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擺脫光熱技術窒礙 LED路燈系統設計大躍進

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aoisora - 產業訊息 | 2008-09-16 12:59:08

擺脫光熱技術窒礙 LED路燈系統設計大躍進


因具備省電、節能以及環保的優勢,LED燈源可望取代傳統燈源成為新世代路燈主流,惟目前市場產品良莠不一,光、機、電、熱等系統設計技術仍有待突破,其中,又以光、熱的技術難度最高,所幸現今技術瓶頸已有重大突破,將有助於日後路燈市場規模的加速擴大。


高油價、高電價時代,如何有效提高照明設備的效率已成為節能、減碳的重要工作。隨著LED的發光效率與壽命提升,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,可達成提供夜間交通安全照明與維持夜間治安的路燈設施,提升整體市容,達到省電、節能以及環保的多功能性。2003年後,LED路燈的示範計畫在各國展開,包括荷蘭、英國、加拿大、美國以及中國大陸等國,台灣亦將在2008年10月於台中市中港路完成台灣第一條LED路燈的示範計畫。各國示範計畫規模更加龐大,甚至於小區應用,顯示出LED路燈產業受到高度的矚目。


LED路燈品質參差不齊


依據LED業界於2008年1月統計,2008年度全球LED路燈照明市場規模約九十一萬盞,同時2008年全球LED路燈產值約可達10億美元;另外,光電科技工業協進會(PIDA)則評估,2008∼2012年,全球LED路燈產值的年複合成長率將達15%,顯示未來全球各地LED路燈市場深具潛力。


不過在今年6月有市場消息指出,受到景氣影響,今年原本看好的LED路燈需求,更換的動能沒有想像中強勁。此外,LED路燈必須受到高、低氣溫差異以及日曬雨淋的天氣考驗,有些產品安裝不到半年就故障,也是今年LED路燈需求不如預期的主因之一。


LED路燈良莠不齊,造成使用者信心不足,市場需求自然疲弱。有些專家認為,目前LED的發光效率與高壓鈉燈相較尚有差距,作為裝飾照明和部分環境照明用無虞;但若作為道路照明用,目前只適合院(園)區通道或次幹道;同時作為功能性為主的道路照明(主幹道),尚有諸多技術問題有待克服,如散熱、二次光分布、均勻度等,因此目前尚不宜做主幹道照明。


光/機/電/熱四大技術瓶頸待解


LED因為發光特性,輸入電能約有80%以上轉換成熱能必須排出,且LED晶粒屬半導體材料,因此不耐高溫,且發光效率會隨晶片溫度上升而降低,散熱變成LED路燈的首要考量。其次,路燈應用須符合道路照明規範,依照區域與道路狀況的不同,分別會根據照度、照度均勻度等有不同的規定,因此光學的設計成為LED路燈第二大挑戰。其他如LED需要直流驅動,因此排列方式與電源供應器的選用都是技術重點,還有耐風壓、耐雷擊、耐震動等安全性考量,都增加LED路燈設計困難性。簡單來說,LED燈具就是要考慮熱、光、電、機四大部分。現行市場上技術瓶頸最高的便是熱與光,以下將就此兩大技術部分進行討論。


藉散熱機構/被動散熱/元件解決散熱問題


LED晶片可承受的最高溫約為125∼150℃。在LED路燈應用上,環境溫度可達35℃以上,甚至高溫區域40℃以上,若不能有效散熱(控制結點溫度),LED的壽命將快速遞減。根據Cree的資料顯示(圖1),若可將發光晶片結點溫度控制於65℃,LED的整體壽命將可達10萬小時(以光衰30%計算)。



資料來源:Cree
圖1 LED壽命圖



LED燈從晶片開始發熱,至散熱裝置把熱散掉,整個熱傳示意圖如圖2。前段從LED晶片到LED底座與LED封裝設計有關,所以選擇耐溫的晶片、螢光粉、封裝材質以及熱阻低的封裝設計便是首要要件,目前熱阻一般均可達10K/W以下,較好的技術已經有達到5K/W的水準。而後段LED底座到空氣端則與散熱機構有關。



圖2 LED簡易熱傳示意圖


大功率LED的散熱機構一般有幾種形式:


