許毅 劉暢 李永亮
摘 要:針對目前LED路燈的道路照明問題,該文采用DIALUX軟件對道路照明方案進(jìn)行模型建立,以雷士照明燈具庫為例,研究并分析在固定LED光源功率和配光曲線的前提下,LED路燈的照明效果是否滿足國際照明標(biāo)準(zhǔn)CIE。根據(jù)光學(xué)仿真建模分析結(jié)果,得出影響LED路燈照明效果的關(guān)鍵因素:照明器的安裝方式;LED燈桿的安裝高度;LED燈桿的安裝距離;照明器光源功率;照明器的配光曲線。并提出有效可行的LED道路照明解決方案,同時(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和授課效果。
關(guān)鍵詞:DIALUX LED路燈 仿真分析
中圖分類號:TM923.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2015)03(c)-0085-02
《LED產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)》是高職光電子技術(shù)專業(yè)一門重要的專業(yè)核心課,但是在LED路燈道路照明的教學(xué)環(huán)節(jié)中,存在很多實(shí)際問題,需要通過專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件DIALUX來進(jìn)行模型建立與仿真分析,以具體的案例為主,通過改變相關(guān)參數(shù)來達(dá)到不同的仿真照明效果,讓學(xué)生自己動(dòng)手,以圖像的形式展示,更好的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。
在道路上設(shè)置照明器是為了在夜間給車輛和行人提供必要的能見度。道路照明可以改善交通條件、減輕駕駛員疲勞、并有利于提高道路通行能力和保證交通安全。目前,隨著大功率高亮度LED的迅速發(fā)展,由于其具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),使得LED作為新一代照明光源被廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的道路照明燈(高壓鈉燈和金屬鹵素?zé)簦┫啾龋琇ED路燈的主要優(yōu)點(diǎn)是:光學(xué)性能佳、可快速啟動(dòng)、便于控制、高效、省電、節(jié)能環(huán)保、可靠耐用、壽命長等[1]。
道路通常用規(guī)定的路面平均照度和均勻度兩個(gè)指標(biāo)。前者的單位是lx,即每1m2水平照射面積上,均勻分布1lm的光通量;后者是最小水平照度與平均水平照度的比值。實(shí)際上道路的亮度分布與照度分布有相當(dāng)大的差別。因此國際照明委員會建議用路面亮度、均勻度、眩光和誘導(dǎo)性四個(gè)指標(biāo)衡量。建議城市干道、高速公路的路面亮度取2cd/m2,縱向均勻度取0.7,G=6[2-3]。
1 建立模擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺
目前,本文道路照明器選擇雷士照明LED路燈,如圖1所示,功率為200W。照明器要合理使用光能,防止眩光。照明器發(fā)出的光線要沿要求的角度照射,落在路面上呈指定的光斑,光線分布均勻,亮度大且眩光小,因此本文的眩光指數(shù)G=6,二次光學(xué)配光曲線為蝙蝠翼型,如圖2所示。
根據(jù)具體的道路斷面形式、寬度、車輛和行人的情況,道路器可采用在道路兩側(cè)對稱布置、兩側(cè)交錯(cuò)布置,一側(cè)布置、分隔島雙叉布置和路中央懸掛布置等形式。該文的采用的具體參數(shù)如下:道路寬度25m;兩側(cè)交錯(cuò)布置;分隔島寬度1m;三排雙向車道;車道寬度3m;燈桿高度12m;燈桿安裝距離25m;維護(hù)系數(shù)0.80;路面為R3柏油。
建立的LED道路照明的物理模型如圖3所示。通過DIALUX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,進(jìn)行不同道路模型建立,分別為:
(1)兩側(cè)對稱布置和兩側(cè)交錯(cuò)布置;
(2)LED燈桿的安裝高度12 m和15 m;
(3)LED燈桿的安裝距離20 m和25 m;
(4)照明器光源為高壓鈉燈和LED光源;
(5)LED光源功率為150W、200W和250W。
