Проектирование уличного освещения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЛИЧНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Литвинова Марина Николаевна

младший научный сотрудник каф. РЭТЭМТУСУР г. Томск

E-mail: [email protected] СолдаткинВасилий Сергеевич старший преподаватель каф. РЭТЭМ ТУСУР г. Томск

E-mail: issledowatel86@mail. ru Туев Василий Иванович д-р техн. наук, Заведующий каф. РЭТЭМ ТУСУР г. Томск

E-mail: tvi retem@main. tusur. ru

STREET LIGHTING DESIGNING

Marina Litvinova

junior Research Fellow Department. RETEM TUSUR Tomsk

Vasily Soldatkin

senior Lecturer of Department. RETEM TUSUR, Tomsk

Vasily Tuev

phD, Head of Department. RETEM TUSUR Tomsk АННОТАЦИЯ

Авторами в программе DIAlux проведено проектирование освещения дорожного полотна, которое явилось сравнением коэффициентов равномерности освещенности дорожного полотна при различных углах расположения светильников-аналогов. В результате моделирования было выявлено, что при увеличении угла расположения светодиодных светильников -аналогов коэффициент равномерности освещенности ^.o. увеличился на 15 %. Проектирование световой части светильника, расчет его светового потока произведены в среде проектирования TracePro.

ABSTRACT

The authors have used the DIAlux software to generate a road lighting simulation, which was used to compare the uniformity ratios of road surface luminance for analogue luminaires located at different angles. The simulation made it possible to conclude that a bigger angle of the analogue luminaire increases the luminance uniformity ratio by 15 %. TracePro was used to simulate the light-emitting part of the luminaire and calculate its luminous flux.

Ключевые слова: светодиод, светодиодное освещение, уличное

освещение, светодиодный уличный светильник, электролюминесценция, проектирование освещения, органические светодиоды, коэффициент

равномерности освещенности.

Keywords: LED, LED-light, street-lighting, LED street lamp,

electroluminescence, lighting designing, OLED, the coefficient of illumination uniformity.

Светильники бывают для наружного освещения с лампами накаливания или газоразрядными лампами, предназначенные для освещения улиц, дорог, площадей, транспортных туннелей и развязок, пешеходных переходов, открытых пространств производственного назначения, а также для функционально-декоративного освещения скверов, парков и бульваров, изготовляемые для нужд народного хозяйства и на экспорт [3].

Революцией в области освещения стало развитие инновационных светодиодных технологий, представленных мировыми производителями светодиодов такими, как Cree Lighting (США), OSRAM Opto Semiconductor (Германия), Philips Lumileds Lighting (США), Nichia (Япония). Прорыв осуществился благодаря тому, что в 1928 году Лосев О.В. опубликовал результаты своих исследований явления электролюминесценции, заключающегося в излучении фотонов твердым телом под воздействием электрического тока [9]. Само появление и исчезновение свечения в SiC-диодах было обнаружено О.В. Лосевым в начале XX при изучении кристаллических детекторов на основе карбида кремния SiC, названного карборундом, которое лежит в основе принципа действия светодиода.

Светодиод (СД) — это полупроводниковый прибор с p -n переходом, который излучает фотоны при прямом смещении. Эффект излучения света называется инжектированной электролюминесценцией и происходит, когда неосновные носители заряда рекомбинируют с носителями противоположного типа в запрещенной зоне. Длина волны излучаемого света определяется в

основном выбором используемых полупроводниковых материалов.

Преимущества светодиодов перед всеми остальными светильниками -аналогами трудно переоценить. Основными из них являются: высокая эффективность, высокая мощность излучения, хорошая цветопередача, высокая надежность, низкая стоимость производства и безопасность для окружающей среды. Также плюсами использования светодиодных осветительных устройств можно назвать:

• экономичность и световая эффективность. Cветодиоды по потребляемой энергии экономичней ламп накаливания в 8—10 раз, люминесцентных ламп — в 1,5—2 раза;

• большая светоотдача. Светоотдача ламп — 50—150 Лм/Вт — сравнима со световой отдачей ламп накаливания мощностью 75—100 Вт;

• более качественная цветопередача. Большинство эффективных светодиодов имеют высокую цветовую температуру, часто выше 5000 К и испускают «холодный белый» свет;

