高亮度LED 照明時代來臨推動能源節約

高亮度LED 照明屬冷光，排熱量比傳統光源多出數倍，且半導體結點溫度僅能設計在90oC 以下，因此散熱是首要解決之技術問題，另外光學設計也非常重要，須使LED光線能有效照射到目標。在LED 技術突飛猛進下，高亮度LED 照明科技已首度證明可以超越傳統燈具如水銀燈或高壓鈉燈。本文主要介紹台大新能源中心的最新研發以及校園示範結果，單盞LED 照明燈具之輸出光通量已達8,836 Lm (耗電147W)，燈具的光輸出效率達60 Lm/W，燈重8.5 kg，省電率超過50%，可能是全世界新記錄。如果將8,000LmLED 路燈裝設於15m 寬道路，燈高10m，燈桿間距33m，採雙側交錯安裝，地面最大照度可達57.7 Lux，平均照度24.8 Lux，均勻度(平均值/最小值)3.1，符合國際道路照明規範(IESNA)，這是首度證明，高亮度LED 照明技術可以通過現有的道路照明規範，深具指標意義。

一、前言
  近年油價急劇上漲，也牽動經濟發展，如果石油耗竭，卻又缺乏替代能源，加上過度使用化石能源引起的全球暖化與氣候異常現象，對人類文明將是一場浩劫。要解決未來能源危機與環境問題，只有發展新能源與再生能源一途。許多國外研究顯示，再生能源在2030 年前對降低二氧化碳排放的貢獻度只能達20%左右，而能源節約卻可提供50%以上的貢獻度。
  因此，推動能源節約或高效率使用能源仍是未來最重要的策略。而照明所消耗的能源極為驚人，尤其開發中國家如中國大陸，如果將廣大
國土加以全面點亮，所耗能源以及造成的地球環境傷害，將令人無法想像。因此照明節能將是最重要的新能源科技，而LED(半導體照明)未來可能取代現有照明，廣泛應用。

二、LED照明技術特徵
  LED(半導體照明)可分成非照明用途(輔助照明)以及照明用途(強調省能)，前者包括指示燈如交通燈、信號燈、警示燈、手機顯示燈等，或情境燈如聖誕燈、夜燈、庭園燈等；照明用途則包括景觀照明(彩色夜間照明)、個人照明(手電筒…)、道路照明、室內照明等。我國LED產業早已建立，市場佔有率已達全球前幾大，主要是靠消耗性與資訊產品的應用，目前照明應用正在起步，其中道路照明技術已經成熟正步入推廣階段，室內照明則尚在研發中，而這兩項照明應用卻牽動能源危機的重要解決工具之一，將引起人類照明革命，因此倍受矚目。
  LED 照明與傳統照明技術有下列兩點最大不同:
  1. LED 輸出的光能均屬可見光(稱「冷光」)，僅佔輸入電能10-15%，有85-90%輸入電能轉換成熱能必須排出。傳統光源則輸出約85%輻射能，其中約70%屬紅外光(眼睛無法辨識)，有15%左右輸入電能轉為熱能必須排出，只有LED 的五至六分之一，因此傳統光源排熱容易多了，例如鎢絲燈泡，只要利用E27 標準接頭的簡單熱接觸便足以排熱。
  2. LED 光源屬半導體，耐熱只達120oC 左右，而傳統光源燈心溫度可達數百度甚至上千度，其與排熱端(空氣)之溫差遠高於LED 的50oC 左右。LED 燈具又不能採用風扇來散熱，另有美觀外型、光學、重量與體積的限制，使得LED 照明技術涵蓋光電半導體、燈泡封裝、光學、熱學、燈具系統整合、電子驅動控制、美學、耐候、人體視覺現象等等，非常複雜。
三、高功率LED照明技術發展

