LED道路照明燈具光度數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析

/LED道路照明燈具光度數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析LED具有平安、長壽命、高光效、可調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)，近年來對LED道路照明燈具的探討和產(chǎn)品開發(fā)已成為關(guān)注焦點(diǎn)。本文通過對符合道路照明的燈具配光的標(biāo)桿性評價方法，以及對LED路燈測試數(shù)據(jù)的分析，

揭示了評價LED路燈光度特性優(yōu)劣的核心方法,并用此方法對2007年至今的LED道路照明燈具的狀況進(jìn)行

了分析。關(guān)鍵詞：LED路燈光輸出截光配光照度勻稱度亮度勻稱度AnalysesofphotometrydatastatusofroadlightingluminarieswithLEDShanghaiAlphaLightingEquipmentTestingLtd.(SALT)

Wang,YeChen,Chaozhong&Shi,XiaohongAbstract：LEDhastheadvantagesofsafety,longevity,highefficacyandcontrollableandsoon.Inthelatestyears,ithasbeenbecomeahotspotofproductresearchanddevelopmentonLEDluminariesforroadlighting.Sharingtherequirementofroadlightingandthebenchmarkwhichevaluationthecharacteristicofluminairelightingdistribution,andtheanalysesofmeasureddatum,thearticleopenoutthekeymannerforestimatethephotometryoftheLEDroadlightingluminaire.AndthiskeymannerisalsouseforanalyzingthestatusofLEDroadlightingluminairefrom2007tillnow.Keywords:LEDluminaries,lightoutput,cut-off,lightingdistribution,uniformityofilluminance,uniformityoflluminanceLED道路照明燈具（以下簡稱“LED路燈”）是目前照明電器行業(yè)的一個熱點(diǎn)，特殊是近三年LED路燈產(chǎn)品數(shù)量增加了不少，檢測數(shù)據(jù)也在發(fā)生變更，這些數(shù)據(jù)是評價LED路燈光度性能質(zhì)量的基礎(chǔ)。美國能源部（DOE）出版的SSL燈具符合能源之星的合格判據(jù)在評價LED路燈光度特性方面為我們供應(yīng)了參考。在對相關(guān)色溫、色空間勻稱度、顯色指數(shù)等給出合判據(jù)之后，美國能源部于2008年8月對符合能源之星的A類燈（近期要求，B類燈為長期目標(biāo)）提出了的補(bǔ)充要求，其中對戶外安裝的道路燈具的最小光輸出、環(huán)帶流明密度、和IESNA燈具光分布分類相關(guān)的光束勻稱度、燈具能效提出了標(biāo)桿要求。本文以DOE對A類LED路燈補(bǔ)充要求為依據(jù)，依據(jù)2007年到2009年測量得到的100個LED路燈的測試結(jié)果，對我國LED路燈的光度數(shù)據(jù)現(xiàn)狀和水平進(jìn)行分析，為提高和改進(jìn)我國的LED路燈的質(zhì)量供應(yīng)一些相關(guān)信息。本文的分析涉及LED路燈的光度學(xué)性能，包括燈具的光輸出、沿道路的縱向光分布、沿道路的橫向光分布、C-90°和C-270°的配光對稱性、光束勻稱度和截光水平，同時還分析了燈具的能效。本文的分析未涉及LED路燈的色度性能和光輸出維持率。本次探討的燈具參數(shù)均為初始值（新燈），未考慮壽命的影響。本文的數(shù)據(jù)來自我們在2007年至2009年所測得的100盞LED機(jī)動車道用、桿高8m及以上的懸臂式道路照明路燈具的光度學(xué)數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)總結(jié)，不涉及任何詳細(xì)廠家的信息。這些LED路燈所涉及的功率范圍是50W-200W左右，功率分布見圖1，樣品產(chǎn)地覆蓋的地區(qū)及數(shù)量分布見圖2。從圖1和圖2的LED可以看到，樣本數(shù)據(jù)來自于我國的13省市，功率從50W到200W和一些200W以上的產(chǎn)品，從樣本產(chǎn)地和功率的覆蓋狀況來看，這些樣本數(shù)據(jù)對于反映LED路燈的產(chǎn)業(yè)狀況具有肯定的代表性。一、被測燈具的光輸出光輸出也稱光通量，探討LED的光通量是為了分析目前LED燈具光輸出實(shí)力，并依據(jù)道路照明國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的照明標(biāo)準(zhǔn)值，對相關(guān)LED路燈光輸出值所適用的道路條件進(jìn)行預(yù)料。1．檢測數(shù)據(jù)的說明城市中的機(jī)動車道路分為快速路或主干路、次干路和支干路。路燈發(fā)出的光通量是保證路面達(dá)到道路

