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LED路燈在雨、霧、雪環(huán)境下應如何生產和應用

  1、概述

  近幾年,由于LED照明產品節(jié)能、壽命長等優(yōu)點,在室內照明已經廣泛取代白熾燈和日光燈;在室外,一些高品質的LED路燈已經完全勝任道路照明,而且還表現出一些特有的優(yōu)勢,比如高顯色指數、壽命長等,但是LED路燈在雨、雪、霧天氣下的穿透性還存在不足,是影響LED照明在戶外應用的主要因素。

  2、道路照明對穿透性的要求

  道路上的照明燈具主要分為汽車燈、路燈,目前汽車燈、路燈主要以黃光為主。信號燈作為指示燈對道路上行人和行車起到指引、指示和警示作用。

  2.1車燈方面

  大霧(雨、雪)是車輛行駛的一大障礙。車輛在遇到大霧(雨、雪)時,常常會打開前后霧燈,讓一簇燦爛的黃色燈光開路,既照亮了前方的道路,又標明了自己的位置,使迎面而來的車輛行人能夠透過濃濃的霧幕,迅速避讓,防止碰撞事故發(fā)生。汽車霧燈照射出來的光是黃色光,這是經過科學家精心研究以后作出的最佳選擇。

  28歲的紹興車主陳先生為了使愛車大燈更亮,他花錢將遠光、近光、霧燈全部改成了6000K的高色溫氙氣大燈?!罢媸橇翗O了!”陳先生說,改成氙氣燈后,天氣好的時候,只要打開燈光,“能晃得眼睛看不見”,他感到很滿意。可不久后他駕車外出游玩時,突遭大霧襲擊。他順手打開氙氣燈,可出乎意料的是“眼前完全白茫茫一片,什么都看不見”。由于能見度不到五米,氙燈又毫無用處,他只能憑感覺一點點移動。可幾分鐘后,突然聽到后面的車急按喇叭,他停車一看,“天啊,車頭離路邊懸崖只有二十公分了!”

  專家建議:高色溫氙燈令光線穿透力下降霧天切勿亂改燈

  陳先生回紹興后,馬上將近光燈與霧燈又改成了普通燈。由于花錢不討好,他很是郁悶:“氙燈那么亮,怎么會在霧天就失效呢?”

  對此,紹興汽車改裝專家張師傅解釋,車主將普通車燈改用色溫過高的氙燈后,燈光的穿透能力會下降,一旦碰到雨霧天,燈光幾乎失去作用。張師傅說,氙燈因具備亮度高、能省電、還耐用等優(yōu)點,受到不少車主的青睞。在他的店中,最近幾乎每天都有顧客開車前來改裝氙燈。但有些車主為了炫酷,會選擇6000K、8000K、12000K的高色溫氙燈。因為這些氙燈不僅亮度強,而且光線中還帶有藍色、紫色等彩色,看上去絢麗奪目。但這樣卻降低了燈光的穿透力。

  2.2道路照明方面

  以前主要應用低壓鈉燈和高壓鈉燈。低壓鈉燈的工作蒸氣壓不超過幾個帕。低壓鈉燈的放電輻射集中在589.0納米和589.6納米的兩條雙D譜線上,它們非常接近人眼視覺曲線的最高值(555納米),低壓鈉燈輻射單色黃光,其輻射光譜純正、穩(wěn)定、無雜散光,該波長光線透霧性強,所以低壓鈉燈,也適宜于多霧區(qū)域的照明;針對低壓鈉燈單色性太強,顯色性很差,放電管過長等缺點而研制的高壓鈉燈,高壓鈉燈相對低壓鈉燈,具有顯色指數高、壽命長的特點,同時也也具有較高的穿透性,色溫主要在2200-2500K之間。鈉燈應用在道路照明的最大優(yōu)點就是對雨、雪、霧的穿透能力。

  深圳路燈管理處吳春?!禠ED路燈色溫的思考與選擇》中明確提出,從屬性角度研究色溫,即生理性和心理性。毫無疑問,色溫兼具生理和心理兩種屬性。例如,光的透霧性影響駕駛者的辨識能力和反應速度,屬于生理性;同時,透霧能力差使駕駛者感覺朦朧,精神高度緊張,屬于心理性。他提起的案例:1999年,某國際品牌在國內推廣金鹵燈,深圳很多主干道,包括深南大道,都換成白光的金鹵燈(6000-6500K)。初時效果尚算不錯,但好景不長,2000年后開始有市民投訴,2001、2002年投訴達到高峰,反映白光昏暗,感覺不好。自此之后,深圳的主干道逐漸換回黃光的高壓鈉燈。

  2.3交通信號燈

  黃色光不僅用在汽車霧燈上,城市道路的十字路口交通信號燈,到了深更半夜,行人車輛稀少,交通燈上只有一盞黃燈一閃一閃地發(fā)出間斷光芒,使深夜行駛的車輛駕駛員在很遠的地方就能發(fā)現,以便及時降低車速,安全駛過十字路口。

  3、國家標準對色溫的要求

  據相關專家介紹,一方面原因是人體對冷色光源的視覺舒適度較差,不宜采用冷色光源;另一方面,色溫較高的光源偏白,容易使駕駛者在視覺上產生霧蒙蒙的感覺。

  《城市道路照明設計標準》(CJJ45-2006)于2007年實施,此標準和以前的標準對光源的要求主要是鈉燈,由于鈉燈的色溫具有局限性,只有2500K以下,所以以前所有的標準中均沒有特別說明色溫。

