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高油價(jià)、高電價(jià)時(shí)代，如何有效提高照明設(shè)備的效率已成為節(jié)能、減碳的重要工作。隨著LED的發(fā)光效率與壽命提升，讓原本只能做指示或輔助用途的LED燈逐漸拓展到一般照明，可達(dá)成提供夜間交通安全照明與維持夜間治安的路燈設(shè)施，提升整體市容，達(dá)到省電、節(jié)能以及環(huán)保的多功能性。
LED路燈質(zhì)量參差不齊
LED路燈必須受到高、低氣溫差異以及日曬雨淋的天氣考驗(yàn)，有些產(chǎn)品安裝不到半年就故障。LED路燈良莠不齊，造成使用者信心不足，市場(chǎng)需求自然疲弱。有些專家認(rèn)為，目前LED的發(fā)光效率與高壓鈉燈相較尚有差距，作為裝飾照明和部分環(huán)境照明用無虞;但若作為道路照明用，目前只適合院(園)區(qū)通道或次干道;同時(shí)作為功能性為主的道路照明(主干道)，尚有諸多技術(shù)問題有待克服，如散熱、二次光分布、均勻度等，因此目前尚不宜做主干道照明。
光/機(jī)/電/熱四大技術(shù)瓶頸待解
LED因?yàn)榘l(fā)光特性，輸入電能約有80%以上轉(zhuǎn)換成熱能必須排出，且LED晶粒屬半導(dǎo)體材料，因此不耐高溫，且發(fā)光效率會(huì)隨芯片溫度上升而降低，散熱變成LED路燈的首要考慮。其次，路燈應(yīng)用須符合道路照明規(guī)范，依照區(qū)域與道路狀況的不同，分別會(huì)根據(jù)照度、照度均勻度等有不同的規(guī)定，因此光學(xué)的設(shè)計(jì)成為L(zhǎng)ED路燈第二大挑戰(zhàn)。其他如LED需要直流驅(qū)動(dòng)，因此排列方式與電源供應(yīng)器的選用都是技術(shù)重點(diǎn)，還有耐風(fēng)壓、耐雷擊、耐震動(dòng)等安全性考慮，都增加LED路燈設(shè)計(jì)困難性。
簡(jiǎn)單來說，LED燈具就是要考慮熱、光、電、機(jī)四大部分?，F(xiàn)行市場(chǎng)上技術(shù)瓶頸最高的便是熱與光，以下將就此兩大技術(shù)部分進(jìn)行討論。
借散熱機(jī)構(gòu)/被動(dòng)散熱/組件解決散熱問題
LED芯片可承受的最高溫約為125～150℃。在LED路燈應(yīng)用上，環(huán)境溫度可達(dá)35℃以上，甚至高溫區(qū)域40℃以上，若不能有效散熱(控制結(jié)點(diǎn)溫度)，LED的壽命將快速遞減。根據(jù)Cree的數(shù)據(jù)顯示(圖1)，若可將發(fā)光芯片結(jié)點(diǎn)溫度控制于65℃，LED的整體壽命將可達(dá)10萬小時(shí)(以光衰30%計(jì)算)。
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LED燈從芯片開始發(fā)熱，至散熱裝置把熱散掉，整個(gè)熱傳示意圖如圖2。前段從LED芯片到LED底座與LED封裝設(shè)計(jì)有關(guān)，所以選擇耐溫的芯片、熒光粉、封裝材質(zhì)以及熱阻低的封裝設(shè)計(jì)便是首要要件，目前熱阻一般均可達(dá)10K/W以下，較好的技術(shù)已經(jīng)有達(dá)到5K/W的水平。而后段LED底座到空氣端則與散熱機(jī)構(gòu)有關(guān)。
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大功率LED的散熱機(jī)構(gòu)一般有幾種形式：
? 主動(dòng)散熱
加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、水冷散熱技術(shù)、半導(dǎo)體制冷芯片。
? 被動(dòng)散熱
自然散熱、熱管加鰭片、均溫板加鰭片、回路熱管技術(shù)等。
