LED照明节能技术在临吉高速公路隧道中的应用

朱文君

（山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006）

0 引言

临汾至吉县（壶口）高速公路是国家高速公路网青岛至兰州公路和山西省“三纵十一横十一环”高速公路网第九横（黎城至吉县壶口段）的重要组成部分，也是山西省“十一五”规划重点建设项目之一。

临吉高速公路路线的80%处于山岭重丘区，桥隧占总长的49.6%。全线共设有17条隧道，包括佛儿崖隧道、梁家凹隧道、光华隧道、东红峪隧道、高架河隧道、半沟隧道、松朴岭隧道、瓦窑岭隧道、乡宁1＃隧道、乡宁2＃隧道、云台山隧道、吉县1＃～吉县4＃隧道、高楼隧道、进师岭隧道。

初步计算认为隧道照明电费将成为运营单位的巨大负担并形成巨大能耗。如何在隧道照明方面最大限度地节能降耗、保障安全，是临吉高速公路建设和营运时期亟待解决的技术难题。

影响公路隧道照明电力消费的主要因素是灯具效率、灯具的布局模式、控制方案等。目前公路隧道照明广泛使用高压钠灯。高压钠灯存在效率低、启动慢、能源消耗高、不利于智能控制等弊端，不符合当前我国建设资源节约型社会的要求。探索使用新型高效光源是解决这一问题的关键。

隧道是道路的一部分，为了保证其间行驶的安全性，无论白天和夜晚都离不开照明。由于隧道的地理位置和环境条件比较特殊，隧道照明灯具设计布置量大，开启工作时间长，因此对隧道照明的节能、稳定、易维护和长寿命有着非常严格的要求。

随着近几年LED照明产业的科技成果日新月异，隧道建设的科技创新引起了临吉高速公路建设管理各单位的高度重视。经过论证，临吉高速公路在中短隧道实施LED节能照明示范工程，分别为佛儿崖至瓦窑岭8座隧道、乡宁1＃隧道、乡宁2＃隧道、吉县1＃～4＃隧道，其余3座特长隧道采用高压钠灯照明方式。

1 LED的基本原理及优点

1.1 LED的基本原理

LED是Light Emitting Diode的缩写，中文名称为“发光二极管”。它是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED的核心是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，里面主要是空穴，另一部分是N型半导体，里面主要是电子。这两种半导体连接起来就形成一个PN结。

PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。

根据照明要求，将单粒LED按某种方式排列组装在一起以增加发光亮度或完成其他特定功能的装置称为LED一体化照明灯具，简称LED照明灯具。

1.2 LED的优点

LED具有以下优点：

a）体积小 LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它体积非常小，重量非常轻；

b）耗电量低 LED的耗电量相当低，它是直流驱动，超低功耗（单管0.03～0.06W），电光功率转换接近100%，一般来说LED的工作电压是2～3.6V，工作电流是0.02～0.03A，也就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果下比传统光源节能80%以上；

c）使用寿命长 LED光源又被称为长寿灯，它是固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万～10万小时，比传统光源寿命长10倍以上；

d）高亮度、低热量 LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多；

e）环保 LED是由无毒的材料制作，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源；

f）坚固耐用 LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固，灯体内也没有松动的部分，因此LED不易损坏；

g）多色彩 LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下，使三种颜色具有256级灰度并将其任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多样，可以实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像；

h）技术先进 与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，属于半导体光电器件“高、新、尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点；

i）控制方便 只要调整电流，就可以对LED随意调光，使灯光更加清晰、柔和，从而让人感觉更加舒服。

利用上述优点制造出来的小功率LED灯具替代大功率的高压钠灯，可以获得相同的照明效果。表1是一组100W高压钠灯与50W LED隧道灯的实测参数比较表。

表1 100W高压钠灯与50W LED隧道灯光效比较表

2 实施方案

隧道照明均要依据《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1—1999），按照隧道等级进行配光及布设设计。下面以山西省临吉高速公路光华隧道LED照明试点工程为例予以说明。

2.1 根据隧道照明等级，明确各段照明亮度要求

本项目应用于入口段、过渡段、基本段、出口段，依据照明原理和灯具特点，对隧道的照度分布和不同路段的亮度要求进行了灯具配置，通过测试手段加以验证，进行优化设计，满足了光华隧道LED照明方案对不同路段的亮度指标要求及隧道照度分布要求（见表2）。

表2 隧道亮度要求设计表

2.2 依据设计亮度要求，选择LED照明灯具及配套设备

2.2.1 LED照明灯具的配置

光华隧道中LED照明灯具的配置情况见表3。

表3 隧道灯具配置表

2.2.2 大功率LED照明光源散热器设计

与高压钠灯不同，LED照明灯具使用LED光源，在高温条件下其性能会迅速下降，甚至损毁。解决散热问题是保证LED灯具正常工作的重要条件。项目实施过程中结合隧道通风的特点，采用单一散热器。这种散热器具有小通道结构，有利于照明装置散热，在热量到达灯具之前已经通过这种小散热器将热量散发进入空中。由光源组成的单元灯具具有此种结构，使冷却效率大大提高，有效解决了高功率LED灯具的发热问题，同时也使灯具的质量减少了60%。

2.2.3 电源设计的安全性及易维护性

考虑到隧道运营维护的方便性，对直流稳压电源需进行可靠性和可维护性验证。本项目采用的是开关电源，采用隔离分体式电源设计，散热好，性能稳定可靠，徒手即可更换电源，便于现场维护，并且满足保护灯体和保障使用者人身安全的要求。

3 PWM无极控制系统

隧道照明最根本的目的是：满足司机视觉要求，满足人眼适应曲线。在传统配电回路控制法下，照明亮度分级少，造成电能浪费（即过度照明或无效照明），而无级调光方式则能快速响应跟踪照明需求曲线，以得到最优的控制效果并达到节能的目的，即所谓的“按需照明”。无级调光控制的实现，依赖于可调光灯具、通讯接口等硬件的支持。目前，可调光LED照明灯性能较为稳定可靠，已经完全可以支持PWM无极控制系统的实现。

隧道内加强照明灯的工作时间长，需要12h持续工作。在传统照明设计方式下，灯具投入运营初期的亮度超出规范基本要求的42.6%～66.7%，存在一定程度的过度照明。为了避免过度照明造成电能浪费，同时减小LED灯的光衰，延长LED光源和驱动电源的使用寿命，在实际运营时，可将加强的功率设定在额定功率的75%。在未来的运营过程中，可根据LED灯的光衰情况，逐年递增灯具的输出功率，直至100%功率输出。这种功率同步递增的方式并不改变原有的配光特性。

4 结语

我国对LED的技术开发与应用都极为重视。2003年由科技部牵头成立了“国家半导体照明工程协调领导小组”，许多省的交通行业已纷纷开始进行这方面的应用研究。在既有研究成果和实践经验的基础上，通过进一步研究和解决LED照明技术中存在的困难和问题，临吉高速公路隧道采用以LED照明技术为核心的照明系统，率先实现了对这一隧道照明节能技术的大范围应用。

实践证明该技术方案成熟可靠，比使用传统的高压钠灯可节约电能30%～40%，节能效果显著。LED照明灯具在公路隧道照明领域具有广阔的应用前景。