LED照明灯具在公路隧道中的应用研究

　摘要：公路隧道近几年来建设规模日益扩大，在隧道建设迅速发展的同时，公路隧道照明的高成本投入和高运营费用，制约了公路隧道的发展。为了满足日益扩大的隧道建设的迅速发展，研究了隧道照明的相关内容，以节约运营成本。结合某高速公路隧道照明的实例，研究了LED 照明的优点，应用于公路隧道的优势，并对LED 照明灯具和普通高压钠灯进行了比较分析，表明LED 照明是一种非常节能的绿色照明，也为解决隧道照明提供了一种全新的思路。

　　公路隧道是公路结构中的地下构造物，与洞外明亮的道路不同。白天车辆驶入洞内，由于亮度骤降，人的视觉反映滞后形成“黑洞效应”，很难辨别洞内情况；而车辆驶出隧道时，形成了“白洞效应”，造成强烈眩光。

　　夜间的情况和白天正好相反。这种由于洞内外亮度差异大，进入或驶出隧道时，人眼需要适应时间，即产生“适应的滞后现象”。为了解决隧道洞口亮度由亮到暗或由暗到明的视觉适应过程，让司机能清楚地辨认洞内路面上的目标或物体，消除视觉和心理障碍，不影响行车安全。《公路隧道设计规范》（ JTG D70—2004） 规定：长度＞ 100 m 的隧道应设置照明。公路隧道照明就是为了创造洞内良好的工作视觉环境质量，确保在白天和夜间行驶的车辆以设计速度安全地接近和穿越隧道。

　　白光LED（ Light Emitting Diode，简称LED） 灯具是21 世纪引人瞩目的绿色光源，是一种功耗低、寿命长、抗振动、无辐射的节能环保型光源。自1998 年以来，在短短的几年中全球半导体与照明领域掀起一股白光LED“热潮”，使白光LED 技术不断创新和飞速发展，LED 的发光强度和稳定性得以大幅度提高。

　　1 LED 的工作原理及优点

　　1. 1 LED 灯的工作原理

　　LED 中文译为“发光二极管”，是一种可以将电能转化为光能的电子器件，具有二极管的特性。基本结构为一块电发光的半导体模块，封装在环氧树脂中，通过针脚作为正负电极并起到支撑作用。发光二极管的核心部分是由P 型半导体和N 型半导体组成的晶片，在P 型半导体和N 型半导体之间有一个过渡层，称为PN 节。在某些半导体材料的PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（ 即两端加上正向电压） ，电子开始移动和空穴（ 带正电的离子） 结合产生辐射光。其光源在靠近PN 节接口毫米以内产生，发光的波长取决于材料之特性而有不同发光颜色，常见有红、黄、绿、蓝发光二极管。发光二极管发光亮度可以通过工作电压（ 电流） 的大小来调节。在很大的工作电流范围内，发光二极管的亮度随电流的增大而提高。目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线，还有在蓝光LED 上涂上荧光粉，将蓝光转化为白光的LED。

　　1. 2 LED 灯具的优点

　　LED 灯具无频闪、无辐射，是典型的绿色照明，更是护眼新光源。LED 不靠钨丝发光，而是以特殊半导体P-N 材质制成。通过电子运动而发光。其光谱中没有紫外线和红外线，因而不会有闪频和辐射，对眼睛起到保护作用。其主要优点集中在以下几点：

　　1） 发光效率高。LED 灯具有电压低、电流小、亮度高的特性。一个10 ～ 12 W 的LED 光源发出的光能与一个35 ～ 150 W 的白炽灯发出的光能相当。同样照明效果LED 比传统光源节能80% ～ 90% ，是白炽灯的4 到8 倍。

　　2） 耗电量极小。在同样亮度下，耗电量仅为普通白炽灯的1 /8 到1 /10。

　　3） 寿命长。LED 利用固态半导体芯片将电能转化为光能，外加环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击，LED 单管寿命10 万h，光源寿命在2 万h 以上，按每天工作12 h 寿命也在5 年以上。

　　4） 可靠耐用，便于长途运输。由于体内无钨丝以及玻璃壳等易损部件，基本不受运输影响，正常报废率很小，维护费用极低。

　　5） 起动响应快、无黑头、免除频换灯管之烦。LED起动响应极快，因而电流对其冲击甚微。而普通白炽灯或节能管受起动电流的作用，灯头很易发黑而需更换。

　　6） 由于LED 管是由十多只或几十只组成，即使个别损坏了也不会对正常照明产生太大影响，不像高压钠灯损坏时全灯熄灭，因此LED 灯的可靠性比高压钠灯的可靠性提高了许多倍。

