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LED隧道燈技術應用
發布時間:2019-12-19 14:45????瀏覽數::

進入新世紀,國家加大了交通體系建設,如鐵路、公路、快速路、高鐵等等。修路必然繞不開隧道,隧道就必須要裝隧道燈,由此引出大規模的LED隧道燈產業。然而,目前有規模的LED隧道燈廠家不是很多,除上海大峽谷、東莞勤上光電、中山月神照明等少數專業LED隧道燈廠商外,其他都是不成規模的零散小廠。

LED隧道燈有傳統光源隧道燈不可比擬的優勢,節能高效、亮度高、顯色指數高、壽命長、體積小易安裝等,特別是大功率LED隧道燈,不管是亮度還是使用壽命都比傳統鈉燈隧道燈要好,是目前主流隧道燈產品。下面我們就來為LED隧道燈和傳統隧道燈做個對比。

1.常規隧道燈與LED隧道燈的功能比較選擇

目前傳統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、功率規格、亮度控制等方面均存在許多不足,而新興的LED隧道照明燈,特別是大功率LED隧道燈具以其優異的性能,特別是亮度的可控性,克服了高壓鈉燈的諸多不足,正在成為當今世界隧道照明的主流燈具。國家還出臺了“十城萬盞”半導體照明工程的新舉措,為LED隧道燈的發展帶來了前所未有的機遇。中山月神照明為積極響應“十城萬盞”計劃,不惜斥巨資引進歐洲先進LED隧道燈生產設備,大力研發生產新型LED隧道燈,目前在國內LED隧道燈占有舉足輕重的市場份額。

LED(LightEmittingDiode)即發光二極管,是一種半導體發光技術。最早研制的LED只能發出紅色的光,用于電子設備中的指示燈。隨著技術的發展,如今LED燈已能發出各種顏色的燈光,并廣泛應用于多類行業,主要應用市場包括傳統的顯示屏和信號燈市場、背光源市場、LED路燈、LED隧道燈、汽車照明市場、室外景觀照明和室內裝飾照明市場、特種照明燈市場。LED作為隧道燈光源具有其獨特的優勢。

(1)LED隧道燈功耗小、節能,與高壓鈉燈相比,節能60%以上。

(2)LED隧道燈使用壽命長,以月神照明大功率LED隧道燈為例,正常使用壽命6萬小時以上,是鈉燈使用壽命的10倍以上。

(3)LED隧道燈工作穩定性好,使用期間基本免維護,而鈉燈的后期維護成本非常高。

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

(5)LED隧道燈能實現瞬間啟動,便于亮度調節,具有零頻閃、啟動電壓范圍寬等優點,可以實現多種節能方式,如根據道路、隧道的車流量智能調節照度等。月神照明新型LED隧道燈還能實現遠程控制、分時段控制等智能化控制。

(6)高壓鈉燈、熒光燈、無極燈中含有汞、鉛等化學性污染物,而LED隧道燈光源不含化學污染性物質,是綠色低碳的光源。月神照明LED隧道燈通過歐洲標準ROHS認證,節能高效是進入歐洲市場的前提條件。

2.大功率LED隧道燈的設計要求

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

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

(3)夜間出入口不設加強照明,洞外應設路燈照明,亮度不低于洞內基本亮度的1/2;隧道內應設應急照明,其亮度不低于基本亮度的1/10。

(4)根據中國JTJ026-90《公路隧道設計規范》中的規定,隧道入口照明區間長度及路面低亮度標準按如表1要求設計。

3.大功率LED隧道燈的設計方案

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,根據要求,LED隧道燈所用LED的單瓦流明數應達到100流明以上,在經過近三年LED的發光效率的高速發展后,現階段月神照明可大批量供貨的LED光效已達120-130lm/W以上,且亮度還在不斷地提高。表2提供了代表目前國際前沿的幾大廠商的已量產大功率1W白光LED的主要技術參數??刹捎肙SRAM廠商LUWW5AM為設計光源,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。

3.2配光設計

根據隧道照明要求,依不同照明段采用不同的配光燈具,根據光學原理和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,達到節能的目的。月神新款LED隧道燈采用橫向配光,更適合隧道內狹長道路照明的需求。

(1)隧道進口段的引入段、適應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勢,嚴格控制大角度方向的光強,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、側射型配光、朗伯型配光等。不同的應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%電能轉換成光能,其余大部分的電能轉換成熱能,使LED的溫度升高。另一方面,LED的流明輸出隨著LED結溫的升高而降低,而LED壽命隨著結溫升高而縮短。所以,LED的散熱處理得好不好將直接關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、加裝風扇強制散熱及熱管加散熱鰭片技術等。自然散熱利用自然對流和熱輻射,結構可靠,易于做防水,但是對燈體本身的結構設計要求高。②加裝風扇強制散熱主要利用強制對流實現散熱,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主要利用熱管將LED所產生的熱量迅速傳導至散熱鰭片而達到散熱的目的,無運動部件,系統穩定,但是成本相對高。

由于隧道與一般道路相比,有其獨特的性質,我們采用熱管加散熱鰭片技術的方式進行散熱處理,熱通道垂直設計,實現模塊化方式散熱,使LED結溫保持在70℃以下,保證LED長時間低光衰下穩定的工作,提高燈具的維護系數,節約維護成本。

根據隧道內氣流的流動特性,對散熱腔進行不對稱通風設計,保障空氣對流散熱,同時減少汽車產生的油煙等污質進入散熱腔,吸附于散熱結構導致散熱效率降低。

3.4結構設計

采用輕質的鋁合金外殼,燈具重量在10kg以下。LED光源腔和電氣腔防護等級按IP65進行設計,散熱腔按IP23進行設計;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。由于隧道內空氣不流通,汽車尾氣摻雜其中,成分復雜,因此LED隧道燈具應具有良好的耐腐蝕、廢氣、煙霧和隧道內大氣中含有的其他化學物質,各結構組件外表面均進行防腐蝕處理,使其符合GB/T7000.5的防腐要求。

3.5電路設計

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,其正向電流將產生很大變化,致使LED內部損耗及發熱快速上升,嚴重影響LED的正常工作和壽命。為了防止這種情況發生,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,減少發熱,電流源的輸入電壓必須得到合理控制,使其較大值在扣除內部壓降后同電流一樣,也與LED需要的總電壓相匹配。內部損耗小了,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,為了節能和減少對電網的“污染”,LED隧道燈的驅動器還要求其功率因數和產生的諧波必須滿足相關的標準要求,并適當考慮電磁干擾和電磁兼容。

(1)采用高轉換效率、高穩定性的電源,轉換效率大于87%,功率因素大于95%,抗外界電網電壓波動能力強的開關電源(96~264V),配以恒流電路設計,以恒流方式驅動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行功率的調節,達到良好的照明效果和節能的目的。對隧道進口段的引入段、適應段、過渡段以及出口段采用不同的電流進行驅動,使其盡量接近隧道照明曲線要求,達到較好的照明效果;對隧道進口段和出口段采用定時調節功能,通過PWM調光調節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”現象。

4.結語

大功率隧道照明LED光源的生產開發,設計應用,為國家鐵路、公路隧道照明增添廣擴的市場,它不但為我國隧道新光源的應用填補了空白,而且在低碳節能高效的道路上又邁進的一步,值得全面推廣應用。大峽谷、勤上、月神照明等LED隧道燈企業,將在這一市場內大展身手,不斷研發生產出更先進的LED隧道燈,利國利民,造福社會。


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