新一代LED区域照明应用的研究应用

    目前全球对于可以节省能源的高能效照明越来越加重视，依国际能源署（IEA, International EnergyAgency）报告指出，全球电力照明大约占总发电容量的19%,最近的新闻报导和政府公告也逐渐着重于提醒广大消费者白炽灯的低能效，并加强社会大众对紧凑型节能灯等节能解决方案的认识。除此之外，在高亮度白光发光二极管（LED）技术持续不断进步的情况下，也为高能效通用照明应用带来另一个极具潜力的技术，另外美国能源之星（ENERGYSTAR）计划也正为家用和商业照明应用制定固态照明的标准。不过在这些新闻事件中，却忽略了大约有70%的照明能源消耗是在家庭场合外，包括零售商店、工业生产以及学校、医院和区域照明等公共空间，其中区域照明更涵盖了如街道照明、人行通道、停车场以及公园等公共空间的多种应用场合，除了私人领域外，大区域照明也应用在工厂以及零售和商业建筑的停车空间，无庸置疑的是，在这些领域中蕴藏有开发更高能效照明解决方案的庞大商机。

　　大区域照明涵盖的不只是提供照明功能而已，它同时也必须解决有关公共安全、运行环境、外观设计和美学考量、节能、系统可靠度和维护成本，以及如何管理灯光投射来提供适当照明，同时避免穿透、强光以及光害污染等问题。对于街道照明，发光形式和照明需求也会因街道型态、预估交通流量和标准的要求而有所不同，因此，在区域照明上有许多不同的设计来满足实际的考量以及能源的使用和架构问题，例如2004年美国纽约市就赞助了一项国际城市照明设计竞赛，寻求是否可以发展出新的照明想法来为这个城市带来21世纪的创新街景，同时取代使用已经超过50年以上的旧设计。

　　区域照明最常见的照明源为高压放电（HID, High IntensityDischarge）型式，例如高压钠灯、金卤灯以及低压钠灯和高压汞灯等。先进的HID灯，例如金卤灯拥有高于80lm/W的高能效和1万到1万5000小时的合理寿命，以北欧地区每年使用4,000小时的标准计算，寿命大约在2到4年，不幸的是，由于更换相当困难，因此要进行街道灯光的更换不管是在维护时间或是人工成本上都相当昂贵，在隧道或桥梁等不易更换的场合更是一大问题，如果必须封闭车道进行维修势必造成交通阻塞。此外，烧坏的街灯也会带来公共安全的问题，同时部份社区也会对换装时间有严格的时间限制，其他有关这类型灯管的问题还包括可能需要5分钟才能启动，如果发生停电情况，可能还得要20分钟过后才能够重新动作。除了电力消耗外，由于大部分的HID灯都含有汞，因此还必须在替换后谨慎处理以避免汞进入生态系统而造成环保问题。虽然新一代的灯管已经拥有还算合理的能源使用效率，但由于路灯灯杆的寿命通常超过30年，因此并非所有的区域照明都采用高能效照明技术，最近由欧盟智能能源（IntelligentEnergy）计划所进行电子化街道（E-Street）倡议所提出的报告指出，欧洲大约9千万个公共照明中大约有三分之一采用高压汞灯等非常没有效率的发光技术。电子化街道倡议的目标主要是研究采用智能网络控制照明系统来降低能源消耗，例如具备网络功能的照明架构可以通过控制在深夜交通较不繁忙时降低照明输出来节省能源，从这里我们可以看出，为什么对新技术如何克服这些挑战的了解会吸引众多注目的多项原因。

　　事实上有几个理由可以解释为什么高亮度白光LED在这个领域会受到欢迎，首先也是最重要的是它们的超长寿命，经过适当工程设计的LED系统可以维持在亮度70%以上达到超过5万个小时的工作寿命，由于这样长的寿命，户外区域照明可以达到超过12年的运行时间，大幅度地降低后续的维护和更换成本。再者，LED不管是在性能或成本上都持续快速进步，目前已经商业化的高功率白光LED可以达到每灯管70到100流明的光度输出，效率大约在70lm/W,光电产业发展协会（OIDA, Optical Industry DevelopersAssociation）最近更新了有关白光LED的发展蓝图，并预估在2009年整体性能将可以提升一倍，到达每灯管200流明，发光效率则可望达到150lm/W,做为参考比较，100W金卤HID灯大约可以产生8,000到9,000流明输出。基本上直接将这类灯管和LED的输出比较并不公平，原因是灯管的光度输出是全方向，因此在灯光投射路径上会有大量的损失，但在LED上则没有这些问题，原因是它们本质上就具有指向性。不考虑流明损失效应时，大约需要120个每封装70lm的LED才能够取代100W灯管的流明输出，如果2009年OIDA的目标达成，这个数字将可以减半。此外，白光LED能够提供质量更好的光度输出，特别是和高压钠灯比较时，因为它们会有灯光黄化和较差的显色指数（CRI,Color RenderingIndex）等问题。LED同时也可以提供给设计工程师进行创新和差异化照明灯具设计的更高灵活度，此外，由于LED为低压直流器件，因而使得建立新离网型照明概念，例如结合太阳能和可充电电池的LED发光站牌就变得相当容易，目前这类系统已经开始在伦敦等城市导入

　　LED阵列灯具的设计因所在位置的特殊照明需求会有大幅度变化，目标照明区域依照明高度以及和照明源间的距离而定，例如行人或脚踏车道的照明灯柱间隔相对较窄，因此需要20个LED来提供照明，而在住宅区街道则需要100个或更多的LED.另外，由于主要目的是要照亮道路而不影响街道旁的住家，因此街道照明会有相当特别的发光模式要求，同时这些特别模式也必须满足各种不同安装型式所要求的复杂光学工程设计。此外，在LED使用数量和驱动电流上也必须进行权衡。基本上，采用较高电流驱动的较少数量LED看起来是个可行的选择，但较高的电流和功耗却会让温度管理复杂化，此外，LED的效率会随着电流和接面温度的升高而降低，当然我们也必须记住，要达到指定的LED寿命，就必须遵守接面温度的指定规范，在采用LED照明时，温度管理是个相当重要的因素，原因是散热集中在LED的封装上，因此必须要由灯具移除。