以路燈應(yīng)用來說，戶外安裝風(fēng)扇穩(wěn)定性會(huì)有問題，水冷式散熱與半導(dǎo)體制冷芯片則因?yàn)轫氁~外付出更多電力散熱，且散熱端亦須要另外結(jié)構(gòu)散熱，在LED路燈應(yīng)用上，嚴(yán)苛的戶外環(huán)境應(yīng)避免這樣的設(shè)計(jì)。以下將分析被動(dòng)散熱形式的原理和相關(guān)比較。
? 自然散熱
自然散熱利用熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射作為基本的散熱原理。主要系利用熱傳導(dǎo)將熱導(dǎo)到燈具外壁面，再藉由燈具表面積或鰭片與周圍空氣的對(duì)流散熱和對(duì)周圍物體的輻射散熱(圖2)。
? 熱管加鰭片
熱管的傳熱現(xiàn)象，利用物質(zhì)相變化時(shí)，可吸收或散發(fā)高熱能的現(xiàn)象，因此使得熱管為具備極高的熱傳效率之設(shè)備。一般熱管仍須在冷凝端加鰭片散熱，已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，多應(yīng)用于計(jì)算機(jī)類設(shè)備中。
? 均溫板加鰭片
均溫板與熱管的原理與理論架構(gòu)相同，只有熱傳導(dǎo)的方向不相同，熱管的熱傳導(dǎo)方式是一維的，是線的熱傳導(dǎo)方式，而均溫板的熱傳導(dǎo)方式是二維的，是面的熱傳導(dǎo)方式。
回路熱管散熱
當(dāng)熱量從蒸發(fā)器傳至回路熱管內(nèi)的工作介質(zhì)，工作介質(zhì)吸收熱量后蒸發(fā)流向冷凝器，釋放熱量冷凝后，再藉由蒸發(fā)器內(nèi)多孔材料的毛細(xì)力，重新回到蒸發(fā)器，重復(fù)循環(huán)。
在被動(dòng)散熱的原件中，回路熱管恰好補(bǔ)足熱管與均溫板無法遠(yuǎn)距離熱傳這一塊，可將熱導(dǎo)至較遠(yuǎn)或較容易散熱的地方。
回路熱管技術(shù)原本應(yīng)用于太空科技、人造衛(wèi)星等，在LED照明是一項(xiàng)新嘗試，原理如圖3(A)，應(yīng)用示意如圖3(B)，散熱管可利用燈殼散熱，不須多加裝鰭片，若考慮美觀，可將散熱管繞置于燈殼內(nèi)部。
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散熱組件基本上只是一個(gè)工具，沒有真正所謂的優(yōu)劣之分，重要的乃是利用這些工具達(dá)到優(yōu)化應(yīng)用散熱之目的。下列將針對(duì)上述散熱機(jī)構(gòu)在LED路燈上應(yīng)用作相關(guān)比較。
? 自然散熱
優(yōu)點(diǎn)為散熱成本最低、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，較偏向于小瓦數(shù)散熱，如MR16的應(yīng)用。
市場(chǎng)上以自身結(jié)構(gòu)本體散熱方式的LED路燈產(chǎn)品，多為100瓦以下的產(chǎn)品，乃利用LED燈珠排放密度低的方式，克服熱通量過高的問題，但松排列卻產(chǎn)生光學(xué)上可能有多重影像的現(xiàn)象。
在實(shí)際應(yīng)用上，若燈具利用鰭片散熱(鰭片外露于大氣中)，應(yīng)特別注意落塵或其他異物等積累于鰭片上，以至于造成散熱效果降低，影響LED壽命。
? 熱管加鰭片
目前市場(chǎng)較成熟的熱管技術(shù)，一般單支直徑6毫米的圓管熱管便可解決約40～50瓦的熱量，考慮折彎、打扁效率的折損，一支熱管約可解決30～40瓦左右的熱量。
以一個(gè)100瓦的燈具來說，約三支熱管便可將熱帶出LED模塊，接著導(dǎo)至鰭片散熱。針對(duì)高瓦數(shù)如100瓦以上的LED路燈產(chǎn)品，此為較合理、成本較低廉的解決方式。此散熱方式為目前LED路燈市場(chǎng)上的大宗。
? 均溫板加鰭片