2003 年起，台大新能源中心在多家國內業者以及國科會、經濟部能源局的支持下，開啟高亮度LED 照明的系統端技術研發，研究團隊包含機械系博碩士生與業界研發人員共約二十多位，研究內容包括高功率燈具散熱、LED 發光模組製程、燈具光學設計、燈具機構設計、省電驅動技術、太陽能照明技術、LED色彩控制技術、道路照明設計、外觀造型等等。歷經三年多的努力，目前技術已向前邁進一大步[1-2]。去年(2005)所開發的100W 路燈正面光通量即已達3,500 lm 以上，18W 燈也高達730 lm，佈光角均為140 度，燈具的光輸出效率達37.5 lm/W，100W 路燈重量低於6 kg。其中一盞3,500 lm 路燈已於去年(2005)中秋節(9 月18 日)裝設在台北市溫州街52 巷道內進行路試，至今運轉時間超過一年三個月，未發現有光衰現象而且無任何故障維修記錄，也證明在相同照度下，LED 可省電一半左右，這是全世界第一盞超過3,500 lm 的LED 路燈長期示範，意義非凡。此乃因傳統主照明的市場集中在800 lm(室內照明)與4,000 lm(商業照明)兩種燈型，如今LED 技術已證明可達到此目標，這在兩年以前仍被認為是不可能的。高亮度LED 照明由於發熱量高，散熱技術一直是瓶頸。台大採用獨步全球的低成本迴路熱管(台大與陽傑/江陵科技合作開發)解決散熱問題，並加強光學設計，同時配合國內LED中上游業者的材料與製程改進，才獲得此項突破。此項研發成果目前正由合作廠商進行量產計畫，逐步推出產品，將來可以逐步取代耗電的傳統路燈。

四、高亮度LED照明台大校園示範與測試

為進行示範並測試實際使用情形，台大新能源中心於2005 年底向校方申請並獲准進行「高亮度LED 校園道路照明示範」，希望利用這項獨步全球的高亮度LED 照明技術，建構出具國際特色的「永續台大校園」。在總務長及校園規劃小組的全力支持下，本項工作分兩階段進行，第一階段於2006 年2 月8 日完成裝設三盞100W LED 路燈: (1)機械館與工綜館間，將原裝設之一盞400W 水銀燈更換為100W LED路燈(3,600 Lm)(編號為A00)，與對面一排400W 水銀燈進行比對測試研究；(2)工綜館之側門牆面，將原裝設之水銀燈(200W)更換為LED 燈(108W)；(3)工綜館靠應力館之側門上方，原缺夜間照明，新裝設一盞100W LED 路燈。這三盞LED 燈至今使用情形非常良好，不但達到省電目的，路人反應也頗佳。第二階段擬將機械館旁200m 馬路原裝設之六盞400W水銀燈，全更換為LED 路燈，並在機械館與志鴻館旁之草坪上架設太陽能景觀照明，一起進行示範與測試。
  1.第一階段道路示範
  本項校園試驗旨在將新開發的高亮度LED 路燈(3,600 Lm) (編號:A00)進行道路安裝，以演練安裝施工流程，並收集實際使用情形(包括耗電量、運轉可靠度觀察、路人滿意度調查等)。機械館馬路上的LED 路燈(A00)至今(2006 年12 月底)運轉已超過十個月，為瞭解路人對LED 路燈之接受度，新能源中心在七月間曾進行一項路人滿意度問卷調查，結果如下:
問題一: 請問您經過此處有發現這盞有點不同的路燈(LED)的存在嗎? 結果: 63%有注意到。
問題二: 對面這排水銀路燈耗電高達400W，此盞LED 路燈耗電僅100W，這樣的耗電量達到如此的亮度可以接受嗎?
結果: 合計84%滿意或非常滿意，只有2%不滿意。
問題三: 您對此路燈的外型滿意嗎? 結果: 合計78%滿意或非常滿意。
問題四: 為行路安全、治安需要，您認為這盞100WLED 燈作為道路照明夠亮嗎?
結果: 合計70%認為很亮或非常亮，23%認為還可以，只有7%認為太暗。