主動散熱
加裝風扇強制散熱、水冷散熱技術、半導體製冷晶片。


被動散熱
自然散熱、熱管加鰭片、均溫板加鰭片、迴路熱管技術等。
以路燈應用來說,戶外安裝風扇穩定性會有問題,水冷式散熱與半導體製冷晶片則因為須要額外付出更多電力散熱,且散熱端亦須要另外結構散熱,在LED路燈應用上,嚴苛的戶外環境應避免這樣的設計。以下將分析被動散熱形式的原理和相關比較。


自然散熱
自然散熱利用熱傳導、熱對流以及熱輻射作為基本的散熱原理。主要係利用熱傳導將熱導到燈具外壁面,再藉由燈具表面積或鰭片與周圍空氣的對流散熱和對周圍物體的輻射散熱(圖2)。


熱管加鰭片
熱管的傳熱現象,利用物質相變化時,可吸收或散發高熱能的現象,因此使得熱管為具備極高的熱傳效率之設備。一般熱管仍須在冷凝端加鰭片散熱,已經是很成熟的技術,多應用於電腦類設備中。


均溫板加鰭片
均溫板與熱管的原理與理論架構相同,只有熱傳導的方向不相同,熱管的熱傳導方式是一維的,是線的熱傳導方式,而均溫板的熱傳導方式是二維的,是面的熱傳導方式。


迴路熱管散熱
當熱量從蒸發器傳至迴路熱管內的工作介質,工作介質吸收熱量後蒸發流向冷凝器,釋放熱量冷凝後,再藉由蒸發器內多孔材料的毛細力,重新回到蒸發器,重複循環。
在被動散熱的原件中,迴路熱管恰好補足熱管與均溫板無法遠距離熱傳這一塊,可將熱導至較遠或較容易散熱的地方。
迴路熱管技術原本應用於太空科技、人造衛星等,在LED照明是一項新嘗試,原理如圖3(A),應用示意如圖3(B),散熱管可利用燈殼散熱,不須多加裝鰭片,若考慮美觀,可將散熱管繞置於燈殼內部。


圖3 (A) 迴路熱管示意圖 (B)迴路熱管LED燈具應用示意圖

散熱元件基本上只是一個工具,沒有真正所謂的優劣之分,重要的乃是利用這些工具達到最佳化應用散熱之目的。下列將針對上述散熱機構在LED路燈上應用作相關比較。


自然散熱
優點為散熱成本最低、結構最簡單,較偏向於小瓦數散熱,如MR16的應用。
市場上以自身結構本體散熱方式的LED路燈產品,多為100瓦以下的產品,乃利用LED燈珠排放密度低的方式,克服熱通量過高的問題,但鬆排列卻產生光學上可能有多重影像的現象。
在實際應用上,若燈具利用鰭片散熱(鰭片外露於大氣中),應特別注意落塵或其他異物等積累於鰭片上,以至於造成散熱效果降低,影響LED壽命。


熱管加鰭片
目前市場較成熟的熱管技術,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100瓦的燈具來說,約三支熱管便可將熱帶出LED模組,接著導至鰭片散熱。針對高瓦數如100瓦以上的LED路燈產品,此為較合理、成本較低廉的解決方式。此散熱方式為目前LED路燈市場上的大宗。


均溫板加鰭片
均溫板最大的優點是解決高熱通量的散熱,或是解決突擴熱阻,將不易散熱的點熱源,拓展成較易散熱的面熱源,如圖4業界所做的模擬比較。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,整個溫度分布可以發現,當熱源在整個散熱模組的右方時,三根熱管加鰭片很明顯優於單純鋁板加鰭片,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。這是強調傳熱的均勻性,以確定鰭片的利用率。


圖4 鋁板、熱管與均溫板之散熱模擬比較

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計上的限制(圖5)。目前市場上利用此散熱方式的廠家並不多,應用的方式為六至八顆LED為一模組,以多模組組合成大瓦數的LED路燈。


圖5 均溫板與熱管熱傳方式之比較


迴路熱管散熱
迴路熱管市售單一模組可達最高瓦數為160瓦(圖6),除了可解決高熱通量的問題外,亦具有遠距離熱傳、抗重力以及可撓式的散熱管等優點,若散熱管能有效與燈殼結合,便能大幅降低整體燈具重量。透過迴路熱管,將位於燈具下方的LED模組的熱帶往上燈殼,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)。


