新一代LED區(qū)域照明應(yīng)用的考量(07-100)

　　目前全球?qū)τ诳梢怨?jié)省能源的高能效照明越來(lái)越加重視，依國(guó)際能源署(IEA, International Energy Agency)報(bào)告指出，全球電力照明大約占總發(fā)電容量的19%，最近的新聞報(bào)導(dǎo)和政府公告也逐漸著重于提醒廣大消費(fèi)者白熾燈的低能效，并加強(qiáng)社會(huì)大眾對(duì)緊湊型節(jié)能燈等節(jié)能解決方案的認(rèn)識(shí)。除此之外，在高亮度白光發(fā)光二極管(LED)技術(shù)持續(xù)不斷進(jìn)步的情況下，也為高能效通用照明應(yīng)用帶來(lái)另一個(gè)極具潛力的技術(shù)，另外美國(guó)能源之星(ENERGY STAR)計(jì)劃也正為家用和商業(yè)照明應(yīng)用制定固態(tài)照明的標(biāo)準(zhǔn)。不過在這些新聞事件中，卻忽略了大約有70%的照明能源消耗是在家庭場(chǎng)合外，包括零售商店、工業(yè)生產(chǎn)以及學(xué)校、醫(yī)院和區(qū)域照明等公共空間，其中區(qū)域照明更涵蓋了如街道照明、人行通道、停車場(chǎng)以及公園等公共空間的多種應(yīng)用場(chǎng)合，除了私人領(lǐng)域外，大區(qū)域照明也應(yīng)用在工廠以及零售和商業(yè)建筑的停車空間，無(wú)庸置疑的是，在這些領(lǐng)域中蘊(yùn)藏有開發(fā)更高能效照明解決方案的龐大商機(jī)。

　　大區(qū)域照明涵蓋的不只是提供照明功能而已，它同時(shí)也必須解決有關(guān)公共安全、運(yùn)行環(huán)境、外觀設(shè)計(jì)和美學(xué)考量、節(jié)能、系統(tǒng)可靠度和維護(hù)成本，以及如何管理燈光投射來(lái)提供適當(dāng)照明，同時(shí)避免穿透、強(qiáng)光以及光害污染等問題。對(duì)于街道照明，發(fā)光形式和照明需求也會(huì)因街道型態(tài)、預(yù)估交通流量和標(biāo)準(zhǔn)的要求而有所不同，因此，在區(qū)域照明上有許多不同的設(shè)計(jì)來(lái)滿足實(shí)際的考量以及能源的使用和架構(gòu)問題，例如2004年美國(guó)紐約市就贊助了一項(xiàng)國(guó)際城市照明設(shè)計(jì)競(jìng)賽，尋求是否可以發(fā)展出新的照明想法來(lái)為這個(gè)城市帶來(lái)21世紀(jì)的創(chuàng)新街景，同時(shí)取代使用已經(jīng)超過50年以上的舊設(shè)計(jì)。

　　區(qū)域照明最常見的照明源為高壓放電(HID, High Intensity Discharge)型式，例如高壓鈉燈、金鹵燈以及低壓鈉燈和高壓汞燈等。先進(jìn)的HID燈，例如金鹵燈擁有高于80 lm/W的高能效和1萬(wàn)到1萬(wàn)5000小時(shí)的合理壽命，以北歐地區(qū)每年使用4,000小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，壽命大約在2到4年，不幸的是，由于更換相當(dāng)困難，因此要進(jìn)行街道燈光的更換不管是在維護(hù)時(shí)間或是人工成本上都相當(dāng)昂貴，在隧道或橋梁等不易更換的場(chǎng)合更是一大問題，如果必須封閉車道進(jìn)行維修勢(shì)必造成交通阻塞。此外，燒壞的街燈也會(huì)帶來(lái)公共安全的問題，同時(shí)部份社區(qū)也會(huì)對(duì)換裝時(shí)間有嚴(yán)格的時(shí)間限制，其他有關(guān)這類型燈管的問題還包括可能需要5分鐘才能啟動(dòng)，如果發(fā)生停電情況，可能還得要20分鐘過后才能夠重新動(dòng)作。除了電力消耗外，由于大部分的HID燈都含有汞，因此還必須在替換后謹(jǐn)慎處理以避免汞進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)而造成環(huán)保問題。雖然新一代的燈管已經(jīng)擁有還算合理的能源使用效率，但由于路燈燈桿的壽命通常超過30年，因此并非所有的區(qū)域照明都采用高能效照明技術(shù)，最近由歐盟智能能源(Intelligent Energy)計(jì)劃所進(jìn)行電子化街道(E-Street)倡議所提出的報(bào)告指出，歐洲大約9千萬(wàn)個(gè)公共照明中大約有三分之一采用高壓汞燈等非常沒有效率的發(fā)光技術(shù)。電子化街道倡議的目標(biāo)主要是研究采用智能網(wǎng)絡(luò)控制照明系統(tǒng)來(lái)降低能源消耗，例如具備網(wǎng)絡(luò)功能的照明架構(gòu)可以通過控制在深夜交通較不繁忙時(shí)降低照明輸出來(lái)節(jié)省能源，從這里我們可以看出，為什么對(duì)新技術(shù)如何克服這些挑戰(zhàn)的了解會(huì)吸引眾多注目的多項(xiàng)原因。