此項調查結果令人振奮，表示一般人(至少是台大人)確實可以接受LED 路燈。如果將校園內目前裝設的400W 水銀燈改為100WLED 路燈，每盞省電量可達300W，每天省電3.6 度(12 小時運轉)，每年省電3,416 元(電費2.6 元/度)。如果同樣情形發生在高電價的地區(如日本、德國，每度電約6 元)，每盞燈每年可省電7,880 元，省電效益驚人。以我國離島地區綠島來說，每度電成本約11 元，每盞LED 燈每年可省電達14,450 元，即使目前產品尚未量產，也可以在三年內回本。

表一所示為高亮度LED 燈A00 之路面照度長期監測結果，如考慮燈具環境污染係數，很難分辨其有明顯光衰現象。截至目前，A00 路燈已歷經寒冬與酷夏考驗，運轉超過十個月，包括燈具與電源驅動器，從無故障維修記錄。此盞100W 路燈(3,600 Lm)未來將予以保留，以繼續監測其長期性能。

2. 第二階段道路示範
  依據第一階段試驗結果，台大新能源中心獲校方支持，繼續第二階段校園道路測試，在機械館與第一學生活動中心間之兩百公尺馬路(路寬9.5m，燈高5.2m)，將原裝設之六盞水銀燈(400W)更換為LED路燈(100W)(編號:A01-A06)，連同二月間安裝的一盞100W LED(編號A00)總共七盞。此項安裝與於2006 年六月初完成(圖二、圖三)，這是全世界第一條高亮度LED路燈200m 道路測試，在高功率LED 照明技術發展上，深具指標意義。

  為進行道路照明研究，後三盞路燈(A04-A06，靠近園藝館)採用廣角對稱型光學設計；靠近普通教室方向的前三盞(A01-A03)，其輸出光線則刻意設計為非對稱，光線只直射路面(圖三)，其路面照射損失不到15%，比起傳統路燈的光散失高到甚至站在陽明山頂還可看到燈光的情形，減少很多。
  值得一提的是，這些路燈(A01-A06)所採用的LED 燈泡全係取自業者生產線中，燈泡光效率為45-52 Lm/W，並未做刻意篩選，因此每盞燈具輸出光通量只達約3,000Lm。表二所示為A01-A06 路面照度量測結果，只比400W 水銀燈稍差，但在可接受範圍，在測試期間，許多路人並未察覺到馬路上已改換為LED 燈，證明其亮度尚可被接受。A01-A06 這六盞LED路燈連續運轉約六個月(2006/6/12-2006/12/08)，也經歷寒冬與酷夏考驗，包括燈具與電源驅動器，從無故障維修記錄，也無光衰。

 2006 年9 月間，台大與國內合作廠商又進一步成功開發出一盞耗電近150W，燈具輸出光通量高達8,836 Lm 的超高亮度LED 路燈(圖四)，燈具光輸出效率達60Lm/W(147W 輸入)，燈重8.5 kg，省電率超過50%，這可能是全世界新記錄。目前此一超亮LED 路燈已於十二月八日替換原裝設之六盞100W LED 路燈(3,000Lm)，編號標為B01-B06，使路面照度大幅提高至兩倍多(表三)。地面中央照度由原來的50-62 Lux (耗電100W)，提高到145-164 Lux (耗電137-147W)，已高於書房的照明規格。

 B01-B06 之LED 路燈設計原係用於快速道路上，裝設燈高理應在8m 以上，目前的200m 示範道路路寬為9.5m，燈高只5.2m (不符合市區道路照明設計規範)，因此出現中央照度過亮的現象。但如將燈具高度提高為10m(目前為5.2m)，在150W 輸入時，地面最大照度為47 Lux，平均照度18.5 Lux，均勻度(平均值/最小值)3.2 ， 即可符合國際道路照明規範(IESNA)，圖五所示為其所產生的路面照度分佈圖。未來新能源中心將針對200m校園道路特殊狀況，研發新的燈具光學設計，使道路照明均勻度可以獲得改善，並建立完整的光學技術，以滿足各種照明需求。

