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【论LED】LED道路照明灯具光度数据的现状分析 2012/9/4 18:13:47
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LED道路照明灯具光度数据的现状分析

Analyses of photometry data status of road lighting luminaries with LED

上海时代之光照明电器检测有限公司

Shanghai Alpha Lighting Equipment Testing Ltd.(SALT)

王  晔  陈超中  施晓红

Wang,Ye  Chen,Chaozhong & Shi,Xiaohong

摘要:LED具有安全、长寿命、高光效、可调光的优点,近年来对LED道路照明灯具的研究和产品开发已成为关注焦点。本文通过对符合道路照明的灯具配光的标杆性评价方法,以及对LED路灯测试数据的分析,揭示了评价LED路灯光度特性优劣的核心方法, 并用此方法对2007年至今的LED道路照明灯具的状况进行了分析。关键词:LED路灯 光输出 截光 配光 照度均匀度 亮度均匀度 

    LED道路照明灯具(以下简称“LED路灯”)是目前照明电器行业的一个热点,特别是近三年LED路灯产品数量增加了不少,检测数据也在发生变化,这些数据是评价LED路灯光度性能质量的基础。美国能源部(DOE)出版的SSL灯具符合能源之星的合格判据在评价LED路灯光度特性方面为我们提供了参考。    在对相关色温、色空间均匀度、显色指数等给出合判据之后,美国能源部于2008年8月对符合能源之星的A类灯(近期要求,B类灯为长期目标)提出了的补充要求,其中对户外安装的道路灯具的最小光输出、环带流明密度、与IESNA灯具光分布分类相关的光束均匀度、灯具能效提出了标杆要求。    本文以DOE对A类LED路灯补充要求为依据,根据2007年到2009年测量得到的100个LED路灯的测试结果,对我国LED路灯的光度数据现状和水平进行分析,为提高和改进我国的LED路灯的质量提供一些相关信息。

    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。本文的分析未涉及LED路灯的色度性能和光输出维持率。    本次研究的灯具参数均为初始值(新灯),未考虑寿命的影响。

    本文的数据来自我们在2007年至2009年所测得的100盏LED机动车道用、杆高8m及以上的悬臂式道路照明路灯具的光度学数据,对这些数据进行统计总结,不涉及任何具体厂家的信息。这些LED路灯所涉及的功率范围是50W-200W左右,功率分布见图1,样品产地覆盖的地区及数量分布见图2。    从图1和图2的LED可以看到,样本数据来自于我国的13省市,功率从50W到200W和一些200W以上的产品,从样本产地和功率的覆盖情况来看,这些样本数据对于反映LED路灯的产业情况具有一定的代表性。



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。路灯发出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和>9000等6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。




    -最小值2300lm:支路是次干路与居住区道路之间的连接道路,对于一个初始光通量2300lm的LED路灯,我们可以计算其用于双车道支路、而且要达到标准要求的支路照度8lx时所适宜的灯间距。计算过程如下:

    设:路宽为3.5m×2,维护系数为0.8,单侧布置,适宜的灯间距为D,则计算函数式为:

        达到8lx的路边被照面积和达到4lx的屋边的被照面积 = 初始光通量 × 维护系数

        8×D×(3.5+3.5)+4×D×(3.5+3.5)=2300×0.8  D≈22m。

        未达到道路照明所需的光通量最小值的被测灯具数量有9个。

    -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。

           落在这个区段的被测灯具数量有20个。

    -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。

           落在这个区段的被测灯具数量有9个。

    -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。

            落在这个区段的被测灯具数量有26个。

    -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。

            落在这个区段的被测灯具数量有11个。

    ->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。

            落在这个区段的灯具数量有25个。

    数据显示,总光通量水平在提高。2007年大部分LED路灯的总光通量处于支路水平而且,20%的LED路灯的光输出小于2300lm,不适用于机动车道的道路照明。2008年以后,适用于次干路和主干路的路灯比例逐渐提高,占到总数的92.2%。其中,达到主干路光通量水平的LED路灯占到了66.7%。2009年,光输出水平又有明显提高,达到主干路四车道以上的光通量水平的路灯占有了最高比例,达到34.7%,见图3。

2.与传统光源路灯比较

    就目前来讲,LED路灯的光通量可以达到小功率高压钠灯路灯的水平,但达不到照明质量较好的大功率高压钠灯或金属卤化物灯的水平。

    -100W高压钠灯路灯的光通量

    从小功率高压钠灯路灯光度性能状况来看,灯具效率一般处于65%~75%的水平,较好的可以达到75%80%。以8000lm 光通量的100W高压钠灯为例,其路灯的光输出有5200lm~6000lm,较好的可以达到6000lm~6400lm

    -250W400W高压钠灯路灯的光通量

    250W28000lm)或400W48000lm)高压钠灯的路灯的灯具效率一般在75%~85%之间,因此,250W高压钠灯路灯的光输出一般不低于21000lm400W高压钠灯路灯的光输出一般不低于36000lm

