李景照, 闞子雄, 陳振強(qiáng), 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(jī)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(qiáng)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(jī)電技術(shù)研究院, 廣東 廣州 510632)

為了檢驗(yàn)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(shí)測(cè)了它們的路面照度。比較發(fā)現(xiàn)，同一路面上各點(diǎn)的照度與仿真值之間有著相同的比值。進(jìn)一步計(jì)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(zhǔn)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(zhǎng)。

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(diǎn)[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(guò)程之后[3]，LED燈具因其高效節(jié)能、抗震耐用、啟動(dòng)性能好、無(wú)頻閃、色溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)而逐步受到道路建設(shè)部門(mén)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(biāo)準(zhǔn)體系不完善等問(wèn)題[5-9]。封裝工藝、芯片質(zhì)量、電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)及二次光學(xué)設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)的困難[12-13]。

為了解決上述難題，我們之前已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的理論研究[14]，利用Dialux[15]軟件模擬了幾種實(shí)際的LED燈具在道路上的照明情況。對(duì)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(yàn)證仿真結(jié)果是否符合實(shí)際的道路照明情況，本文給出了可行的測(cè)量方案，并對(duì)幾種LED路燈進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。通過(guò)仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)照度數(shù)據(jù)的比較，分析了模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的差異及其原因，證明了軟件仿真的準(zhǔn)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(jì)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(gè)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(chǎng)測(cè)量

上述模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)的是廣州市開(kāi)發(fā)區(qū)連云路LED示范道路，全程2.5 km，寬14 m，雙向4車(chē)道，是一條城市次干路。按照城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[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(zhǎng)1.5 m(伸出路面部分約0.9 m)，安裝仰角約10°，且每個(gè)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(méi)有樹(shù)木遮擋，以保證照明效果不受客觀因素影響。為了檢驗(yàn)仿真的準(zhǔn)確性，需先獲得道路的現(xiàn)場(chǎng)照明數(shù)據(jù)。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)照明數(shù)據(jù)的基本流程是制定測(cè)量方案、封路、布點(diǎn)、測(cè)試、記錄整理。

測(cè)量采用車(chē)道中心線布點(diǎn)法，如圖3所示。在相隔30 m的兩路燈間，測(cè)試點(diǎn)均勻分布在4條車(chē)道的中心線上，每條中心線有10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量前臨時(shí)封閉測(cè)試路段，根據(jù)照明測(cè)量方法[17]中有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)的規(guī)定對(duì)路面進(jìn)行噴漆描點(diǎn)。

用數(shù)字照度計(jì)逐一測(cè)量并記錄各測(cè)試點(diǎn)的照度，整理數(shù)據(jù)得到4張表(表1～4)，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)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(shí)間的衰減情況，多次測(cè)量同一測(cè)試點(diǎn)在不同時(shí)間的照度值，最終得到4種路燈隨時(shí)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(cè)量值

表2 B廠LED燈的路面照度測(cè)量值

表3 C廠LED燈的路面照度測(cè)量值

表4 D廠LED燈的路面照度測(cè)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(shí)測(cè)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(jiàn)，實(shí)測(cè)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(jì)算實(shí)測(cè)值與模擬值的比值，會(huì)發(fā)現(xiàn)各廠家的實(shí)測(cè)平均照度均為模擬的1.25倍左右。這是因?yàn)樵诜抡孳浖杏幸粋€(gè)光損耗系數(shù)用于表示灰塵、溫度、濕度等因素引起的光強(qiáng)衰減，本仿真取0.8，即仿真照度值=實(shí)際照度×0.8，所以實(shí)際照度/仿真照度=1.25。然而實(shí)際上，道路環(huán)境引起的光損耗會(huì)隨時(shí)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(shí)際一致。但相同路段同一時(shí)間的不同測(cè)試點(diǎn)的光損耗是相等的，因此路面上各點(diǎn)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(gè)參數(shù)——照度均勻度，其實(shí)測(cè)值與模擬值很接近，比值約為1。這是因?yàn)檎斩染鶆蚨仁锹访嫔献钚〉恼斩戎党云骄斩戎?，兩個(gè)照度相除抵消了相同的光損耗系數(shù)，因此實(shí)測(cè)的照度均勻度與模擬的基本一致。以上分析說(shuō)明通過(guò)照明設(shè)計(jì)軟件Dialux能夠模擬燈具道路的現(xiàn)場(chǎng)照明效果，證實(shí)了軟件模擬現(xiàn)場(chǎng)照明的可行性，為路燈的設(shè)計(jì)和安裝提供了便捷的方法。

表6 測(cè)量值與模擬結(jié)果的對(duì)比

對(duì)表5的光衰數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，以第1次照度值為基準(zhǔn)，把每次照度值寫(xiě)成百分比，最后畫(huà)出圖4所示的各廠家LED隨時(shí)間的光衰曲線。可見(jiàn)，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(jì)有關(guān)，散熱性能越好，光衰速度越慢，壽命越長(zhǎng)。圖中B廠和D廠的LED燈的光衰速度最慢，這是因?yàn)樗鼈兙鶠橛啥囝wLED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(cè)量方法，實(shí)測(cè)了它們的現(xiàn)場(chǎng)照度數(shù)據(jù)。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，由于同一路段上不同點(diǎn)的光損耗系數(shù)相等，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)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(shí)的結(jié)果等于路面實(shí)測(cè)值。這證明了Dialux模擬的準(zhǔn)確性，說(shuō)明了軟件仿真優(yōu)化路燈設(shè)計(jì)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(jì)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(zhǎng)。

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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(jì)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(xiàng)目(2014B090903014)； 佛山市科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金(2013AG100063)資助項(xiàng)目

TN312.8

A

10.3788/fgxb20163711.1422

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