圖6 一般迴路熱管標準模組


圖7 迴路熱管在LED路燈的應用

市售150瓦LED路燈採用迴路熱管散熱的實際測試結果如圖8。經過有效的散熱設計,重量僅8.5公斤,在環境溫度30℃、無風的環境下,量測到的晶片溫度為71℃,熱阻值為0.27K/W。目前市場上,以迴路熱管散熱方式製作的LED路燈仍在少數,但因其整體燈具重量輕,也吸引不少目光。


圖8 迴路熱管在LED路燈的實測結果

由於近期業界的投入,LED路燈在熱問題解決上漸漸成熟,上述的解決方式皆會因應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、設計難易度以及重量四個角度切入評比,作一簡單比較(圖9)。若是主打低價市場,成本為第一考量,鰭片或熱管加鰭片即為較佳選擇;若是在安全有顧慮,需要輕量化設計的路燈,迴路熱管散熱在有效降低成本後,會是不錯選擇。


圖9 不同散熱方式比較


光均勻度為LED路燈另一大技術挑戰


根據中華民國標準CNS10779,選擇光源與照明燈具時應考慮發光效率、壽命、色溫以及演色性,而LED路燈除上述外,另須注意均勻度與光衰(光衰應屬於熱技術的解決)。


LED發光效率/壽命/光色/演色性優於傳統燈源
將傳統光源與LED光源總合作一比較,發光效率、壽命如圖10,光色與顯色性如圖11。


圖10 光源之發光效率與壽命比較


圖11 光源之色溫與顯色性比較

從圖10可看出LED燈發光效率與傳統燈源相比,LED燈發光效率比水銀燈高,但整體而言,高壓鈉燈發光效率最高,然LED燈使用壽命卻遠超過他種燈源。若再將燈具效率、電源效率等因素考慮進去,可以更明顯可看出LED燈源的優點(表1)。

表1 各類燈具效率比較表
比較項目\燈具種類 150W LED燈
(定電流電源供應器)
400W水銀燈
(安定器)
250W 高壓鈉燈
( 安定器 )
燈源光通量(lm) 11,088 22,700 21,000
燈具單向投光效率 95% 70% 70%
燈具維護效率 85% 65% 65%
光害效率
(100%為無光害)
100% 85% 85%
燈具光通量(lm) 8,954 8,779 8,122
實際消耗瓦數
(含電源轉換消耗)
155 455 300
LED燈節能百分比(%) -- 66% 48%


數據摘自:全華科技照明設計實務入門與市售產品規格
走夜路時,若對面過來一個看不清楚臉面和衣服顏色的人,會使人感覺到不安和可怕。能顯示出表現物體顏色的光源性質叫做顯色性(CRI),在道路照明時,選擇高顯色性的光源,較容易辨識出交通狀況,有效降低犯罪率。圖11中,LED燈在顯色性皆優於高壓鈉燈與水銀燈。
在色溫的選擇上,因各地環境與設計狀況不同,以東方人來說,主要是因為高溫、高濕的環境,會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;以台灣地處亞熱帶來說,色溫選擇水銀燈或白光LED較佳。
以發光效率、壽命、光色以及演色性為四個主要評價點,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)。


圖12 光源之綜合比較圖


LED光均勻度須符合IES規範要求
LED因為指向性比較強,在路燈的應用須利用反射板或光學透鏡等方式來達到一般道路規範均勻度的要求。一般道路照明最常引用之國外標準,不外是北美照明協會(IES)及國際照明委員會(CIE)之標準,因國內各地路燈亮度普遍高於國家標準,比美國亮兩倍,比日本亮1.5倍,造成電力資源浪費,所以本文將以IES的規範來討論。
路燈會依照安裝的道路種類與區域分類規定,表2為IES輝度標準推薦值,表3為IES照度標準推薦值。以下利用市售150瓦LED路燈,其發光效率為每瓦58流明,規格樣式與光形如圖13,所模擬出的道路照明結果為表4(模擬軟體為Dialux 4.4版)。在表4的模擬條件下所得到的結果,平均照度11 lux,以柏油路面來說,可以安裝於住宅區內的快速道路與主要幹道,若要裝置於混合區或商業區內,則須要再增加發光效率或瓦數。照度均勻度來說,模擬結果之照度均勻度為1.43,小於3,符合所有道路種類與區域分類。