均溫板最大的優(yōu)點(diǎn)是解決高熱通量的散熱，或是解決突擴(kuò)熱阻，將不易散熱的點(diǎn)熱源，拓展成較易散熱的面熱源，如圖4業(yè)界所做的模擬比較。圖中左以單純鋁板加鰭片、中為三根熱管加鰭片、右為均溫板加鰭片，整個(gè)溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱源在整個(gè)散熱模塊的右方時(shí)，三根熱管加鰭片很明顯優(yōu)于單純鋁板加鰭片，但若利用均溫板，很明顯的溫度分布更佳，熱阻也從0.61K/W再降至0.54K/W。這是強(qiáng)調(diào)傳熱的均勻性，以確定鰭片的利用率。
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均溫板加鰭片的散熱方式最大的限制是，熱管可以把熱往水平或垂直方向傳遞，但均溫板僅能往垂直方向傳遞，便造成在燈具外型設(shè)計(jì)上的限制(圖5)。目前市場(chǎng)上利用此散熱方式的廠家并不多，應(yīng)用的方式為六至八顆LED為一模塊，以多模塊組合成大瓦數(shù)的LED路燈。
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回路熱管散熱
回路熱管市售單一模塊可達(dá)最高瓦數(shù)為160瓦(圖6)，除了可解決高熱通量的問題外，亦具有遠(yuǎn)距離熱傳、抗重力以及可撓式的散熱管等優(yōu)點(diǎn)，若散熱管能有效與燈殼結(jié)合，便能大幅降低整體燈具重量。透過回路熱管，將位于燈具下方的LED模塊的熱帶往上燈殼，透過上燈殼的大幅面積把熱量散掉，以此方式便不會(huì)在燈殼上方看到鰭片，讓燈殼不只是外觀件也是功能件(圖7)。
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市售150瓦LED路燈采用回路熱管散熱的實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖8。經(jīng)過有效的散熱設(shè)計(jì)，重量?jī)H8.5公斤，在環(huán)境溫度30℃、無風(fēng)的環(huán)境下，量測(cè)到的芯片溫度為71℃，熱阻值為0.27K/W。目前市場(chǎng)上，以回路熱管散熱方式制作的LED路燈仍在少數(shù)，但因其整體燈具重量輕，也吸引不少目光。
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由于近期業(yè)界的投入，LED路燈在熱問題解決上漸漸成熟，上述的解決方式皆會(huì)因應(yīng)用的方式與切入的角度，考慮有所不同。將上述方式就可靠度、成本、設(shè)計(jì)難易度以及重量四個(gè)角度切入評(píng)比，作一簡(jiǎn)單比較(圖9)。若是主打低價(jià)市場(chǎng)，成本為第一考慮，鰭片或熱管加鰭片即為較佳選擇;若是在安全有顧慮，需要輕量化設(shè)計(jì)的路燈，回路熱管散熱在有效降低成本后，會(huì)是不錯(cuò)選擇。
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光均勻度為L(zhǎng)ED路燈另一大技術(shù)挑戰(zhàn)
? LED發(fā)光效率/壽命/光色/演色性優(yōu)于傳統(tǒng)燈源
將傳統(tǒng)光源與LED光源總合作一比較，發(fā)光效率、壽命如圖10，光色與顯色性如圖11。
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從圖10可看出LED燈發(fā)光效率與傳統(tǒng)燈源相比，LED燈發(fā)光效率比水銀燈高，但整體而言，高壓鈉燈發(fā)光效率最高，然LED燈使用壽命卻遠(yuǎn)超過他種燈源。若再將燈具效率、電源效率等因素考慮進(jìn)去，可以更明顯可看出LED燈源的優(yōu)點(diǎn)。
走夜路時(shí)，若對(duì)面過來一個(gè)看不清楚臉面和衣服顏色的人，會(huì)使人感覺到不安和可怕。能顯示出表現(xiàn)物體顏色的光源性質(zhì)叫做顯色性(CRI)，在道路照明時(shí)，選擇高顯色性的光源，較容易辨識(shí)出交通狀況，有效降低犯罪率。圖11中，LED燈在顯色性皆優(yōu)于高壓鈉燈與水銀燈。
