个部件以达到对光源光通量的最大利用率进而最大限度地实现照明节能是我们面对的挑战。 2、LED 隧道照明灯具的寿命 隧道照明由于是 24 小时点灯，一年即 8760 小时，连续点灯 4 年约 35000 小时。且由于隧道内灯具的更换非常麻烦，因此，对隧道灯具的寿命要求是很高的。 灯具中影响寿命的主要是光源与镇流器，灯具及玻璃等寿命很长。在传统光源包括荧光灯、金卤灯、高压钠灯，都是灯
5、的寿命比镇流器短，因而往往个更换灯管的方法延长整个灯具的整体寿命。LED 灯具中，LED 器件的理论寿命很长，因此，LED 的驱动器的寿命变成瓶颈。 传统光源中，无极荧光灯作为荧光灯的一个变种，其寿命很长，一般认为可达 5 万小时以上，但其点灯为高频交流信号，相应的镇流器技术较为复杂，因而其寿命将是主要瓶颈。 3、LED 隧道灯的市场应用情况 从 LED 市场发展的轨迹和生产技术的不断进步看来，目前制约 LED 作为照明光源推广的价格过高等问题将逐步得到解决，LED 在各种照明中的应用必将逐步普及和深入。按照业内分析，LED 的价格下降趋势是每 24 个月下降一半。因此，随着 LED 价格的快
6、速下降，与传统光源相比，LED 的优点所造就的灯具效率高、使用方便、环保性好、寿命长等特点将更加突出，特别是在定向照明包括隧道照明等领域将迅速得到推广。 目前 LED 的应用还大多应用在山岭公路隧道。应用效果各不相同，应用中尚有诸多问题，如光衰大、结温高、灯具结构不尽合理、照明均匀性差、驱动电源寿命、质量参差不齐等。就拿在设计长江隧道LED 照明应用时，需要加强系统研究，形成技术指标和系统设计以确保 LED 在上海长江隧道工程应用的可行性。 三、上海长江隧道照明工程 LED 的应用 上海长江隧桥(崇明越江通道)是国家十一五重大建设项目。工程师经过近两年的实验，才决定在该工程的隧道中主照明采用
7、LED。 1、上海长江隧桥(崇明越江通道)工程简介 上海上海长江隧桥(崇明越江通道)工程位于上海东北部长江口南岸、北港水域，是我国长江口一项特大型交通基础设施项目，也是上海至西安高速公路的重要组成部分。该工程的建设对形成和完善沿海交通大通道，充分发挥上海市的区位优势，促进沿海开发带经济发展跃上新台阶，进一步实现国家“两沿战略”，提高和强化上海市的辐射功能是十分必要的，并具有十分重要的战略意义。工程起于上海市浦东新区的五号沟，经长兴岛到达崇明县的陈家镇，全长 25.5KM，采用南隧北桥方案，按双向六车道的高速公路标准设计，其中穿越南港的上海长江隧道工程全长 8.95KM，江中圆隧道采用盾构法施工
8、，长 7.5KM，设计时速 80KM/S。该隧道拟在基本段采用 LED 照明技术，以此实现隧道运营过程中的环保节能。此规划迈步早，需配套大量调研、测试、评估工作，具有很强的科研探索性质。由长江隧道指挥部、复旦大学电光源研究所;上海隧道设计研究院联和成立的上海长江隧道工程半导体照明应用课题组在相关技术规范制定和测试等领域做了大量的工作，积累了大量的一手数据，并摸索出一套 LED 隧道照明评价工作方法，为同类工程提供了借鉴，为 LED 作为照明光源的推广创造了有力推手。 2、上海厂家隧道工程 LED 的应用研究 LED 应用与隧道照明目前尚处于起步阶段，光源可靠性、灯具安全性、灯具合理结构等问题尚