3.太陽能景觀照明示範
志鴻館廣場側及機械館旁之草坪上種植有多棵高樹形成一小片樹林，由於夜晚黑漆一片形同死角，因此新能源中心規劃一個太陽能景觀照明系統，採用紅、綠、藍、黃四種與業者合作開發的單色LED 燈(15W)共七盞(總耗電105W)，裝置在草坪上，直接投射樹林，夜間形成彩色景觀(圖六)。LED 彩色燈全由微處理機進行動態照明控制，因此可以營造出色彩變化，使得這處原為景觀死角的樹木，為之一亮。這套LED 景觀照明係利用原裝設在志鴻館頂樓太陽能實驗室的500W 太陽電池提供電源，白天發電後由蓄電池蓄電，夜晚時由一部自行研發的智慧型控制器進行點燈。本系統採用獨立太陽光發電系統技術，自動偵測白天與夜晚做充、放電控制，不外接市電，節省能源。由於採智慧型控制設計，耗電極省，因此自2006年9 月安裝至今為止，尚未有因陰雨天過久而於夜間熄燈的情形發生，可以稱為「永恆之燈」。這套LED 景觀照明系統主要用來測試新能源中心所研發的獨立太陽光發電系統技術，包括LED 省電照明驅動技術，以及智慧型太陽能照明控制系統。每當夜晚來臨時，志鴻館前即會有數盞彩色燈光在此大放光彩，增添校園內特別景色。
色彩對人類的感觀非常重要，許多廣告看板、商標等等，除了在圖案設計外，為了營造氣氛與形象，常常利用配色達到視覺上的效果，讓人感到清新、活潑或穩重等各式各樣的觀感，國內外有許多學者也在研究色彩科學，探討當人類處於不同色彩環境或看到不同顏色時，心情的變化，甚至研究心情的改變能否具有某種疾病上的療效。已有研究顯示，光色彩除了營造氣氛以外，若能設計得當，更具有情緒治療的效果。
目前新能源中心與業者合作已開發出最先進的高亮度LED 全彩景觀燈，具有百萬種以上的變色能力，不再只是生硬的單色光。配合微處理機精密控制技術，可對光色彩做極細膩的調控，能夠調配出百萬種顏色，使得色彩更豐富、更自然。新能源中心正積極研發色彩控制技術，並研究色彩對人體身心之影響，希望開發出不僅能發光變色，而且使人看了能夠舒解心情壓力的LED。志鴻館廣場側之太陽能景觀照明系統將於兩個月內全改換成最先進的高亮度LED 全彩燈，亮度也將做適度提高至每盞20W。改裝完成後，將進行一系列的動態色彩變化測試。如果成功，未來將集合校內景觀設計專家，針對醉月湖進行全彩太陽能景觀照明規劃研究與測試，希望有一天大家可以在夜晚觀賞到台大醉月湖的迷人氣氛。

另外，本校正對新生南路側門的馬路上，新近換裝一排美麗的200W 庭燈，新能源中心在不改變外觀造型的條件下，特別打造一具63W 的高亮度LED 燈(圖七)，目前已測試了四個多月，性能良好，未來希望進行實際路試。本校校園內有許多公共照明，都可以用LED 來取代，以節省能源，更重要的是可以營造出「永續台大校園」氣氛，也同時提供LED 科技研發成果之測試平台，帶動國家產業發展。

