Эффективность светооптических систем светодиодных светильников наружного применения

Гвоздев Сергей, Гольнев Алексей, Сафонов Сергей, Хухтикова Валентина

В статье рассмотрены основные параметры и показатели оптических систем светильников уличного освещения на базе светодиодов. На основании эксплуатационных данных приведены рекомендации к конструктивному исполнению светильников наружного освещения. Предложены стандартные решения для светооптической системы в зависимости от категории освещаемого объекта.

Использование светодиодов (СД) в уличных светильниках дает возможность создать универсальную конструкцию прибора, охватывающую многие области применения светильников наружного освещения. Наиболее востребованный подход – это разработка светооптических систем, перераспределяющих световой поток СД и формирующих необходимое светораспределение на освещаемой поверхности. Специалистами конструкторского бюро «ЭКОЛАЙТ» совместно с лабораторией «НТЦ «Фотометрия» был создан унифицированный корпус светильника, который предусматривает установку на светодиодную плату разнообразной линзовой оптики марки LEDiL [1], предлагающей широкий спектр кривых сил света (КСС). Таким образом, был сформирован типоряд светильников наружного освещения, содержащий более 60 видов световых приборов (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид светильников фирмы «ЭКОЛАЙТ»: а) светильник с глубокой КСС; б) прожектор с концентрированной КСС; в) светильник с косинусной КСС; г, д) светильник с широкой КСС; е) светильник кососвет

Наиболее распространенные типы светораспределения при уличном освещении соответствуют категориям дорог, определенным в [2]. При этом эффективность используемого светового прибора характеризуется не только его световой отдачей, но и коэффициентом использования светового потока, который зависит от геометрии освещаемой поверхности и КСС светильника. Для осветительной установки в целом обязательно выполнение норм освещения для объекта соответствующей категории, что определяется параметрами установки светильников – высотой подвеса на опоре, расстоянием между опорами, взаимным расположением светильников по сторонам дороги. Очевидно, что, чем больше угол максимальной силы света в меридиональной плоскости светильника, тем дальше могут отстоять друг от друга соседние опоры. С другой стороны, увеличение засветки дороги в её поперечном направлении возможно при большем отклонении от осевого направления максимальной силы света в продольной плоскости светильника, например, чтобы обойтись установкой светильников только с одной стороны дороги. Таким образом, на основании изложенных положений и нормируемых значений светораспределения для выбранного освещаемо объекта подбираются комбинации различных линз, которые дают необходимую КСС светильника (рис. 2).

Рис. 2. Визуализация сцены наружного освещения с применением светильников фирмы «ЭКОЛАЙТ»

Помимо вторичной оптики на светораспределение светильника влияет защитная оптика, предохраняющая светоформирующую поверхность линзы от воздействия агрессивных факторов окружающей среды. Пыль и копоть, оседая на поверхности светооптической системы, существенно снижают эффективность светового прибора, что приводит к ухудшению видимости на дороге и увеличению риска возникновения аварийной ситуации. Чистка световой поверхности светильника производится с помощью брандспойта, при этом получается, что на поверхность линзы под давлением подается абразивная смесь воды с частицами пыли и грязи, которая царапает рабочую поверхность линзы и приводит к снижению эффективности светильника, а также к искажению светораспределения на освещаемой поверхности. В худшем случае потребуется преждевременная замена светильников. Рабочая поверхность линзы часто имеет сложную форму, при которой подобной чистки будет недостаточно, поскольку грязь не вымоется из труднодоступных мест. Поэтому наличие защитной оптики в конструкции уличного светильника на базе СД с вторичной оптикой призвано значительно повысить устойчивость светильника к внешним воздействиям и упростить его эксплуатацию в различных климатических условиях.

Защитный колпак характеризуется пропускающими и прочностными свойствами оптического материала, кроме того форма его поверхности также влияет на эффективность светильника. Для освещения дорог в соответствии с нормами [2] используется линзовая оптика, создающая широкое светораспределение, которое характеризуется максимальной силой света в направлении 55°?85° в меридиональной плоскости светильника [3]. На рис. 3 изображена система фотометрирования (C,γ)

светильников с обозначением главных плоскостей и приведен пример КСС светильника с широким светораспределением. Применение плоского защитного стекла в таких светильниках нецелесообразно, так как при этом возникают френелевские потери, и искажается форма КСС светильника. Светодиодные светильники производства «ЭКОЛАЙТ» имеют защитный колпак специальной конфигурации, которая обеспечивает наибольшую возможную эффективность светильника за счет снижения потерь в диапазоне углов, соответствующих максимальной силе света.

Рис. 3. а) Фотометрическое тело светильника в системе (C,γ); б) КСС светильника в характерных плоскостях

Для наглядности рассмотрим влияние переотражений на примере уличного светильника с широким светораспределением и плоским защитным светопропускающим элементом, выполненным из оптического поликарбоната толщиной 2?3 мм. На рис. 4 показано распределение энергетической силы света в меридиональной плоскости светильника без защитной оптики. Когда в такой светильник устанавливается защитная оптика в виде пластины, характер распределения энергетической силы света изменяется (рис. 5). Следовательно, необходимо применять защитный колпак с поверхностью специальной формы, который позволяет избежать искажений КСС и потерь светового потока.