9、未定型，亦无相关经验可循。所以研究以此为重点，从光学、电学和照明效果等方面着手开展，最终形成LED 照明方案及 LED 灯具技术要求，以利工程应用。 LED 处于快速发展阶段，有一定不可预见性，工程照明系统的可替代性研究存在相应的公关难点。通过大量的数据采集和调研比较，证明了再隧道照明中使用 LED 灯具可以实现节能的目的，并且新型的LED 结构形式与使用传统光源的灯具相比在可靠性实现上未发现存在大的瓶颈。LED 灯具的节能特性主要体现在以下两点：首先，结构合理的 LED 隧道灯配合科学的整体照明方案能够实现高于高压钠灯和长管形荧光灯的光线利用率，即高的有效发光效率，以此实现照明节能;其次，方
10、便地进行无极调光是 LED作为新光源最大的优势和亮点之一，结合智能化照明控制系统，在运营负荷量小的时段降低照明系统的功率，这种运行模式同时保证了隧道内部的照明效果并实现能量的节约利用。大功率白光 LED 的发光效率因不同厂家技术水平和生产条件的不同差异较大。目前，国内多数厂商自行生产/封装的芯片，其光效指标不高，其 LED 产品与传统光源相比尚不能实现照明节能。因此在本项目的应用研究中，在 LED 芯片上要求采用国际一流知名品牌的成熟的功率型产品，在封装上选用低热阻，保证功率型 LED 工作的稳定性、可靠性和高效性。LED 作为新型光源，用于隧道照明仍有许多问题亟待解决。要评价 LED 灯具的
11、综合质量必须根据隧道照明的总体方案，对 LED 用于隧道照明的光学、电学及照明效果进行研究，以确定最佳的 LED 隧道照明配光、控制、可靠性等的要求，并据此建立相应的检测方法和手段。现阶段功率型白光LED 的光效与荧光灯相当，其是否实现节能目标，还需考核两者间灯具效率的优劣。而 LED 恰有体积小、便于结合灯具二次光学设计的优势，只要把握好了灯具设计和后期制造的关卡，便能达到优于荧光灯的节能指标。 当前，限制功率型 LED 应用的一个很大的瓶颈就是散热问题。由于 LED 属于半导体器件，因此结温的升高会导致器件各方面性能的变化和衰减。具体到 LED，这种变化主要体现在三个方面：减少 LED 的
12、光输出，缩短器件的寿命，造成 LED 发出光的主波长的偏移，从而导致光源的颜色发生偏移。而这些都是在我们照明应用中非常重要的指标。因此，如何制定金额里的热参数来保证相应的 LED 正常工作，此项工作至关重要。现在市场上很多 LED 灯具产品给出温升指标大部分都是基于灯具外壳的温度相对于环境温度的差异，用这种方法来衡量灯具散热性能存在着一定的局限性。因为与影响 LED 期间性能直接相关的是器件 PN 结的结温，目前关心的最终指标是结温的高度，而不同灯具在其间的选取，灯具材料，生产工艺以及散热设计等各方面都有很大的不同，导致从器件 PN 结到灯具外壳的热阻有很大的差异，在这种条件下，用灯具外壳温度
13、相对环境温度的温升来判断灯具的散热性能是不科学的。最准确方法还是直接测量灯具选用器件的 PN 结的温度，通过结温与环境温度的差异来衡量灯具散热设计的好坏。 四、结语 在探索 LED 如何进入照明领域这个大的课题中，用 LED 进行隧道照明也是一个新的领域。从理论分析上得到 LED 进军隧道照明不存在大的技术瓶颈，从有限的相关工程案例上也可以看出，此项技术带来的成果和效应是明显且喜人的。为了保证重点工程的稳步推进，并在 LED 进入照明领域的过程中摸索前行，结合长江越江隧道工程，项目课题组做了大量的相关工作。目前在隧道照明中采用 LED 作为主照明正在施工中，相信一系列研究数据和现场测试参数必将成为工程的进行和 LED 的推广提供有价值的第一手资料，相信未来 LED 照明终将成为隧道照明应用的中坚力量