    -LED路灯的光通量水平

    目前,LED路灯的光输出最高达到10000lm左右。但是,由于LED光源的半空间发光直接照明路面的特点,使得LED路灯的光通量输出可以接近于150W高强度气体放电灯灯具水平。高强度气体放电灯的发光于整个空间,使用反射器可以将上半空间的光线反射到下半空间内,但反射器对光线的吸收作用,以及光线反射时受到光源自身的遮挡或反射器对光线二次反射的再吸收,光源的一部分光线损失了。

    灯具效率是反映光源光线损失程度的参数。LED光源在这方面是具有优势的,LED的发光只存在于半个空间,在不用灯具的情况下,也能将光线近乎100%投射到路面。对灯具需要设计的是在较小的角度范围内改变光线的投射方向,在这个过程中,也有反射(如用反射器的话)或透射(如用透镜的话)的光损失,如处理得好光的损失可能比传统灯具小一点。目前,LED路灯的光通量最高达到了10000lm左右,在配光形状好的情况下,灯具的照明效率会比较高,可以达到或接近高压钠灯路灯的照明效果。

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。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

     表2和图6是被测灯具纵向配光情况的统计。




1)灯杆间距与纵向光分布的关系

    纵向光分布是以最大光强的投射角度进行分类的,纵向投射角度不同的路灯,能够照亮的路面长度就不一样,如果沿道路纵向光线投射角度小的灯具,照亮的路面长度就比较短。

    当灯具沿道路纵向光线投射角度增大时,灯杆的间距增大,单位道路面积的灯功率就相应减小,光束投射的远或近是路灯节能水平的重要因素之一。

2)检测数据表明大部分LED路灯是近投射配光

    分析LED路灯测试数据发现,大部分投射距离很近。从表2可以看出,大部分灯具处于3种纵向分布之外的近投射区域,近投射配光需要的杆距很小,不适于用作机动车道路照明。

    从2007年至2009年的数据看出,短投射灯具的比例有所增加。2007年至2008年灯具光束的投射角度没有提高。直到2009年的近期,出现了中投射型的LED路灯。

3)与传统光源路灯的比较

    高压钠灯路灯纵向配光情况的分析表明,高压钠灯路灯中比较好的配光形式可以达到中投射水平,更好的可以达到长投射水平。与传统高压钠灯路灯相比,大多数LED路灯的投射距离偏近。主要原因是许多LED路灯的生产厂家还缺乏对路灯配光特性的认识,产品的设计不够合理。

2.被测灯具沿道路的横向光分布的情况

    表3和图7是横向配光的情况。



图7道路横向的配光类型统计

1)车道数与横向配光

    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

    从2007年至2009年的数据来看,LED路灯的配光大多属于窄配光,仅有30%左右的路灯达到了I类或II类的水平。其中,2008年至2009年的I类横向配光比例有所提高,从14.6%增加至34.7%。

3C-90°和C-270°的配光对称性问题

    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,所以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,在光度学上表达为C-90°和C-270°的光通量。测量得到的灯具配光图中C-90°平面和C-270°的配光曲线不能简单得处理成对称形式,否则,将产生灯具光通量分配不合理、利用系数不高的问题,降低灯具的照明效率。

    在对LED路灯的测试结果中发现,70%的灯具C-90°和C-270°的配光对称性存在问题,30%基本合理,具体情况如下:

1C-90°和C-270°配光属于非对称配光,且其最大光强投向路边区域

这类灯具的光通量利用率高,LPD有可能降到最佳值。配光图例见图8。




2C-90°和C-270°的配光属于对称性配光

    有较多的配光形式只是将室内灯设计照搬过来,没有考虑路灯的特点。经过统计,目前,照明质量不合理的路灯中C- 90°和C-270°平面配光属于对称型的占60%,只适合路灯装在路中央或必须仰角很大的路边安装条件。配光图例见图9。



3C-90°和C-270°配光属于非对称配光,但其最大光强投向屋边区域

    如果路边区域和屋边区域搞反了,最大光强投向了屋边区域,照明质量将更劣于C-90°和C-270°对称形式的配光。这种情形在LED路灯中不在少数,大约有10%的路灯的最大光强投射方向在屋边区域(C-270º至C-360º域限内)。配光图例见图10。



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。

    a.数据分析

    表4和图11是测得的道路灯具的最大光强的γ角位置的数据。



b. 最大光强投射角度与均匀度的关系

    光线不均匀的照射,路面看起来会一片亮一片暗,障碍物与路面背景间缺乏对比度,使驾驶员观察路面上障碍物的能力降低,看不清路面上及周围的移动物体。

    要得到路面上均匀的照明效果,光束中最大光强的投射角度非常重要,路灯下方的光强 应是最小的,随着仰角γ增大,所在γ角的光强I′应增大, I′满足  的函数关系,当光强接近这种函数关系时,路面才能得到均匀的照明效果。当最大光强在垂直面内的投射角度达到55º-65º时,可以达到照度均匀度的要求。

