LED路燈室外照明特性與室內(nèi)模擬關(guān)系研究

李景照, 闞子雄, 陳振強, 朱思祁， 任 豪, 王巧彬

(1. 順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 廣東 佛山 528300;2. 暨南大學(xué) 光電工程研究所, 廣東 廣州 510632; 3. 廣州市光機電技術(shù)研究院, 廣東 廣州 510632)

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LED路燈室外照明特性與室內(nèi)模擬關(guān)系研究

李景照1,2*, 闞子雄2, 陳振強2, 朱思祁2， 任 豪3, 王巧彬3

(1. 順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 廣東 佛山 528300;2. 暨南大學(xué) 光電工程研究所, 廣東 廣州 510632; 3. 廣州市光機電技術(shù)研究院, 廣東 廣州 510632)

為了檢驗軟件模擬道路照明特性的可行性，從幾種不同配光曲線的LED路燈的仿真結(jié)果出發(fā)，按照規(guī)范的方法實測了它們的路面照度。比較發(fā)現(xiàn)，同一路面上各點的照度與仿真值之間有著相同的比值。進一步計算發(fā)現(xiàn)，兩者的照度均勻度相等。這表明仿真軟件能比較準確地反映路燈的路面照明效果。另外，還研究了路燈的光衰性能，發(fā)現(xiàn)散熱性能好的燈具光衰更慢，壽命更長。

LED路燈； 道路照明； 照度均勻度； 光衰性能

1 引 言

路燈的照明光效和照明均勻性始終是道路照明領(lǐng)域的研究重點[1-2]。在經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、水銀燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、冷陰極熒光燈等發(fā)展過程之后[3]，LED燈具因其高效節(jié)能、抗震耐用、啟動性能好、無頻閃、色溫范圍寬等優(yōu)點而逐步受到道路建設(shè)部門的重視[4]。但是，LED燈具應(yīng)用于城市道路照明方面存在著發(fā)光效率低于高壓鈉燈、散熱性能差、亮度不均勻、行業(yè)標準體系不完善等問題[5-9]。封裝工藝、芯片質(zhì)量、電源驅(qū)動設(shè)計、散熱設(shè)計及二次光學(xué)設(shè)計等因素[10-11]導(dǎo)致了LED路燈性能不統(tǒng)一，產(chǎn)品存在差異，進而影響了燈具配光曲線的統(tǒng)一性，加大了道路照明設(shè)計的困難[12-13]。

為了解決上述難題，我們之前已經(jīng)進行了相關(guān)的理論研究[14]，利用Dialux[15]軟件模擬了幾種實際的LED燈具在道路上的照明情況。對比發(fā)現(xiàn)，燈具的配光曲線決定著道路照明的均勻性。為了驗證仿真結(jié)果是否符合實際的道路照明情況，本文給出了可行的測量方案，并對幾種LED路燈進行了現(xiàn)場測量。通過仿真結(jié)果與現(xiàn)場照度數(shù)據(jù)的比較，分析了模擬結(jié)果與實際數(shù)據(jù)的差異及其原因，證明了軟件仿真的準確性和可行性。另外，還研究了路燈的光衰性能及其影響因素，為路燈的選取提供依據(jù)。

2 路面照明的Dialux仿真

不同廠家的LED燈具因不同的光學(xué)設(shè)計而具有不同的配光曲線，在道路上的照明效果也就不一樣。2012年，我們用Dialux軟件成功模擬了4個不同廠家LED燈的道路照明效果[14]，得到圖1所示的道路照明效果圖和圖2的路面照度分布數(shù)據(jù)。

3 照度的現(xiàn)場測量

上述模擬結(jié)果對應(yīng)的是廣州市開發(fā)區(qū)連云路LED示范道路，全程2.5 km，寬14 m，雙向4車道，是一條城市次干路。按照城市道路照明設(shè)計標準[16]分路段安裝了4種廠家的LED路燈，道路單側(cè)布燈，燈桿間距30 m，高度10 m，臂長1.5 m(伸出路面部分約0.9 m)，安裝仰角約10°，且每個廠家的路燈各選擇5盞，沿著道路連續(xù)安裝。道路兩側(cè)沒有樹木遮擋，以保證照明效果不受客觀因素影響。為了檢驗仿真的準確性，需先獲得道路的現(xiàn)場照明數(shù)據(jù)。測量現(xiàn)場照明數(shù)據(jù)的基本流程是制定測量方案、封路、布點、測試、記錄整理。

測量采用車道中心線布點法，如圖3所示。在相隔30 m的兩路燈間，測試點均勻分布在4條車道的中心線上，每條中心線有10個測試點，測量前臨時封閉測試路段，根據(jù)照明測量方法[17]中有關(guān)現(xiàn)場布點的規(guī)定對路面進行噴漆描點。

用數(shù)字照度計逐一測量并記錄各測試點的照度，整理數(shù)據(jù)得到4張表(表1～4)，分別對應(yīng)4個廠家的LED路燈。將每張表的照度數(shù)據(jù)作平均，求得路面平均照度值，再用表中最小的照度值除以平均照度值，便可得到照度均勻度[18]。這是表征路面照明效果的物理量[19]。