表2 IES輝度標準推薦值
道路總類\IES輝度標準 平均輝度值(cd/㎡) 均勻度 光幕輝度比 備註 備註
平均輝度/最低輝度 最高輝度/最低輝度 光幕輝度/ 平均輝度
高速公路A 0.6 ≦3.5 ≦6 ≦0.3 交流道
高速公路B 0.4 ≦3.5 ≦6 ≦0.3  
快速道路 商業區 1.0 ≦ 3 ≦ 5 ≦ 0.3  
混合區 0.8 ≦ 3 ≦ 5  
住宅區 0.6 ≦ 3.5 ≦ 6  
主要道路 商業區 1,2 ≦ 3 ≦ 5 ≦ 0.3  
混合區 0.9 ≦ 3 ≦ 5  
住宅區 0.6 ≦ 3.5 ≦ 6  
次要道路 商業區 0.8 ≦ 3 ≦ 5 ≦ 0.4  
混合區 0.6 ≦ 3.5 ≦ 6  
住宅區 0.4 ≦ 4 ≦ 8  
其他道路 商業區 0.6 ≦ 6 ≦ 10 ≦ 0.4  
混合區 0.5 ≦ 6 ≦ 10  
住宅區 0.3 ≦ 6 ≦ 10  


表3 IES照度標準推薦值
道路總類 平均照度值 (Lux) 均勻度 備註
路面總額 平均照度 /
最低照度
R1 R2 / R3 R4
高速公路 A 6 9 8 ≦ 3 交流道
高速公路 B 4 6 5 ≦ 3  
快速道路 商業區 10 14 13 ≦ 3  
混合區 8 12 10  
住宅區 6 9 8  
主要道路 商業區 12 17 15 ≦ 3  
混合區 9 13 11  
住宅區 6 9 8  
次要道路 商業區 8 12 15 ≦ 4  
混合區 6 9 11  
住宅區 4 6 8  
其他道路 商業區 6 9 10 ≦ 6  
混合區 5 7 8  
住宅區 3 4 5  



圖13 市售150W LED燈具規格與光形

表 4  市售 150 瓦 LED 燈具應用模擬圖
模擬設定條件 模擬值 標準值
IESNA CIE 符合 ?
排列方式 對稱型排列 平均照度 (Lux) 11 >3 ∼ 12   o
燈桿間距 35 公尺 照度均勻度 (Eavg/Emin) 143 <3   o
路寬 15 公尺 平均輝度 (cd/ ㎡ ) 0.55 >0.3 ∼ 1.2 >0.5 ∼ 1 o
安裝高度 12 公尺 輝度均勻度 (Lavg/Lmin) 1.3 <3 <2.5 0
燈臂斜度 15.0 。  
燈臂長度 1 公尺  
維護係數 0.8  


模擬結果之平均輝度為0.55cd/㎡,以柏油路面來說,僅能安裝於住宅區內的次要道路,若要安裝於住宅區內的快速道路與主要幹道則須提升至0.6cd/㎡。輝度均勻度來說,模擬結果之輝度均勻度為1.33,小於3,符合所有道路種類與區域分類。
因此,以上述市售150瓦的模擬的例子來說,囿於成本考量,僅採用發光效率每瓦58流明LED,所以在平均照度與平均輝度上,僅達到可安裝於住宅區內的次要道路,但在照度均勻度與輝度均勻度這兩個部分,皆可符合所有道路種類與區域分類。


LED路燈技術/規範有成 可望加速市場成長


上述就發光效率、壽命、色溫與顯色性進行比較,以目前LED的規格,確實擁有取代傳統光源的潛力,設計上端視道路類別與安裝區域來選用適合的LED。而因為業界資源的陸續投入,LED路燈的均勻度,透過反射版與光學透鏡的技術,已可達到道路照明規範。
LED路燈系統技術上,在熱、光、機、電都已有解決方案,加上相關規範陸續出爐,有效把關燈具技術與品質,將可加強消費者與政府的信心,省電又省錢下,相信LED路燈的推廣能為目前能源短缺的現況,提供一個良好的解決方案。


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