照明標(biāo)準(zhǔn)要求的照度水平的基本條件。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對各類道路照明水平的要求，我們將LED路燈的光輸出（單位lm）分為＜2300、2300－4000、4000-5000、5000-7500、7500-9000和＞9000等6個區(qū)段，檢測結(jié)果給出的落在各個區(qū)段的LED路燈的數(shù)量及其統(tǒng)計(jì)見表1和圖3，要說明的是光通量最小值2300lm也參考了DOE給出的LED路燈光通量的最小值。-最小值2300lm：支路是次干路和居住區(qū)道路之間的連接道路，對于一個初始光通量2300lm的LED路燈，我們可以計(jì)算其用于雙車道支路、而且要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的支路照度8lx時所相宜的燈間距。計(jì)算過程如下：設(shè)：路寬為3.5m×2，維護(hù)系數(shù)為0.8，單側(cè)布置，相宜的燈間距為D，則計(jì)算函數(shù)式為：達(dá)到8lx的路邊被照面積和達(dá)到4lx的屋邊的被照面積=初始光通量×維護(hù)系數(shù)

8×D×（3.5+3.5）+4×D×（3.5+3.5）=2300×0.8D≈22m。未達(dá)到道路照明所需的光通量最小值的被測燈具數(shù)量有9個。-2300-4000lm：次干路是城市中和主干路結(jié)合組成路網(wǎng)、起集散交通作用的道路，其照度要求達(dá)到10lx。滿意次干路二車道至三車道的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到2300-4000lm。落在這個區(qū)段的被測燈具數(shù)量有20個。-4000-5000lm：滿意次干路四車道的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到4000-5000lm。落在這個區(qū)段的被測燈具數(shù)量有9個。-5000-7500lm：主干路是連接城市各主要分區(qū)的干路，實(shí)行機(jī)動車和非機(jī)動車分隔形式。機(jī)動車在主干路上的行駛速度比次干路快，照明水平比次干路高，其照度要求達(dá)到20lx。滿意主干路二車道的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到5000－7500lm。落在這個區(qū)段的被測燈具數(shù)量有26個。-7500-9000lm：滿意主干路三車道的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到5000－7500lm。落在這個區(qū)段的被測燈具數(shù)量有11個。-9000lm：達(dá)到主干路四車道的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到9000lm以上。以照度達(dá)到30lx計(jì)，路燈單側(cè)布置時，燈間距為12m[30×D×（2×3.5+2×3.5）+15×D×（5+5）=9000×0.8]，以雙側(cè)對稱布置時，燈間距為24m。落在這個區(qū)段的燈具數(shù)量有25個。數(shù)據(jù)顯示，總光通量水平在提高。2007年大部分LED路燈的總光通量處于支路水平，而且，20％的LED路燈的光輸出小于2300lm，不適用于機(jī)動車道的道路照明。2008年以后，適用于次干路和主干路的路燈比例漸漸提高，占到總數(shù)的92.2%。其中，達(dá)到主干路光通量水平的LED路燈占到了66.7％。2009年，光輸出水平又有明顯提高，達(dá)到主干路四車道以上的光通量水平的路燈占有了最高比例，達(dá)到34.7％，見圖3。2．和傳統(tǒng)光源路燈比較就目前來講，LED路燈的光通量可以達(dá)到小功率高壓鈉燈路燈的水平，但達(dá)不到照明質(zhì)量較好的大功率高壓鈉燈或金屬鹵化物燈的水平。