  《城市道路照明設計標準》(CJJ45-2015)于2016年6月1日實施,CJJ45-2015版的標準對光源選擇做了新規(guī)定:增加了發(fā)光二極管燈(LED燈),由于LED色溫較寬,可以從2300K-6500K,甚至更高,所以CJJ45-2015版的標準對LED路燈的色溫做了要求,即LED路燈的相關色溫不宜高于5000K,并宜優(yōu)先選擇中或者低色溫。

  廣西壯族自治區(qū)住建廳出臺了《城市照明與建設管理工作方案(2015-2016年)》,明確色溫由低到高分為暖色、正白和冷色。根據不同的地域環(huán)境和不同等級的道路,應采用相應色溫的燈具。如在快速路、主干路、次干路、山區(qū)多霧的地區(qū)應選用色溫比較低的燈具。同批次的光源色溫應一致,市政道路不推薦使用冷色光源。

  4、光的穿透性能與哪些因素有關

  光在照明中的應用中,穿透性不是嚴格意義上的穿透,而是繞過塵埃顆粒,被人看到。光的波長越長,越不容易被散射(也就是波長越大的光衍射能力越強),故穿透能力最強。但實際中由于水霧灰塵等因素的影響,紅色光線的實際穿透能力就變弱了,而且紅光的光效很低,不能滿足照明的要求。

  


  國際照明委員會(CIE)在1931年定義的人眼對波長的敏感曲線,在波長555nm的綠光最敏感,也就是說一瓦(1W)的555nm的綠光,人眼對他的相對亮度是683流明。由此可以知道,光能量最大的效率是683lm/W。

  人眼對波長的效率表

  


  綠色光早就被作為“安全”和“可以通過”等的標志光;但是由于綠色光波長小,容易被散射,同時為單色光,不適合戶外路燈照明。

  因此從波長和人眼對波長敏感因素,黃光最適合戶外照明。

  5、LED路燈穿透性的研究

  常規(guī)白光LED的頻譜中,短波長占據很大部分,在雪花、雨滴和霧滴中傳播時短波長的光會被散射,造成眼前白茫茫的一片,照明效果不佳。

  對于可見光在霧的環(huán)境中傳播,BobsyAriefKURNIAWAN測量了在不同霧濃度和霧滴大小條件下,人眼對LED亮度的響應。他采用了紅黃藍綠四種顏色光,以及他們每兩種顏色之間的顏色,構成了十二種顏色光進行實驗,并得出了紅黃光和紅藍光穿過霧時亮度最高。同時,藍光在濃霧中的可見性最差。而在下雨和下雪的環(huán)境中,研究大多集中在對黃光和白光的選擇上。人們通常認為黃光比白光好,因為在相同亮度下黃光帶來的眩光沒有白光嚴重。這個常識性的認識被JohnD.Bullough’s的研究證實了。他得出了在相同光強下,黃光比白光受到反向散射的影響小,因而眩光小的結論。

  不同色溫的LED的光譜圖

  (1)6000K色溫的LED的光譜圖

  


  此圖為產品色溫段6000K左右的光譜圖,圖中光譜能量最多的為460nm左右的藍光波段,再下來就是550~580nm段的綠色及黃色波段能量較多。

  (2)3000K色溫的LED的光譜圖

  


  接下來就是3000K色溫的LED產品的光譜組成其中以570nm~630nm段的光譜能量最多,藍色段的能量幾乎沒有了。但是由于存在大量紅光,所以整體效率偏低。也就是3000K色溫的路燈光效低,替換鈉燈時節(jié)電比較低。

  6、如何實現LED路燈的低色溫、高光效

  在LED行業(yè)中,基本是色溫越高,光效越高;色溫越低,光效越低。所以目前LED路燈基本實現模組化,主要組成:LED模組、LED驅動電源、燈殼,要實現LED路燈的低色溫、高光效,主要取決LED模組。熒光粉主要影響色溫,LED芯片、熒光粉、二次配光透鏡主要影響光效。

  實現低色溫的辦法:是在封裝時調整LED紅粉、綠粉和黃粉的比例,以便封裝出不同色溫的LED燈珠;

  實現高光效的主要辦法:一是采用高光效的LED芯片;二是采用高轉換效率的LED熒光粉;三是采用高出光率的LED二次配光透鏡;四是選擇高導熱的鋁基板。

  通過以上辦法,可以實現LED路燈的“低色溫、高光效”,在行業(yè)內的實際應用中,LED路燈的色溫在逐年降低,LED路燈的整燈光效在逐年增加。

  圖一:2016年前LED路燈實際應用中的色溫變化

  


  圖二:2016年前LED路燈實際應用中的整燈光效變化

  


  7、結論

  綜上所述,道路照明的功能性需求之一就是希望提高雨、霧、雪天氣的穿透能力,以便增強的對行車、行人的引導性,提高雨、雪、霧天氣的行車安全。LED路燈作為新一代照明產品,除了節(jié)能、壽命長、顯色性好等優(yōu)點外,從技術角度,完全可以實現低色溫,色溫可以控制在高壓鈉燈和白熾燈之間的色溫,從而使LED產品在戶外照明中的優(yōu)勢越來越突出。


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