Рис. 4. Угловое распределение энергетической силы света светильника без защитного стекла

Рис. 5. Угловое распределение энергетической силы света светильника с плоской защитной пластиной

Методика расчета поверхностей с требуемыми световыми характеристиками приведена в книге [4]. Если изложить подход кратко, то производится дискретное построение колпака, где за основной критерий построения его формы принимается ортогональность поверхности на элементарном участке к световому вектору плотности падающего от источника потока. Расчет формы колпака производится в меридиональной плоскости светильника, поскольку именно в этой плоскости распределение силы света светильника важно для нас. Исходными данными для расчета являются габаритные размеры колпака, определяемые конструктивом светильника. На рис. 6 показано угловое распределение силы света светильника с защитным колпаком рассчитанной формы. Как видим, распределение силы света не отличается от исходной кривой для светильника без колпака.

Рис. 6. Угловое распределение энергетической силы света светильника с защитным колпаком специальной формы

Стоит отметить, что в зависимости от нормируемого уровня освещенности на дороге световой поток светильника варьируется в достаточно большом диапазоне значений от 9000 до 30 000 лм. При этом перед конструкторами-разработчиками стоит

задача минимизации материалоемкости светильника с условием сохранения необходимых светотехнических характеристик, зависящих от тепловых параметров эксплуатации СД и параметров питающего устройства [5]. Поэтому для дорог категории освещения А и Б [2] необходимо использовать СД мощностью 2 Вт и 5 Вт, поскольку в этом случае значительно уменьшаются габаритные размеры и вес светильника. Линзовая оптика для разных категорий дорог может быть одна и та же, поскольку подобрана относительно геометрии дороги и желательного расположения опор. Однако переход к источникам другого типа, например, более мощным и, соответственно, имеющим другие размеры и конфигурацию корпуса, приведет к тому, что характеристики светораспределения будут хуже. Такой проблемы нет, когда линза уточняется под стандартизованный тип КСС для каждого используемого типа СД, что реализовано у производителя оптики LEDiL [1]. На рис. 7 можно увидеть, как изменяются направления максимальной силы света при использовании одной и той же линзы с СД разного типа.

Рис. 7. КСС линзы Strada-2×2-DNW с различными светодиодами CREE: XB-D, XT-E, XM-L

Приведенные в данной статье принципы подбора оптической системы светильников наружного освещения объясняют, как возможно получить оптимальное решение для необходимой задачи освещения. Общее качество осветительной установки (ОУ) определяется характеристиками отдельного светильника. Можно говорить об энергоэффективности ОУ, если входящие в ее состав светильники имеют качественные и количественные показатели, и в первую очередь светотехнические. Правильный выбор источника света, грамотное сочетание разных типов линзовой оптики, использование защитных оптических колпаков, и все это на одном унифицированном корпусе, позволяет фирме «ЭКОЛАЙТ» производить качественную светодиодную продукцию.

1. www.LEDiL.com

2. СП «Естественное и искусственное освещение». Актуализированная редакция СП 52.13330.2010 от 20.05.2011 г.

3. ГОСТ Р 54350-2011 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний». http://vsegost.com/Catalog/50/50894.shtml

4. Кущ О.К. Оптический расчет световых и облучательных приборов на ЭВМ. М.: Энергоатомиздат, 1991 г.

 5. Гвоздев С.М., Митрофанов А.В., Сафонов С.А., Холодилов В.И., Хухтикова В.А. Эффективное решение для мощных светодиодных светильников уличного освещения // Полупроводниковая светотехника. 2012. № 1.

Комментарии представителя LEDiL Сакена Юсупова

Компания «ЭКОЛАЙТ» и лаборатория «НТЦ «Фотометрия» очень эффективно использовали новейшую оптику LEDiL. Из наборов стандартных линзовых модулей 2×2, одиночных линз и одного унифицированного корпуса они создали модельный ряд из более 60 типов светильников. Это дает возможность качественно осветить любые сложные объекты при оптимальных затратах и унификации производственных операций.

Компания LEDiL продолжает расширять ассортимент стандартных линзовых модулей. В начале 2013 г. были анонсированы линзы для индустриального освещения: C13232_HB-2X2-WW с шириной светового пучка на половине максимума силы света (FWHM) 72° и C13233_HB-2X2-M с шириной светового пучка на половине максимума силы света (FWHM) 25° (рис. 8). Весной этого года будет анонсирован ряд новых линз семейства Strada-2×2 (рис. 9) со световыми диаграммами для освещения автодорог. Это позволит значительно расширить ассортимент светильников компании «ЭКОЛАЙТ».

Важно особо отметить возможность сочетания одиночных и модульных линз, имеющих различные световые диаграммы, в одном светильнике. Данный подход позволяет специалистам самостоятельно конструировать КСС светильников с нужными световыми акцентами. В тех случаях, когда необходима разработка индивидуального линзового модуля из типовых одиночных линз в одной из стандартных конфигураций LEDiL (2×2, 1×6, 2×6), фирма LEDiL предлагает создать такой модуль на максимально льготных условиях.

 Использование линз в виде модульных решений позволяет значительно снизить себестоимость вторичной оптики и получить реальную экономию при их монтаже. А при переходе к массовому производству светильников и заказе моноблочной линзы это дает успешный предварительный опыт применения проработанной оптической схемы и уверенность в правильности своих инвестиций в дорогое оборудование для производства моноблочной мультилинзы.