　　事實(shí)上有幾個(gè)理由可以解釋為什么高亮度白光LED在這個(gè)領(lǐng)域會(huì)受到歡迎，首先也是最重要的是它們的超長(zhǎng)壽命，經(jīng)過適當(dāng)工程設(shè)計(jì)的LED系統(tǒng)可以維持在亮度70%以上達(dá)到超過5萬(wàn)個(gè)小時(shí)的工作壽命，由于這樣長(zhǎng)的壽命，戶外區(qū)域照明可以達(dá)到超過12年的運(yùn)行時(shí)間，大幅度地降低后續(xù)的維護(hù)和更換成本。再者，LED不管是在性能或成本上都持續(xù)快速進(jìn)步，目前已經(jīng)商業(yè)化的高功率白光LED可以達(dá)到每燈管70到100流明的光度輸出，效率大約在70 lm/W，光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(OIDA, Optical Industry Developers Association)最近更新了有關(guān)白光LED的發(fā)展藍(lán)圖，并預(yù)估在2009年整體性能將可以提升一倍，到達(dá)每燈管200流明，發(fā)光效率則可望達(dá)到150 lm/W，做為參考比較，100 W金鹵HID燈大約可以產(chǎn)生8,000到9,000流明輸出?；旧现苯訉⑦@類燈管和LED的輸出比較并不公平，原因是燈管的光度輸出是全方向，因此在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損失，但在LED上則沒有這些問題，原因是它們本質(zhì)上就具有指向性。不考慮流明損失效應(yīng)時(shí)，大約需要120個(gè)每封裝70lm的LED才能夠取代100 W燈管的流明輸出，如果2009年OIDA的目標(biāo)達(dá)成，這個(gè)數(shù)字將可以減半。此外，白光LED能夠提供質(zhì)量更好的光度輸出，特別是和高壓鈉燈比較時(shí)，因?yàn)樗鼈儠?huì)有燈光黃化和較差的顯色指數(shù)(CRI, Color Rendering Index)等問題。LED同時(shí)也可以提供給設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行創(chuàng)新和差異化照明燈具設(shè)計(jì)的更高靈活度，此外，由于LED為低壓直流器件，因而使得建立新離網(wǎng)型照明概念，例如結(jié)合太陽(yáng)能和可充電電池的LED發(fā)光站牌就變得相當(dāng)容易，目前這類系統(tǒng)已經(jīng)開始在倫敦等城市導(dǎo)入。

　　LED陣列燈具的設(shè)計(jì)因所在位置的特殊照明需求會(huì)有大幅度變化，目標(biāo)照明區(qū)域依照明高度以及和照明源間的距離而定，例如行人或腳踏車道的照明燈柱間隔相對(duì)較窄，因此需要20個(gè)LED來(lái)提供照明，而在住宅區(qū)街道則需要100個(gè)或更多的LED。另外，由于主要目的是要照亮道路而不影響街道旁的住家，因此街道照明會(huì)有相當(dāng)特別的發(fā)光模式要求，同時(shí)這些特別模式也必須滿足各種不同安裝型式所要求的復(fù)雜光學(xué)工程設(shè)計(jì)。此外，在LED使用數(shù)量和驅(qū)動(dòng)電流上也必須進(jìn)行權(quán)衡?；旧希捎幂^高電流驅(qū)動(dòng)的較少數(shù)量LED看起來(lái)是個(gè)可行的選擇，但較高的電流和功耗卻會(huì)讓溫度管理復(fù)雜化，此外，LED的效率會(huì)隨著電流和接面溫度的升高而降低，當(dāng)然我們也必須記住，要達(dá)到指定的LED壽命，就必須遵守接面溫度的指定規(guī)范，在采用LED照明時(shí)，溫度管理是個(gè)相當(dāng)重要的因素，原因是散熱集中在LED的封裝上，因此必須要由燈具移除。