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【论LED】LED道路照明灯具光度数据的现状分析(续篇) 2012/9/7 17:28:23
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LED道路照明灯具光度数据的现状分析(续篇)

王    陈超中  施晓红

(国家灯具质量监督检验中心 国家电光源质量监督检验中心(上海)

上海时代之光照明电器检测有限公司,上海 200233)

摘  要文章通过2009年下半年100个LED路灯与之前100个LED路灯测试数据的比较和分析,给出LED道路照明灯具配光质量的最新动态信息,评价最近三年LED路灯在配光方面取得的进步和存在的缺陷。

关键词LED 路灯;光输出;截光;配光;照度均匀度;亮度均匀度

    本文对2009年下半年的100个LED路灯的光性能质量进行持续性的统计分析,是2009年度中期 “LED道路照明灯具光度数据的现状分析”的续篇。这些数据是评价LED路灯光度性能质量现状和发展的基础。希望能用发展的角度去看待LED路灯的现有水平,为提高和改进我国的LED路灯的质量提供一些相关信息,为各级道路设施管理部门的规划提供客观的参考数据。统计工作的总结已表明,对LED路灯进行持续性的数据总结是非常必要的。从出现LED路灯到目前为止仅3年时间,虽然LED路灯在各方面的进步非常快,但比较已使用半个世纪的高压钠灯和金属卤化物灯来说,LED路灯应该经受更长时间的考验,不断改善质量,才能逐渐被照明行业认可。本文的数据归类统计的方法仍使用美国能源部(DOE)出版的SSL灯具符合能源之星的合格判据。

    本文的分析涉及LED路灯的度学性能,包括灯具的光输出、沿道路的纵向光分布、沿道路横向光分布C-90°和C-270°的配光对称性、光束均匀度和截光水平,同时还分析了灯具的能效。本文未涉及LED路灯的色度性能和光输出维持率。

    本文的数据来自我们在2007年至2009年年底所测得的200个功率在50W-200W左右、机动车道用、杆高8m及以上的悬臂式LED道路照明路灯具的光度学数据,这些LED路灯所涉及的功率分布见图1。图1将LED路灯的功率由高至低分成四档,其中除了100W~150W的灯具比例在提高,其它三档都在持续降低,到目前为止,这个功率范围的路灯已占有最高比例。

    本次统计增加了来自深圳、辽宁和芬兰的路灯,这些样本数据对于反映LED路灯的情况具有代表性,样本产地覆盖的地区及数量分布见图2。



一、 被测灯具的光输出

    光输出也称光通量,研究LED的光通量是为了分析目前LED灯具光输出能力,并根据道路照明国家标准规定的照明标准值,对相关LED路灯光输出值所适用的道路条件进行预测。

1.检测数据的说明

    城市中的机动车道路分为快速路或主干路、次干路和支干路。路灯的光通量是保证路面达到道路照明标准要求的照度水平的基本条件。

    根据国家标准对各类道路照明水平的要求,我们将LED路灯的光输出(单位lm)分为<2300、2300-4000、4000-5000、5000-7500、7500-9000、9000-10500、10500-1200012000-1350013500-15000和>15000

10个区段,检测结果给出的落在各个区段的LED路灯的数量及其统计见表1和图3,要说明的是光通量最小值2300lm也参考了DOE给出的LED路灯光通量的最小值。



    -
2300-4000lm:次干路是城市中与主干路结合组成路网、起集散交通作用的道路,其照度要求达到10lx。满足次干路二车道至三车道的照明水平,灯具的初始光通量应达到2300-4000lm。-最小值2300lm:支路是次干路与居住区道路之间的连接道路.满足双车道支路的照明水平,灯具的初始光通量应达到2300lm。

    -4000-5000lm:满足次干路四车道的照明水平,灯具的初始光通量应达到4000-5000lm。

    -5000-7500lm:主干路是连接城市各主要分区的干路,采取机动车与非机动车分隔形式。机动车在主干路上的行驶速度比次干路快,照明水平比次干路高,其照度要求达到20lx。满足主干路二车道的照明水平,灯具的初始光通量应达到5000-7500lm。

    -7500-9000lm:满足主干路三车道的照明水平,灯具的初始光通量应达到5000-7500lm。

    ->9000lm:达到主干路四车道的照明水平,灯具的初始光通量应达到9000lm以上。以照度达到30lx计,路灯单侧布置时,灯间距为12m[30×D×(2×3.5+2×3.5)+15×D×(5+5)=9000×0.8],以双侧对称布置时,灯间距为24m。以此类推,大于10500lm的光通水平达到五车道的照明需求,大于12000lm的光通水平达到六车道的照明需求。