-100W高壓鈉燈路燈的光通量從小功率高壓鈉燈路燈光度性能狀況來看，燈具效率一般處于65%~75%的水平，較好的可以達(dá)到75%～80％。以8000lm光通量的100W高壓鈉燈為例，其路燈的光輸出有5200lm~6000lm，較好的可以達(dá)到6000lm~6400lm。-250W或400W高壓鈉燈路燈的光通量250W（28000lm）或400W（48000lm）高壓鈉燈的路燈的燈具效率一般在75%~85%之間，因此，250W高壓鈉燈路燈的光輸出一般不低于21000lm，400W高壓鈉燈路燈的光輸出一般不低36000lm。-LED路燈的光通量水平目前，LED路燈的光輸出最高達(dá)到10000lm左右。但是，由于LED光源的半空間發(fā)光干脆照明路面的特點(diǎn)，使得LED路燈的光通量輸出可以接近于150W高強(qiáng)度氣體放電燈燈具水平。高強(qiáng)度氣體放電燈的發(fā)光于整個空間，運(yùn)用反射器可以將上半空間的光線反射到下半空間內(nèi)，但反射器對光線的汲取作用，以及光線反射時受到光源自身的遮擋或反射器對光線二次反射的再汲取，光源的一部分光線損失了。燈具效率是反映光源光線損失程度的參數(shù)。LED光源在這方面是具有優(yōu)勢的，LED的發(fā)光只存在于半個空間，在不用燈具的狀況下，也能將光線近乎100%投射到路面。對燈具須要設(shè)計(jì)的是在較小的角度范圍內(nèi)變更光線的投射方向，在這個過程中，也有反射（如用反射器的話）或透射（如用透鏡的話）的光損失，如處理得好光的損失可能比傳統(tǒng)燈具小一點(diǎn)。目前，LED路燈的光通量最高達(dá)到了10000lm左右，在配光形態(tài)好的狀況下，燈具的照明效率會比較高，可以達(dá)到或接近高壓鈉燈路燈的照明效果。二、被測燈具的光分布狀況按IES對燈具光度分布的分類方法，路燈的縱向光分布可按短投射配光、中投射配光或長投射配光分類，沿道路的橫向配光的分類的方法是以50%最大光強(qiáng)的曲線覆蓋區(qū)域的位置進(jìn)行的，沿道路橫跨線，將道路表面分割成四個縱向?qū)挾龋碔類、II類、III類和IV類。圖4是各種光分布燈具用于車行道的示意圖，圖5是一個Ⅲ類-中投射燈具的在半空間和道路上的等光強(qiáng)圖例。LED路燈的光分布應(yīng)依據(jù)IESNA的分類方法。1.被測燈具縱向光分布的狀況表2和圖6是被測燈具縱向配光狀況的統(tǒng)計(jì)。（1）燈桿間距和縱向光分布的關(guān)系縱向光分布是以最大光強(qiáng)的投射角度進(jìn)行分類的，縱向投射角度不同的路燈，能夠照亮的路面長度就不一樣，假如沿道路縱向光線投射角度小的燈具，照亮的路面長度就比較短。當(dāng)燈具沿道路縱向光線投射角度增大時，燈桿的間距增大，單位道路面積的燈功率就相應(yīng)減小，光束投射的遠(yuǎn)或近是路燈節(jié)能水平的重要因素之一。（2）檢測數(shù)據(jù)表明大部分LED路燈是近投射配光分析LED路燈測試數(shù)據(jù)發(fā)覺，大部分投射距離很近。從表2可以看出，大部分燈具處于3種縱向分布之外的近投射區(qū)域，近投射配光須要的桿距很小，不適于用作機(jī)動車道路照明。從2007年至2009年的數(shù)據(jù)看出，短投射燈具的比例有所增加。2007年至2008年燈具光束的投射角度沒有提高。直到2009年的近期，出現(xiàn)了中投射型的LED路燈。（3）和傳統(tǒng)光源路燈的比較高壓鈉燈路燈縱向配光狀況的分析表明，高壓鈉燈路燈中比較好的配光形式可以達(dá)到中投射水平，更好的可以達(dá)到長投射水平。和傳統(tǒng)高壓鈉燈路燈相比，大多數(shù)LED路燈的投射距離偏近。主要緣由是很多LED路燈的生產(chǎn)廠家還缺乏對路燈配光特性的相識，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不夠合理。2.被測燈具沿道路的橫向光分布的狀況