    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。路面的亮度和观察角度有关,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。

c.LED路灯最大光强所在角的数据分析

比较2009年前和2009年后的测试数据(见表4)表明,国内的LED路灯最大光强所在的 γ角偏小,达到等照度配光角度要求的55º-65º的数量只占16%。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,2007年达到55º-65º的只占10%,2008年只占4.9%。2009年则快速提高到了22.4%,另有4%达到了等亮度配光的65º-75º。而0º-55º的灯具从2007年的90.0%、2008年的95.1%降到了2009年的73.5%。

2. 灯下点附近25º范围内的光强和最大光强的比值

a. 的含义






b.数据分析

表5和图15是的测试结果的统计数据。




 


    分析LED路灯 的检测数据可以发现, =0.5~1.0之间的路灯占有较大的比例。此类路灯的灯下点将有明显较亮的光斑,然后沿道路方向迅速减小。

    2009年的检测数据表明, 在0.35-0.5之间的路灯比例比前两年有所提高,此类配光形式由于光强的变化不够大,会造成三种情况:

-每盏路灯的照射面积较小;

-灯下点较亮,灯下点周围较暗。其配光例子见图13(a)和图13(b)。

     >0.35时,照明的均匀度都会存在类似上述的问题。虽然,到目前为止, >0.35的路灯比例占绝大多数,但<0.35的比例在不断提高。

-为得到均匀的照明效果,势必要升高路面上的LPD。

四、截光水平

1.截光水平的相关概念

    路灯的光线亮度可以达到几千万cd/m2,光线的照射方向控制不好,会让驾驶员感受到眩光,容易引起视觉疲劳。眩光的程度强烈时,会影响驾驶员观察路况。眩光的产生,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。

2.80°-90°的环带光通

    控制80°-90°的环带光通是控制路灯眩光的重要途径,DOE给出的标杆是80°-90°的灯具光通量不超过总光通量的10%。检测数据表明,LED路灯的80°-90°环带光通的控制水平良好。

统计样本的检测数据表明,LED路灯垂直面上80°-90°的光通量的比例全部低于总光通的10%。表6是80°-90°环带光通测试结果的统计数据。




                                                      


3.80°-90°的光强

    造成灯具眩光的另一个重要因素是80°-90°的光强太大。DOE给出的标杆是80°-90°的光强不超过最大光强的5%。

100个样本的检测统计数据表明,40个灯具满足 / ≤5%。表7和图17是80°-90°光强测试结果的统计数据。



4.LED路灯80°-90°环带光通的控制水平与高压钠灯路灯的比较

    路灯一直存在的难题是照明效率和截光存在矛盾:最大光强的γ角位置控制在65º-75 º时,有利于提高路灯的光束均匀度,但给80°-90°的截光控制带来了难度。

    高压钠灯光源等传统光源全空间发光特性决定了通过反射器控制光线的路灯难以做到两全其美,光束均匀度好的路灯往往会有明显的眩光。而LED光源的半空间发光特性让路灯设计师能轻松地把握这两方面的控制。虽然,80°-90°内的光强还存在大于5%最大光强的情况,但比起高压钠灯路灯的情况改善很多。

五、灯具能效

1.灯具能效的概念

    灯具能效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。表8中的50 lm/W相当于传统的150W及以下高压钠灯灯具在假设照明利用系数为0.7和灯具效率为0.7时的灯具能效,它是LED路灯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

    样本的检测数据显示,2007年LED路灯的能效均低于50lm/W。2008年后,LED路灯的能效水平明显提高,2008年36.6%的LED路灯能效达到50lm/W,有明显提高,2009年则有77.6%的LED路灯能效超过50lm/W。表8是灯具能效的数据统计。



b.与传统路灯的比较

    传统高压钠灯路灯的能效仍旧占据着优势。150W高压钠灯路灯的能效一般可以达到70lm/W,250W和400W高压钠灯路灯的能效可以达到75 lm/W -80lm/W。但LED路灯发展的步伐非常快,数据反映,2009年已有24.5%的LED路灯的能效超过70lm/W。

六、达到LED路灯标杆要求的案例

    从检测得到的数据来看,达到上述光度性能指标的LED路灯有两款,其中一款灯的配光图见图19

有几例LED路灯仅截光未达标。这种路灯可以通过使用适宜高度的灯杆或灯具倾斜角度来控制截光水平。其中一例见图20




结束语

    LED灯具用于道路照明已经走过了几年的历程,以上数据分析表明,LED路灯的光度特性具有迅速改善的趋势,LED路灯寿命特性、色度特性等方面的继续研究将有助于我们对LED路灯的性能指标进行综合的评价。

    LED灯具的质量的总要求是达到安全要求的基础上有良好的性能特性,检测发现有些LED具有良好的光度特性,但其机械结构不具有良好的防水性能,达不到安全标准规定的IPX3的要求,当我们聚焦LED路灯性能特性的同时,不能忽视其安全特性。

    期待有更多好的LED路灯在道路照明上得到良好的应用。

参考文献

[1] “道路照明标准比较及其对灯具配光的要求”,作者:章海骢

[2] LED 路灯发展现状分析”,作者:  

[3] “国家标准《道路和街路照明灯具性能要求》主要内容介绍,作者:施晓红。

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