    根据2009年下半年的数据统计的需要,又增加四个光通量水平的统计类别,它们是:10500-12000lm、12000-13500lm、13500-15000 lm、>15000 lm。在这增加的光通量范围内,灯具占有的比例总共达到13%,这些LED路灯的光通量水平已能达到六车道甚至八车道的需求。

    从2007年至2009年总的趋势来看,小于5000lm的路灯比例在不断减少,从2007年占有80%,2008年占46.3%,2009年上半年22.4%,至2009年下半年下降至16%,下降速率约50%。

    5000-7500lm是满足主干路两车道照明需求的最低光通量,目前处于这个光通量区域的灯具比例在不断提高,达到最高比例34%。

二、 被测灯具的光分布情况

    按IES对灯具光度分布的分类方法,路灯的纵向光分布可按短投射配光、中投射配光或长投射配光分类,沿道路的横向配光的分类的方法是以50%最大光强的曲线覆盖区域的位置进行的,沿道路横跨线,将道路表面分割成四个纵向宽度,即I类、II类、III类和IV类。图4是各种光分布灯具用于车行道的示意图,图5是一个Ⅲ类-中投射灯具的在半空间和道路上的等光强图例。



    LED路灯的光分布应按照IESNA的分类方法。

1.被测灯具纵向光分布的情况

    图6和表2是被测灯具纵向配光情况的统计。

    延续了2008年至2009年上半年的趋势,2009年下半年短投射的比例又有所提高,近投射的比例再次出现降低。但总的来说,近投射的路灯仍超过一半,它们不适于用作道路照明。数据反映中投射路灯的数量太低,检测样本中暂无长投射路灯。

2.被测灯具沿道路的横向光分布的情况

 图7和表3是横向配光的情况。





(1)车道数与横向配光

    道路照明灯具的横向配光决定了灯具适用的车道数。

    -光束照亮I类纵向宽度,路灯可以用于2车道;

    -道路灯的光束照亮II类纵向宽度,路灯可以用于4车道;

    -道路灯的光束照亮III类纵向宽度,路灯可以用于6车道;

    -宽过III类宽度的是第IV类,路灯可用于超过6车道。

    应按车道的数量配用适宜的横向配光类型的路灯,如某一II类横向配光的路灯的正确应用是4车道,那么如果错误的用于2车道,就会有较大比例的光通量照射到道路以外的区域,光通量的利用率降低,LPD值会受到影响。

(2)目前LED路灯的横向配光情况

    2009年下半年较2009年上半年,窄配光的比例再次降低,比例值减少4%,II型配光的比例提高4.8%。另人欣喜的是出现了达到III型配光水平的路灯。但是,窄配光的路灯仍然占有半数以上,这些路灯的照明质量难以满足要求。

3.C-90°和C-270°的配光对称性

    道路的纵向延伸特性,以及路边区域和屋边区域的不同照明需求,使得路灯应具有特殊的配光形式。满足道路被照亮的同时、道路边界线旁的屋边也适当照亮的要求,体现在道路照明标准中的SR值。

    路边需要的光通量多,而屋边需要的少,所以路灯在满足上述光度特性以外,还应合理分配路边和屋边的光通量,即C-90°和C-270°的光通量。测量得到的灯具配光图中C-90°和C-270°平面的配光曲线不能简单得处理成对称形式,否则,将造成灯具光通量分配不合理、利用系数不高,从而降低灯具的照明效率。

    至2009年下半年,非对称的配光比例与上半年比较有提高,保持着持续上升的势头,如图8所示。2009年下半年非对称占有43.4%,且最大光强全部投向路边,但对称型配光仍然超过一半。对称型配光适用于悬吊在道路中间的路灯,而且需要相应的安装结构,对于灯杆式路灯来说,这种配光是不合理的,造成光通量的浪费,如果通过提高仰角来改善路边、屋边的光通比,也会因此增加眩光的程度。

三、光束均匀度

1.最大光强的γ

最大光强的γ角位置与道路照明的均匀度有关,包括照度均匀度和亮度均匀度。DOE给出的标杆是最大光强处于55º-65º区域内。

与路面照度相比,路面亮度均匀度能对驾驶员观察结果产生更客观的影响。路面亮度与观察角度有关,还与路面材料有关,当最大光强在垂直面内的投射角度达到65º-75º时,路面的亮度均匀度可达到比较高的水平。