表3和圖7是橫向配光的狀況。（1）車道數(shù)和橫向配光應(yīng)按車道的數(shù)量配用相宜的橫向配光類型的路燈，如某一II類橫向配光的路燈的正確應(yīng)用是4車道，那么假如錯誤的用于2車道，就會有較大比例的光通量照耀到道路以外的區(qū)域，光通量的利用率降低，LPD值會受到影響。（2）目前LED路燈的橫向配光狀況從2007年至2009年的數(shù)據(jù)來看，LED路燈的配光大多屬于窄配光，僅有30％左右的路燈達(dá)到了I類或II類的水平。其中，2008年至2009年的I類橫向配光比例有所提高，從14.6％增加至34.7%。3．C-90°和C-270°的配光對稱性問題道路的縱向延長特性，以及路邊區(qū)域和屋邊區(qū)域的不同照明需求，所以路燈應(yīng)具有特殊的配光形式，滿意道路被照亮的同時、道路邊界線旁的屋邊也適當(dāng)照亮的要求，體現(xiàn)在道路照明標(biāo)準(zhǔn)中的SR值。路邊須要的光通量多，而屋邊須要的少，所以路燈在滿意上述光度特性以外，還應(yīng)合理安排路邊和屋邊的光通量，在光度學(xué)上表達(dá)為C-90°和C-270°的光通量。測量得到的燈具配光圖中C-90°平面和C-270°的配光曲線不能簡潔得處理成對稱形式，否則，將產(chǎn)生燈具光通量安排不合理、利用系數(shù)不高的問題，降低燈具的照明效率。在對LED路燈的測試結(jié)果中發(fā)覺，70%的燈具C-90°和C-270°的配光對稱性存在問題，30%基本合理，詳細(xì)狀況如下：（1）C-90°和C-270°配光屬于非對稱配光，且其最大光強(qiáng)投向路邊區(qū)域這類燈具的光通量利用率高，LPD有可能降到最佳值。配光圖例見圖8。（2）C-90°和C-270°的配光屬于對稱性配光有較多的配光形式只是將室內(nèi)燈設(shè)計(jì)照搬過來，沒有考慮路燈的特點(diǎn)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，目前，照明質(zhì)量不合理的路燈中C-90°和C-270°平面配光屬于對稱型的占60％，只適合路燈裝在路中心或必需仰角很大的路邊安裝條件。配光圖例見圖9。（3）C-90°和C-270°配光屬于非對稱配光，但其最大光強(qiáng)投向屋邊區(qū)域假如路邊區(qū)域和屋邊區(qū)域搞反了，最大光強(qiáng)投向了屋邊區(qū)域，照明質(zhì)量將更劣于C-90°和C-270°對稱形式的配光。這種情形在LED路燈中不在少數(shù)，大約有10％的路燈的最大光強(qiáng)投射方向在屋邊區(qū)域（C-270o至C-360o域限內(nèi)）。配光圖例見圖10。三、光束勻稱度1.最大光強(qiáng)的γ角最大光強(qiáng)的γ角位置和道路照明的勻稱度有關(guān)，包括照度勻稱度和亮度勻稱度。DOE給出的標(biāo)桿是最大光強(qiáng)處于55o-65o區(qū)域內(nèi)。a.數(shù)據(jù)分析表4和圖11是測得的道路燈具的最大光強(qiáng)的γ角位置的數(shù)據(jù)。表4最大光強(qiáng)的γ角位置的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)b.最大光強(qiáng)投射角度和勻稱度的關(guān)系光線不勻稱的照耀，路面看起來會一片亮一片暗，障礙物和路面背景間缺乏對比度，使駕駛員視察路面上障礙物的實(shí)力降低，看不清路面上及四周的移動物體。要得到路面上勻稱的照明效果，光束中最大光強(qiáng)的投射角度特別重要，路燈下方的光強(qiáng)0I應(yīng)是最小的，隨著仰角γ增大，所在γ角的光強(qiáng)I′應(yīng)增大，I'和I。滿意的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)光強(qiáng)接近這種函數(shù)關(guān)系時，路面才能得到勻稱的照明效果。當(dāng)最大光強(qiáng)在垂直面內(nèi)的投射角度達(dá)到55o-65o時，可以達(dá)到照度勻稱度的要求。和路面照度相比，路面亮度勻稱度能對駕駛員視察結(jié)果產(chǎn)生更客觀的影響。路面的亮度和視察角度有關(guān)，還和路面材料有關(guān)，當(dāng)最大光強(qiáng)在垂直面內(nèi)的投射角度達(dá)到65o-75o時，路面的亮度勻稱度可達(dá)到比較高的水平。c.LED路燈最大光強(qiáng)所在角的數(shù)據(jù)分析比較2009年前和2009年后的測試數(shù)據(jù)（見表4）表明，國內(nèi)的LED路燈最大光強(qiáng)所在的角偏小，達(dá)到等照度配光角度要求的55o-65o的數(shù)量只占16%。特殊是在2009年以前，LED路燈中絕大多數(shù)的最大光強(qiáng)投射角度都比較小，2007年達(dá)到55o-65o的只占10%，2008年只占4.9%。2009年則快速提高到了22.4%，另有4％達(dá)到了等亮度配光的65o-75o。而0o－55o的燈具從2007年的90.0%、2008年的95.1%降到了2009年的73.5%。2.燈下點(diǎn)旁邊25o范圍內(nèi)的光強(qiáng)和最大光強(qiáng)的比值