在色溫的選擇上，因各地環(huán)境與設(shè)計(jì)狀況不同，以東方人來說，主要是因?yàn)楦邷?、高濕的環(huán)境，會(huì)選擇白色或高色溫的照明，若為氣氛照明則選擇以低色溫為主;以***地處亞熱帶來說，色溫選擇水銀燈或白光LED較佳。
以發(fā)光效率、壽命、光色以及演色性為四個(gè)主要評(píng)價(jià)點(diǎn)，將目前路燈光源市占率最多的水銀燈、高壓鈉燈與LED燈做一比較(圖12)。
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? LED光均勻度須符合IES規(guī)范要求
LED因?yàn)橹赶蛐员容^強(qiáng)，在路燈的應(yīng)用須利用反射板或光學(xué)透鏡等方式來達(dá)到一般道路規(guī)范均勻度的要求。一般道路照明最常引用之國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，不外是北美照明協(xié)會(huì)(IES)及國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)之標(biāo)準(zhǔn)，因國(guó)內(nèi)各地路燈亮度普遍高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，比美國(guó)亮兩倍，比日本亮1.5倍，造成電力資源浪費(fèi)，所以本文將以IES的規(guī)范來討論。
路燈會(huì)依照安裝的道路種類與區(qū)域分類規(guī)定，表2為IES輝度標(biāo)準(zhǔn)推薦值，表3為IES照度標(biāo)準(zhǔn)推薦值。以下利用市售150瓦LED路燈，其發(fā)光效率為每瓦58流明，規(guī)格樣式與光形如圖13，所模擬出的道路照明結(jié)果為表4(仿真軟件為Dialux 4.4版)。在表4的模擬條件下所得到的結(jié)果，平均照度11 lux，以柏油路面來說，可以安裝于住宅區(qū)內(nèi)的快速道路與主要干道，若要裝置于混合區(qū)或商業(yè)區(qū)內(nèi)，則須要再增加發(fā)光效率或瓦數(shù)。照度均勻度來說，模擬結(jié)果之照度均勻度為1.43，小于3，符合所有道路種類與區(qū)域分類。
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仿真結(jié)果之平均輝度為0.55cd/㎡，以柏油路面來說，僅能安裝于住宅區(qū)內(nèi)的次要道路，若要安裝于住宅區(qū)內(nèi)的快速道路與主要干道則須提升至0.6cd/㎡。輝度均勻度來說，模擬結(jié)果之輝度均勻度為1.33，小于3，符合所有道路種類與區(qū)域分類。
因此，以上述市售150瓦的模擬的例子來說，囿于成本考慮，僅采用發(fā)光效率每瓦58流明LED，所以在平均照度與平均輝度上，僅達(dá)到可安裝于住宅區(qū)內(nèi)的次要道路，但在照度均勻度與輝度均勻度這兩個(gè)部分，皆可符合所有道路種類與區(qū)域分類。
LED路燈技術(shù)/規(guī)范有望推出市場(chǎng)成長(zhǎng)
上述就發(fā)光效率、壽命、色溫與顯色性進(jìn)行比較，以目前LED的規(guī)格，確實(shí)擁有取代傳統(tǒng)光源的潛力，設(shè)計(jì)上端視道路類別與安裝區(qū)域來選用適合的LED。而因?yàn)闃I(yè)界資源的陸續(xù)投入，LED路燈的均勻度，透過反射版與光學(xué)透鏡的技術(shù)，已可達(dá)到道路照明規(guī)范。
LED路燈系統(tǒng)技術(shù)上，在熱、光、機(jī)、電都已有解決方案，加上相關(guān)規(guī)范陸續(xù)出爐，有效把關(guān)燈具技術(shù)與質(zhì)量，將可加強(qiáng)消費(fèi)者與政府的信心，省電又省錢下，相信LED路燈的推廣能為目前能源短缺的現(xiàn)況，提供一個(gè)良好的解決方案。