图9和表4是测得的道路灯具最大光强所在γ角位置的数据。

    数据分析(见表4)表明,国内的LED路灯最大光强所在的角偏小,达到等照度配光要求,最大光强所在的γ角位于55º-75º的数量只占23.5%。特别是在2009年以前,LED路灯中绝大多数的最大光强投射角度都比较小。几年的数据表明达到55º-65º的比例在逐步上升,2007年和2008年只占10.0%和4.9%。2009年上半年则快速提高到了22.4%,2009年下半年,最大光强γ角的数据又有提高,55º-65º、65º-75º水平的路灯两者比例之和由2009年上半年的26.5%提高至31%。最大光强γ角较低的路灯比例由2009年上半年的73.5%降低至69%,仍占有较大比例。但就从这一类γ角较低的路灯里去分析,也能看到数据是在进步的。比如,其中45º-55º路灯的比例增加了6.6%,而0º-45º的比例是在降低的。


由于光强的变化不够大,此类配光形式会导致下述情况:

    -每个路灯的照射面积较小;

    -灯下点较亮,灯下点周围较暗。

    -为得到均匀的照明效果,将导致LPD值的升高。

四、截光水平

1.截光水平的相关概念

眩光来源于路灯直接射入眼睛的光线。为了改善眩光对视觉的不良影响,要求道路照明灯具具有截光控制措施。从驾驶员的观察位置和观察方向分析,路灯垂直面上80°-90°的光输出会直接射入眼睛造成眩光,所以应将这个区域的光通量限制在10%以内。

2.80°-90°的环带光通

3.80°-90°的光强

五、灯具能效

1.灯具能效的概念

     灯具能效(EOL)是指在灯具的声称使用条件下,灯具发出的总光通量与其所消耗的电功率之比。假设传统150W及以下高压钠灯灯具的照明利用系数为0.7、灯具效率为0.7时,灯具能效约为50 lm/W,DOE提出LED路灯的EOL应不小于50lm/W,它是LED路灯能与传统光源路灯比较的门槛。

2.检测数据分析

a.LED灯具的能效水平正在提高

     从2007年至2009年下半年,低光效的路灯比例在不断地下降,到目前为止,EOL<40和40≤EOL<50的路灯比例已降低至4%和17%,如图13和表8所示。2009年下半年的数据显示,60≤EOL<70的路灯比例由16.3%提高至27%。另有2%的LED路灯光效超过了80lm/W。




六、总结

    在2009年下半年的100个LED路灯中,有一个LED路灯满足了上述路灯的所有要求。此路灯的功率是84.1W,光通量达到5500lm,配光类型属于短投射、I类,光效达到65.5lm/W,配光图见图14。

    在之前统计的100个LED路灯中,达到上述光度性能指标的LED路灯有两个。比起上一次统计结果,2009年下半年的合格数没有提高,反而是降低的。


    2009年下半年,虽然大多数路灯的质量参数在不断提高,却很少有路灯能符合所有的路灯配光要求。有许多有潜力的灯具都只有一项未符合要求。从下半年的数据分析,有三种情况造成某项参数的不符合:

    其一,在垂直角度0°-25°的区域内光通量比较高,的值达到0.5-1.0的比例占有87%。有一些路灯的最大光强γ角、截光水平、光效和纵向、横向配光类型都符合要求,却忽略灯下点附近光通量的控制。

    其二,最大光强γ角在不断提高的同时,给80°-90°区域内的光强控制增加了难度。一些不合格路灯的情况是靠近80°位置的光强值超出了截光水平。

    其三,C-90°(路边)和C-270°(屋边)对称的配光占有较大的比例。有不少路灯的纵向、横向配光类型可以达到要求,最大光强γ角和照明均匀度的指标也都能达到要求。却将配光简单地设计成

C-90°和C-270°对称形式,没有考虑路灯的特殊照明要求。

    总之,在2007年至2009年检测的200个LED路灯中,共有3个LED路灯能够满足上述的全部要求,合格率仅为1.5%。所测的LED路灯质量离DOE的标杆要求相差甚远,有待大大地提高。


参考文献

[1] LED 道路照明灯具光度数据的现状分析,作者:王  陈超中 施晓红;

[2] GB/T 24827-2009道路和街路照明灯具性能要求。

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