新一代LED區域照明應用的研究應用

目前全球對于可以節省能源的高能效照明越來越加重視，依國際能源署（IEA, International EnergyAgency）報告指出，全球電力照明大約占總發電容量的19%,最近的新聞報導和政府公告也逐漸著重于提醒廣大消費者白熾燈的低能效，并加強社會大眾對緊湊型節能燈等節能解決方案的認識。除此之外，在高亮度白光發光二極管（LED）技術持續不斷進步的情況下，也為高能效通用照明應用帶來另一個極具潛力的技術，另外美國能源之星（ENERGYSTAR）計劃也正為家用和商業照明應用制定固態照明的標準。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合外，包括零售商店、工業生產以及學校、醫院和區域照明等公共空間，其中區域照明更涵蓋了如街道照明、人行通道、停車場以及公園等公共空間的多種應用場合，除了私人領域外，大區域照明也應用在工廠以及零售和商業建筑的停車空間，無庸置疑的是，在這些領域中蘊藏有開發更高能效照明解決方案的龐大商機。

　　大區域照明涵蓋的不只是提供照明功能而已，它同時也必須解決有關公共安全、運行環境、外觀設計和美學考量、節能、系統可靠度和維護成本，以及如何管理燈光投射來提供適當照明，同時避免穿透、強光以及光害污染等問題。對于街道照明，發光形式和照明需求也會因街道型態、預估交通流量和標準的要求而有所不同，因此，在區域照明上有許多不同的設計來滿足實際的考量以及能源的使用和架構問題，例如2004年美國紐約市就贊助了一項國際城市照明設計競賽，尋求是否可以發展出新的照明想法來為這個城市帶來21世紀的創新街景，同時取代使用已經超過50年以上的舊設計。

　　區域照明最常見的照明源為高壓放電（HID, High IntensityDischarge）型式，例如高壓鈉燈、金鹵燈以及低壓鈉燈和高壓汞燈等。先進的HID燈，例如金鹵燈擁有高于80lm/W的高能效和1萬到1萬5000小時的合理壽命，以北歐地區每年使用4,000小時的標準計算，壽命大約在2到4年，不幸的是，由于更換相當困難，因此要進行街道燈光的更換不管是在維護時間或是人工成本上都相當昂貴，在隧道或橋梁等不易更換的場合更是一大問題，如果必須封閉車道進行維修勢必造成交通阻塞。此外，燒壞的街燈也會帶來公共安全的問題，同時部份社區也會對換裝時間有嚴格的時間限制，其他有關這類型燈管的問題還包括可能需要5分鐘才能啟動，如果發生停電情況，可能還得要20分鐘過后才能夠重新動作。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慎處理以避免汞進入生態系統而造成環保問題。雖然新一代的燈管已經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，因此并非所有的區域照明都采用高能效照明技術，最近由歐盟智能能源（IntelligentEnergy）計劃所進行電子化街道（E-Street）倡議所提出的報告指出，歐洲大約9千萬個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光技術。電子化街道倡議的目標主要是研究采用智能網絡控制照明系統來降低能源消耗，例如具備網絡功能的照明架構可以通過控制在深夜交通較不繁忙時降低照明輸出來節省能源，從這里我們可以看出，為什么對新技術如何克服這些挑戰的了解會吸引眾多注目的多項原因。

　　事實上有幾個理由可以解釋為什么高亮度白光LED在這個領域會受到歡迎，首先也是最重要的是它們的超長壽命，經過適當工程設計的LED系統可以維持在亮度70%以上達到超過5萬個小時的工作壽命，由于這樣長的壽命，戶外區域照明可以達到超過12年的運行時間，大幅度地降低后續的維護和更換成本。再者，LED不管是在性能或成本上都持續快速進步，目前已經商業化的高功率白光LED可以達到每燈管70到100流明的光度輸出，效率大約在70lm/W,光電產業發展協會（OIDA, Optical Industry DevelopersAssociation）最近更新了有關白光LED的發展藍圖，并預估在2009年整體性能將可以提升一倍，到達每燈管200流明，發光效率則可望達到150lm/W,做為參考比較，100W金鹵HID燈大約可以產生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有大量的損失，但在LED上則沒有這些問題，原因是它們本質上就具有指向性。不考慮流明損失效應時，大約需要120個每封裝70lm的LED才能夠取代100W燈管的流明輸出，如果2009年OIDA的目標達成，這個數字將可以減半。此外，白光LED能夠提供質量更好的光度輸出，特別是和高壓鈉燈比較時，因為它們會有燈光黃化和較差的顯色指數（CRI,Color RenderingIndex）等問題。LED同時也可以提供給設計工程師進行創新和差異化照明燈具設計的更高靈活度，此外，由于LED為低壓直流器件，因而使得建立新離網型照明概念，例如結合太陽能和可充電電池的LED發光站牌就變得相當容易，目前這類系統已經開始在倫敦等城市導入

　　LED陣列燈具的設計因所在位置的特殊照明需求會有大幅度變化，目標照明區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較窄，因此需要20個LED來提供照明，而在住宅區街道則需要100個或更多的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，因此街道照明會有相當特別的發光模式要求，同時這些特別模式也必須滿足各種不同安裝型式所要求的復雜光學工程設計。此外，在LED使用數量和驅動電流上也必須進行權衡?；旧?，采用較高電流驅動的較少數量LED看起來是個可行的選擇，但較高的電流和功耗卻會讓溫度管理復雜化，此外，LED的效率會隨著電流和接面溫度的升高而降低，當然我們也必須記住，要達到指定的LED壽命，就必須遵守接面溫度的指定規范，在采用LED照明時，溫度管理是個相當重要的因素，原因是散熱集中在LED的封裝上，因此必須要由燈具移除。