LED道路照明灯具光度数据的现状分析LED技术论文

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1、LED道路照明灯具光度数据的现状分析LED技术论文摘要：LED 具有平安、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2022 年至今的LED 道路照明灯具的状况进行了分析。论文关键词：LED 路灯 光输出 截光 配光照度均匀度 亮度均匀度Analyses of photometry data status of road lighting luminaries with LEDShanghai Alpha

2、 Lighting Equipment Testing Ltd.(SALT)Wang,Ye Chen,Chaozhong & Shi,XiaohongAbstract：LED has the advantages of safety, longevity, high efficacy and controllable and so on. In the latest years, it has been bee a hotspot of product research and development on LED luminaries for road lighting. Sharing t

3、he requirement of road lighting and the benchmark which evaluation the characteristic of luminaire lighting distribution, and the analyses of measured datum, the article open out the key manner for estimate the photometry of the LED road lighting luminaire. And this key manner is also use for analyz

4、ing the status of LED road lighting luminaire from 2022 till now.Key words: LED luminaries, light output, cut-off, lighting distribution, uniformity of illuminance, uniformity of lluminanceLED 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根底。美国能源部DOE出版的SSL 灯具符合

5、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2022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2022年到2022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 路灯的光度学性能，包括灯具的光输

6、出、沿道路的纵向光分布、沿道路的横向光分布、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2022 年至2022 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

7、 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到达道路照明标准要求的照度水平的根本条件。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、23004000、4000-5000、5000-750

8、0、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、而且要到达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3.5m2，维护系数为0.8，单侧布置，适宜的灯间距为D，那么计算函数式为：到达8lx 的路边被照面积和到达4lx 的屋边的被照面积 = 初始光通量 维护系数8D3.5+3.5+

9、4D3.5+3.5=23000.8 D22m。未到达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，其照度要求到达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到达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到达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

10、平比次干路高，其照度要求到达20lx。满足主干路二车道的照明水平，灯具的初始光通量应到达50007500lm。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到达50007500lm。落在这个区段的被测灯具数量有11 个。-9000lm：到达主干路四车道的照明水平，灯具的初始光通量应到达9000lm 以上。以照度到达30lx计，路灯单侧布置时，灯间距为12m30D23.5+23.5+15D5+5=90000.8，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。2022 年大局部LED

11、 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。2022 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，到达主干路光通量水平的LED 路灯占到了66.7。2022 年，光输出水平又有明显提高，到达主干路四车道以上的光通量水平的路灯占有了最高比例，到达34.7，见图3。2与传统光源路灯比较就目前来讲，LED 路灯的光通量可以到达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

12、水平，较好的可以到达75%80。以8000lm 光通量的100W 高压钠灯为例，其路灯的光输出有5200lm6000lm，较好的可以到达6000lm6400lm。-250W 或400W 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21000lm，400W 高压钠灯路灯的光输出一般不低36000lm。-LED 路灯的光通量水平目前，LED 路灯的光输出最高到达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

13、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，光源的一局部光线损失了。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 路灯的光通量最高到达了10000lm 左右，在配

14、光形状好的情况下，灯具的照明效率会比较高，可以到达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，将道路外表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

15、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检测数据说明大局部LED 路灯是近投射配光分析LED 路灯测试数据发现，大局部投射距离很近。从表2 可以看出，大局部灯具处于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2022 年至2022 年的数据看出，短投射灯具的比例有所增加。2022 年至2022 年灯

16、具光束的投射角度没有提高。直到2022 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说明，高压钠灯路灯中比较好的配光形式可以到达中投射水平，更好的可以到达长投射水平。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。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

17、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2022 年至2022 年的数据来看，LED 路灯的配光大多属于窄配光，仅有30左右的路灯到达了I 类或II 类的水平。其中，2022 年至2022 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，表达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

18、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，否那么，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%根本合理，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 有可能降到最正确值。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

19、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-270至C-360域限内。配光图例见图10。三、光束均匀度1.最大光强的 角最大光强的 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55-65区域内。a.数据分析表4 和图11

20、是测得的道路灯具的最大光强的 角位置的数据。表4 最大光强的 角位置的数据统计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比照度，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0 I 应是最小的，随着仰角 增大，所在 角的光强I应增大，I和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到达55-65时，可以到达照度均匀度的要求。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

21、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到达65-75时，路面的亮度均匀度可到达比较高的水平。c.LED 路灯最大光强所在角的数据分析比较2022 年前和2022 年后的测试数据见表4说明，国内的LED 路灯最大光强所在的角偏小，到达等照度配光角度要求的55-65的数量只占16%。特别是在2022 年以前，LED 路灯中绝大多数的最大光强投射角度都比较小，2022 年到达55-65的只占10%，2022 年只占4.9%。2022 年那么快速提高到了22.4%，另有4到达了等亮度配光的65-75。而055的灯具从2022 年的90.0%、2022 年的9

22、5.1%降到了2022年的73.5%。2. 灯下点附近25范围内的光强和最大光强的比值a. 的含义光束均匀度中另一个重要条件是灯下点的光强应是最小的，随着角的增大，光强应逐渐增大。灯下点附近25范围内的光强0-25 I 和最大光强max I 的比值是评估路灯配光的均匀性的重要参数之一。0.35 是路灯配光满足道路照明均匀度的重要条件之一，当其比值大于0.35 时，会产生灯下点亮，灯杆之间暗的光斑不均匀现象。测试发现， 0.35、=0.350.5 和=0.51.0 三类配光均存在，具体举例见图12图14。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

23、.51.0 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。2022 年的检测数据说明，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13a和图13b。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到达几千万cd/m2，光线的照射方向控制不好，会让驾

24、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%。检测数据说明，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说明，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80-90测试

25、结果的统计数据。图16 80-90环带光通统计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80-90 I 不超过最大光强max I 的5%。100 个样本的检测统计数据说明，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 角位置控制在65-75 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

26、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50lm/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，2022 年LED 路灯的能效均低于50lm/W。20

27、22 年后，LED 路灯的能效水平明显提高，2022 年36.6%的LED 路灯能效到达50lm/W，有明显提高，2022 年那么有77.6%的LED 路灯能效超过50lm/W。表8 是灯具能效的数据统计。图18 灯具能效统计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到达70lm/W，250W 和400W 高压钠灯路灯的能效可以到达75 lm/W -80lm/W。但LED 路灯开展的步伐非常快，数据反映，2022 年已有24.5%的LED 路灯的能效超过70lm/W。六、到达LED 路灯标杆要求的案例从检测得到的数据来看，到达上述光度性能指标

28、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。图20 仅截光未达标的配光举例结束语LED 灯具用于道路照明已经走过了几年的历程，以上数据分析说明，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到达平安要求的根底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，达不到平安标准规定的IPX3 的要求，当我们聚焦LED路灯性能特性的同时，不能无视其平安特性。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“道路照明标准比较及其对灯具配光的要求，天天励志正能量