在不同的LED道路照明仿真模型下,仿真模擬LED道路照明實(shí)際方案,對道路照明的實(shí)際平均照度和均勻度進(jìn)行計(jì)算,并給出相應(yīng)的資料報(bào)表,可以保存為PDF格式文件,以供學(xué)生對不同的照明方案下的LED道路照明效果對比分析。對于某一具體實(shí)際道路,在選定照明器的前提下,能夠給出該路段的LED道路照明方案,并進(jìn)行仿真分析,研究該方案的可行性。
2 LED道路照明實(shí)例分析
下面以某市具體道路為例,此道路寬度為25m,雙向三車道,車流量>2 400輛/h,限速100km/h,路面為柏油馬路。
根據(jù)我國機(jī)動(dòng)車交通道路照明標(biāo)準(zhǔn)值,此照明標(biāo)準(zhǔn)值適用于柏油馬路,如表1所示[4-5]。
根據(jù)道路寬度25m;兩側(cè)交錯(cuò)布置;分隔島寬度1m;三排雙向車道;車道寬度3m等具體參數(shù)。該文選擇燈桿高度12m;燈桿安裝距離25m;維護(hù)系數(shù)0.80;路面為R3柏油。
打開DIALUX軟件,選擇新的道路照明設(shè)計(jì)方案,給定具體的參數(shù),建立LED道路模型在計(jì)算平均照度和均勻度時(shí),只要取其中的一個(gè)單位路段即可,因此該文對于平均照度和均勻度的計(jì)算采用25m×25m的計(jì)算面積為單位路段。
模型建立好之后,接下來是導(dǎo)入燈具資料,該文采用雷士照明的LED路燈,將設(shè)計(jì)好的蝙蝠翼型配光曲線IES文件導(dǎo)入DIALUX軟件里就可以進(jìn)行計(jì)算模擬。在模擬的過程中可以根據(jù)不同的模型來對比分析。例如,照明器的安裝方式,兩側(cè)對稱布置和兩側(cè)交錯(cuò)布置;LED燈桿的安裝高度12m和15m;LED燈桿的安裝距離20m和25m;照明器光源為高壓鈉燈和LED光源;LED光源功率為150W、200W和250W。
在布置好燈具以后就開始設(shè)定計(jì)算表面,也就是25m×25m的計(jì)算面積為單位路段,設(shè)定計(jì)算報(bào)表的內(nèi)容,并開始計(jì)算。對于雷士照明LED路燈光源功率250W的照明器,兩側(cè)交錯(cuò)布置,燈桿的安裝高度12m,燈桿的安裝距離為25m時(shí)的平均照度計(jì)算結(jié)果,模擬計(jì)算照度分布表如圖4所示,單位為cd/m2。
從表2中可以在25m×25m的計(jì)算面積內(nèi)看到總共10列數(shù)據(jù),最小照度值為18lx,最大照度值為54lx,平均照度值為30lx,最小照度值/平均照度值為0.62,最小照度值/最大照度值為0.34,數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,均滿足我國道路照明的最低要求。
通過進(jìn)一步仿真分析,得到照度分布表,如圖4所示??梢杂^察到該道路中的照度值和均勻度均滿足要求,而且沒有黑斑的出現(xiàn),能達(dá)到均勻照明的目的。
仿真結(jié)果照度偽色圖,如圖5所示。
可以看出,雷士照明的此款燈具,無論平均照度還是均勻度均達(dá)到國家要求,根據(jù)其仿真計(jì)算結(jié)果分析,該道路照明方案滿足要求。綜合不同模型道路模型,進(jìn)行對比仿真結(jié)果分析,進(jìn)一步得到,LED道路照明效果的關(guān)鍵影響參數(shù):(1)照明器的安裝方式;(2)LED燈桿的安裝高度;(3)LED燈桿的安裝距離;(4)照明器光源功率;(5)照明器的配光曲線。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)安裝高度的越大,安裝距離越遠(yuǎn),LED光源功率越小,平均照度值也越小,而且均勻度下降。因此根據(jù)不同的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),可以得到不同的道路照度值,進(jìn)一步仿真分析得到最佳的道路照明方案。
3 結(jié)語
在LED路燈道路照明的教學(xué)環(huán)節(jié)中,通過DIALUX軟件對實(shí)際道路情況進(jìn)行仿真建模,學(xué)生通過親自動(dòng)手練習(xí),更好的掌握LED道路照明效果的關(guān)鍵影響參數(shù)。通過對仿真結(jié)果的分析,進(jìn)一步理解LED道路照明設(shè)計(jì)。同時(shí),對不同的參數(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真分析,根據(jù)平均照度值和均勻度等照明質(zhì)量指標(biāo),提出有效可行的LED道路照明解決方案。
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