　　7） 光源中不添加汞，有利于环境保护。

　　LED 灯具与传统的灯具性能的比较见表1。

表1 LED 灯具与传统灯具的性能比较

　2 LED 灯应用于隧道照明的优势

　　传统隧道照明采用的光源类型主要有：金属卤化物灯、高压钠灯、白炽灯以及节能灯（ 紧凑性荧光灯）等。其中高压钠灯具有发光效率高、节能、色温适中等优点，在隧道灯中使用最为广泛。但是，LED 隧道灯与高压钠灯相比的优势有：

　　1） LED 作为点光源，很大程度上可以直接解决传统球状光源必须靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题。

　　2） 对光照射面的均匀度可控，理论上可以做到在目标区域内完全均匀，这也能避免传统光源“灯下亮”现象中的光浪费。

　　3） 色温可选，这样在不同场合应用中，也是提高效率、降低成本的一个重要途径。LED 作为一种发光器件，既可以通过流过电流的变化控制亮度，也可通过不同波长LED 的配置实现色彩的变化与调节。这使得隧道在不同的环境下进行照明模式的转化变得非常容易。

　　4） 更节能。目前白光LED 的发光效率约为80Lm /W，较传统高压钠灯可以节电50% ～ 60% ，随着LED 效率的快速提升，LED 隧道灯在节能方面显示出了巨大的潜力。

　　5） 低维护成本。以目前的技术水平和测试结果推算，大功率LED 光源可以正常使用5 年—10 年不用更换，而传统高压钠灯平均2 年左右就要更换一次，使用LED 光源可以大大降低维护成本。

　　6） 显色性更佳。LED 的显色指数高（ 显色指数一般为75 ～ 80） ，路面看起来更明亮，感觉更舒适，驾驶人员也感觉更安全。而高压钠灯光谱窄，显色性差（ 显色指数一般为20 ～ 40） ，感觉昏暗。

　　100 W 的LED 灯输出光通量大约只有6 250 Lm，到达路面时仍为6 000 Lm左右，而路面的平均照度可以达到16 Lx（12 m 高杆）。200 W 高压钠灯的输出光通量为16 000 Lm，但到达路面的就只有6 000 Lm，路面的照度大约为30 ～ 40 Lx，由于显色系数的差别，LED 的照度修正系数为2. 35 倍，高压钠灯的修正系数为0. 94 倍。所以100 W 的LED 经过修正以后，地面的照度为37. 6 Lx，而高压钠灯的修正后照度为28. 2～ 37. 6 Lx，二者相当。所以100 W 的LED 可以取代约200 W 的高压钠灯，从实际的发光效果来看，LED灯比高压钠灯好得多。

　　3 灯具布置实例

　　宁强至棋盘关高速公路隧道照明设计采用新型LED 隧道专用照明灯具替代原设计高压钠灯后，照明总功率为原设计的0. 6 倍，节电40%。照明布置为：

　　基本段灯具布置：采用60 W LED 隧道专用灯，间距12. 0 m（ 水泥路面） ，110 W 的LED 隧道专用灯，间距12. 0 m（ 沥青路面）。

　　引入段灯具布置：采用140 W 的LED 隧道专用灯加强照明，间距0. 6 m。

　　过渡段Ⅰ灯具布置：采用140 W LED 隧道专用灯加强照明，间距2. 0 m。

　　过渡段Ⅱ灯具布置：采用140 W LED 隧道专用灯加强照明，间距8. 0 m。

　　出口段： 每个基本照明段落增加2 盏140 W 的LED 和4 盏110 W 的LED 隧道专用灯加强照明（ 沥青路面）。

　　每个基本照明段落增加2 盏140 W 的LED 隧道专用灯加强照明。

　　比较高压钠灯和LED 灯的投资与节能情况见表2。

表2 照明优化费用比较

　　4 结语

　　目前LED 隧道专用灯具的初始投资虽然高于高压钠灯，但是由于LED 的用电量及使用维护费用大大低于高压钠灯，并且随着LED 灯具的产业化，其生产成本将大幅降低，所以LED 灯具在公路隧道的应用将会很快普及，届时随着更多LED 灯具的不断应用，将会产生非常可观的经济效益和社会效益。

　　根据我国每年公布的《公路水运交通行业发展统计公报》的统计数据，从2003 年到2006 年全国公路隧道建设增量每年的增幅均在20% 以上。2009 年底，全国公路隧道为6 139处，394. 20 万m，比上年末增加713处，75. 56 万m，其中特长隧道190 处，82. 11 万m，长隧道905 处，150. 07 万m。如果再加上铁路隧道、地铁、轻轨和立交桥下穿通道等其它类型隧道，若这其中有50% 安装LED 隧道照明灯具，将在节能上产生非常巨大的经济效益。

　　因此，LED 灯具作为第四代电光源，赋有“绿色照明光源”之称，它必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯而成为21 世纪的新一代光源，特别是同绿色能源—太阳能电池结合起来，白光LED 将成为一种理想的环保照明。