高亮度LED照明時代來臨推動能源節約臺大LED研發與校園示範帶動全球照明革命

新能源中心主持人機械系黃秉鈞教授

摘要

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90C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。本文主要介紹臺大新能源中心的研發以及校園示範成果，最新單盞LED照明燈具之輸出光通量已達8,836Lm (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8,000Lm LED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)未來將可能取代現有照明，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所輸出的光能均屬可見光(稱「冷光」)，僅佔輸入電能約10-15%，有85-90%輸入電能轉換成熱能必須排出。傳統光源有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120C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50C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，臺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。歷經三年多來的努力，目前技術已向前邁進一大步。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，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。臺大採用獨步全球的低成本迴路熱管(臺大與陽傑/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。

四、臺大校園示範與測試

為進行示範並測試實際使用情形，臺大新能源中心於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「永續臺大校園」。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)機械館馬路上工綜館前，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，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。

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)。這盞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: 為行路安全及治安，您認為這盞100W LED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。

調查結果令人振奮，表示一般人可以接受LED路燈。如果將校園內目前裝設的400W水銀燈改為100W LED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。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路燈未來將予以保留，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，臺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6月初完成，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，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，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。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。

2006年9月間，臺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1)，燈具光輸出效率達60 Lm/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。目前此超亮LED路燈已於12月8日替換原裝設之六盞100W LED路燈(3,000 Lm)，編號標為B01-B06，使路面照度大幅提高。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)，已高於書房照明。

B01-B06之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 ，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(IES)。

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2)。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。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。

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，使得色彩更豐富、更自然。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，功率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臺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，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「永續臺大校園」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。臺大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路燈(如水銀燈與高壓鈉燈)的光源效率約在55-100 Lm/W，因此許多人誤認為，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，其實已在仲伯之間。

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，期盼能夠利用臺大的LED研發成果與校園示範計畫來帶動一場照明革命。

臺大新能源中心研發聯絡電話：23636576。web: http://www.me.ntu.edu.tw/%7Enec/