a.的含義

光束勻稱度中另一個重要條件是燈下點(diǎn)的光強(qiáng)應(yīng)是最小的，隨著角的增大，光強(qiáng)應(yīng)漸漸增大。燈下點(diǎn)旁邊25o范圍內(nèi)的光強(qiáng)0-25I和最大光強(qiáng)maxI的比值是評估路燈配光的勻稱性的重要參數(shù)之一。≤0.35是路燈配光滿意道路照明勻稱度的重要條件之一，當(dāng)其比值大于0.35時，會產(chǎn)生燈下點(diǎn)亮，燈桿之間暗的光斑不勻稱現(xiàn)象。測試發(fā)覺，≤0.35、=0.35～0.5和=0.5～1.0三類配光均存在，詳細(xì)

舉例見圖12～圖14。b.數(shù)據(jù)分析

表5和圖15是的測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。分析LED路燈的檢測數(shù)據(jù)可以發(fā)覺，=0.5～1.0之間的路燈占有較大的比例。此類路燈的燈下點(diǎn)將有明顯較亮的光斑，然后沿道路方向快速減小。2009年的檢測數(shù)據(jù)表明，在0.35-0.5之間的路燈比例比前兩年有所提高，此類配光形式由于光強(qiáng)的變更不夠大，會造成三種狀況：-每盞路燈的照耀面積較??；-燈下點(diǎn)較亮，燈下點(diǎn)四周較暗。其配光例子見圖13（a）和圖13（b）。

＞0.35時，照明的勻稱度都會存在類似上述的問題。雖然，到目前為止，＞0.35的路燈比例占絕大多數(shù)，但＜0.35的比例在不斷提高。-為得到勻稱的照明效果，勢必要上升路面上的LPD。四、截光水平1.截光水平的相關(guān)概念路燈的光線亮度可以達(dá)到幾千萬cd/m2，光線的照耀方向限制不好，會讓駕駛員感受到眩光，簡潔引起視覺疲憊。眩光的程度劇烈時，會影響駕駛員視察路況。眩光的產(chǎn)生，來源于路燈干脆射入眼睛的光線。為了改善眩光對視覺的不良影響，要求道路照明燈具具有截光限制措施。從駕駛員的視察位置和視察方向分析，路燈垂直面上80°-90°的光輸出會干脆射入眼睛造成眩光。2.80°-90°的環(huán)帶光通限制80°-90°的環(huán)帶光通是限制路燈眩光的重要途徑，DOE給出的標(biāo)桿是80°-90°的燈具光通量不超過總光通量的10%。檢測數(shù)據(jù)表明，LED路燈的80°-90°環(huán)帶光通的限制水平良好。統(tǒng)計(jì)樣本的檢測數(shù)據(jù)表明，LED路燈垂直面上80°-90°的光通量的比例全部低于總光通的10％。表6是80°-90°環(huán)帶光通80°-90°測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖1680°-90°環(huán)帶光通統(tǒng)計(jì)3.80°-90°的光強(qiáng)造成燈具眩光的另一個重要因素是80°-90°的光強(qiáng)太大。DOE給出的標(biāo)桿是80°-90°的光強(qiáng)80-90I不超過最大光強(qiáng)maxI的5%。100個樣本的檢測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，40個燈具滿意≤5%。表7和圖17是80°-90°光強(qiáng)測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。4.LED路燈80°-90°環(huán)帶光通的限制水平和高壓鈉燈路燈的比較路燈始終存在的難題是照明效率和截光存在沖突：最大光強(qiáng)的γ角位置限制在65o-75o時，有利于提高路燈的光束勻稱度，但給80°-90°的截光限制帶來了難度。高壓鈉燈光源等傳統(tǒng)光源全空間發(fā)光特性確定了通過反射器限制光線的路燈難以做到兩全其美，光束勻稱度好的路燈往往會有明顯的眩光。而LED光源的半空間發(fā)光特性讓路燈設(shè)計(jì)師能輕松地把握這兩方面的限制。雖然，80°-90°內(nèi)的光強(qiáng)還存在大于5％最大光強(qiáng)的狀況，但比起高壓鈉燈路燈的狀況改善很多。