五、LED與傳統照明之比較
過去因高亮度LED 照明技術一直無法突破，以致全世界幾乎沒有實際裝設高亮度LED路燈(>100W)之整條道路可供大家觀摩學習研究，然後加以推廣。台大200m 試驗路段，很接近實際道路操作情形，可進行LED 道路照明研究，收集更多使用資訊，並做為高亮度LED 道路照明示範，然後逐步往外推廣。目前效率最佳的傳統HID 路燈(如水銀燈與高壓鈉燈)的光源效率約在55-100Lm/W，因此許多人一直誤認為，以LED目前技術水準(<60 Lm/W) 仍不具競爭力，但是如果考量驅動電源效率、燈具光學效率、道路照明效率(光害)後的道路照明總效率值，2005 年的LED 路燈技術與HID 相比，其實已在伯仲之間(表四)。

表五係以200W 水銀燈為對象，在相同路面光束下之技術指標比較分析，結果顯示目前(2006/6)LED 路燈之省電率約41%，2007 年後可達64%。
路燈在道路照明應用時，還須考慮光源的壽命期光衰(燈具維護係數)以及燈具的污染係數。傳統的路燈如水銀燈與高壓鈉燈如疏於保養，兩項加總可能低於0.3，而LED 燈具的壽命期光衰不到20%，污染也較輕微(約5-10%)，兩項加總LED 可達0.8 左右。

圖八所示為新能源中心2006 年7 月間在一條400 公尺的工業區馬路上所測得的路面照度分佈，馬路所裝設的是400W 高壓鈉燈，理論上照度應該充足，遠高於LED 燈，但是因為光衰與污染因素，最高照度90 Lux (可能是新燈)，最低照度只有數Lux，平均值只有23.4 Lux，利用率只有不到三成，這就是一般人所認識的高效率鈉燈的實際使用情形。
如果考慮壽命期的光衰與污染係數，LED 路燈的省電效果便超越高壓鈉燈，如表六所示，省電率達56-71%，顛覆了一般業者對高亮度LED 路燈的實用性疑慮。
如果將8,000Lm LED 路燈裝設於15m 寬道路，燈高10m， 燈桿距離33m，雙側交錯裝設，其路面照度分佈如圖九，地面最大照度可達57.7 Lux，平均照度24.8 Lux，均勻度(平均值/最小值)3.1，符合國際道路照明規範(IESNA)，如表七。
這也是首度證明，高亮度LED 照明技術可以通過現有的道路照明規範[4]，深具指標意義。

六、結語
新能源或再生能源的推廣，在觀念上必須先經歷「省能但不省錢」的過程，最後才步入「省能又省錢」的普及化階段。
省電燈泡每個家庭都用過，但是如果你精打細算的話，會發現它只能省電並不一定省錢（燈泡昂貴），不過今天大家還是喜歡採用。如果省電燈泡能，「LED 照明」會不能嗎? LED 照明技術正快速進步，而2007 年原油價格可能高於80 USD/桶，這便意味著，LED 照明時代已來臨了，我們也期盼能夠利用台大的LED 研發成果與校園示範計畫來帶動一場照明革命。
參考文獻
1. 黃秉鈞: 「LED 應用於太陽能照明的前景」。光電協進會主辦 “第二屆2006LED 照明國際研討會”，台北世貿中心，民國95 年6 月16 日。
2. Min-Sheng Wu, Bin-Juine Huang and Jia-Jun Wu, “Development a smart control system for high-power LED solar lighting”. Proceedings of the World Renewable Energy Congress IX, Florence, Italy, August 19-25, 2006.
3.黃秉鈞、湯鈞汶、吳民聖、汪金華:「高亮度LED 之動態特性研究」。中國機械工程學會第二十三屆全國學術研討會論文集，崑山科技大學，台南、永康，中華民國九十五年十一月二十四日、二十五日。
4.B.J. Huang, M.S.Wu and Y.T. Huang:Feasibility of roadway lighting using high-power LED, World Sustainable Energy Days 2007- European Energy Efficiency Conference, March 1, 2007, Wels, Austria.

上一页：国家联盟关注LED路灯照明
下一页：金属热处理教程