為了了解照度隨使用時間的衰減情況，多次測量同一測試點在不同時間的照度值，最終得到4種路燈隨時間的光衰數(shù)據(jù)，如表5所示。

表1 A廠LED燈的路面照度測量值

表2 B廠LED燈的路面照度測量值

表3 C廠LED燈的路面照度測量值

表4 D廠LED燈的路面照度測量值

表5 各廠家LED的光衰數(shù)據(jù)

4 結(jié)果分析

把上面4種LED路燈的仿真數(shù)據(jù)(圖2)和實測數(shù)據(jù)(表1～4)中的平均照度與照度均勻度列成表6，可見，實測的平均照度均大于模擬值，而兩者的照度均勻度則很接近。計算實測值與模擬值的比值，會發(fā)現(xiàn)各廠家的實測平均照度均為模擬的1.25倍左右。這是因為在仿真軟件中有一個光損耗系數(shù)用于表示灰塵、溫度、濕度等因素引起的光強衰減，本仿真取0.8，即仿真照度值=實際照度×0.8，所以實際照度/仿真照度=1.25。然而實際上，道路環(huán)境引起的光損耗會隨時間、天氣、粉塵等因素而變化，很難保證仿真中的光損耗系數(shù)與實際一致。但相同路段同一時間的不同測試點的光損耗是相等的，因此路面上各點的照度值與模擬值之間存在相同的比例系數(shù)。

表6中另外一個參數(shù)——照度均勻度，其實測值與模擬值很接近，比值約為1。這是因為照度均勻度是路面上最小的照度值除以平均照度值，兩個照度相除抵消了相同的光損耗系數(shù)，因此實測的照度均勻度與模擬的基本一致。以上分析說明通過照明設(shè)計軟件Dialux能夠模擬燈具道路的現(xiàn)場照明效果，證實了軟件模擬現(xiàn)場照明的可行性，為路燈的設(shè)計和安裝提供了便捷的方法。

表6 測量值與模擬結(jié)果的對比

對表5的光衰數(shù)據(jù)做進一步處理，以第1次照度值為基準，把每次照度值寫成百分比，最后畫出圖4所示的各廠家LED隨時間的光衰曲線?？梢?，不同的LED燈具有著不一樣的光衰曲線，衰減速度有快有慢。理論上，光衰速度與散熱設(shè)計有關(guān)，散熱性能越好，光衰速度越慢，壽命越長。圖中B廠和D廠的LED燈的光衰速度最慢，這是因為它們均為由多顆LED組成的大功率路燈，多顆LED比單顆集成具有更大的散熱面積，散熱性能更好，燈光的衰減自然就更慢。

5 結(jié) 論

本文從不同廠家路燈的Dialux仿真出發(fā)，根據(jù)規(guī)范的道路照明測量方法，實測了它們的現(xiàn)場照度數(shù)據(jù)。通過比較發(fā)現(xiàn)，由于同一路段上不同點的光損耗系數(shù)相等，仿真結(jié)果與實測照度之間存在著相同的比值，因此用照度最小值除以平均值得到的照度均勻度在仿真時的結(jié)果等于路面實測值。這證明了Dialux模擬的準確性，說明了軟件仿真優(yōu)化路燈設(shè)計方案的可行性。另外，研究了幾種LED燈的光衰性能，發(fā)現(xiàn)光衰速度與散熱設(shè)計有關(guān)，散熱面積大的多顆LED比集成單芯型LED具有更好的散熱性能，光衰更慢，壽命更長。

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李景照(1983-)，男，廣東佛山人，碩士，講師，2009年于暨南大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事LED設(shè)計和固體激光器的研究。

E-mail: ljzhemail@163.com

Relationship Between Indoor Simulation and Outdoor Illumination Properties of LED Road Luminaries

LI Jing-zhao1,2*, KAN Zi-xiong2, CHEN Zhen-qiang2, ZHU Si-qi2, REN Hao3, WANG Qiao-bin3

(1.CollegeofElectronicsandInformationEngineering,ShundePolytechnic,Foshan528300,China;2.InstituteofOptoelectronicEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China;3.GuangzhouResearchInstituteofO-M-ETechnology,Guangzhou510632,China)

In order to verify the feasibility of the software simulation on road lighting characteristics, the road illuminations of several kinds of LED street lamps with different light distribution curve were measured, according to their simulation results and standard methods. By comparison, it is found that the ratios of actual illumination to simulation value are equal for different test points on the same road. Further calculations indicate that the both illuminance uniformity are the same. These results show that simulation software can accurately reflect the road lighting conditions. Besides, the luminous decay performance of the road lamps was also studied. The results show that the lamps with better heat dissipation performance decay more slowly and work longer.

LED street lamps; road illumination; illuminance uniformity; luminous decay performance

1000-7032(2016)11-1422-06

2016-05-05；

2016-07-20

廣東省新型特色研究院建設(shè)項目(2014B090903014)； 佛山市科技創(chuàng)新專項資金(2013AG100063)資助項目

TN312.8

A

10.3788/fgxb20163711.1422

*CorrespondingAuthor,E-mail:ljzhemail@163.com