• излучение СД близко к монохроматическому, имеется широкий набор СД различных цветов, что позволяет использовать СД в различных устройствах и получать любой цвет излучения сочетанием разных СД;

• высокая устойчивость СД к механическим воздействиям и работоспособность в широком диапазоне температур;

• высокий КПД. Такие компании, как Сгее, №сЫа достигли уровня КПД 50 % при производстве белых светодиодов;

• срок службы. Минимальное время работы светодиодных ламп, заявленное производителями, 30000 часов, т. е. более трех лет непрерывной работы, что в 30 раз дольше, чем у ламп накаливания. Заявленный срок работы некоторых светодиодных ламп более 100 тысяч часов. Типично все производители указывают 50000 часов;

• безопасность. Светодиодные лампы не требуют специальной утилизации и транспортировки, они безвредны для окружающей среды;

• отсутствие вредных материалов. СД не содержат экологически вредных

компонентов (типа ртути в люминесцентных лампах); не имеют разбивающихся стеклянных баллонов, необходимых в лампах накаливания.

Существующим светодиодам присущи все эти свойства, что позволяет им успешно конкурировать с традиционными осветительными устройствами, такими как флуоресцентные лампы и лампы накаливания.

К недостаткам светильников на базе светодиодов можно отнести необходимость специализированного источника питания и охлаждения.

Особой категорией полупроводниковых осветительных приборов можно считать уличные светильники, поскольку в данном случае добавляется еще необходимость учитывать влияние погодных условий: высокие и низкие температуры окружающей среды, осадки, ветер и пр.

Далее предлагается сравнительная таблица характеристик светодиодных источников света мировых брендов полупроводниковых осветительных устройств [4, 5, 6, 7].

Таблица 1.

Сравнительные характеристики светодиодных источников света мировых брендов полупроводниковых осветительных устройств Cree Lighting,

OSRAM Opto Semiconductor, Philips Lumileds Lighting, Nichia

Характеристики

Индекс Светоотдача Угол Цветовая

цветопередачи (Ra) Лм/Вт излучения, о температура, К

Cree Lighting 80 130-140 115 4700—5300

OSRAM Opto Semiconductor не менее 80 108 140 2700—5000

Philips Lumileds Lighting 80 110 120 2700—5000

Nichia 92 160 120 2500—11000

Однако прогресс не стоит на месте, в том числе и в области светодиодных осветительных приборов.

Началом светодиодной революции можно считать 1996 год. Светодиоды — монохроматические источники света, однако на их основе можно получать

источники белого света, что доказал японский инженер компании МсЫа Суджи Накамура, когда первым создал светодиод белого цвета. Это послужило толчком к использованию в осветительных системах принципиально нового, высокоэффективного источника света.

Существует три способа получения СД белого свечения. Первый — метод RGB — смешение излучения трех СД, имеющих определенные длины волн в красной, голубой и зеленой областях. Второй — смешение голубого излучения СД с излучением широкополосного желто -оранжевого люминофора или двух люминофоров — зеленого и красно -оранжевого, возбуждаемых излучением СД. Третий — смешение излучения трех люминофоров (RGB), возбуждаемых ультрафиолетовым СД. Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки [4].

Для белых светодиодов достигнуты следующие характеристики: cветоотдача — 15—22 Лм/Вт при мощности прибора до 5 Вт, коэффициент цветопередачи Ra=80-85, срок службы 100000 часов или 11 лет непрерывной работы.

Моделирование уличного освещения

На рис. 1 показаны три максимума на дорожном полотне от трёх матриц в светодиодном модуле.

Рисунок 1. Чертеж спроектированного освещения дорожного полотна с

помощью светодиодного модуля

В программе Dialux (программа для расчёта и проектирования освещения) было доказано, что данный модуль обеспечивает освещённость дорожного

покрытия, удовлетворяющего действующему ГОСТ 17677-82 по СНиП 23-0595. При перегорании одного из модулей, соседние два возмещают его по качеству освещённости дорожного полотна. Это доказано с помощью программы Dialux.

На рис. 2 а) и б) представлены варианты расположения светильников -аналогов. Нижеприведенные рисунки являются доказательством того, что максимальная равномерность освещения дорожного покрытия достигается при расположении светильников-аналогов, расположенных под углом к кромке дороги.

а)

Рисунок 2. Исследуемые варианты расположения светильников над проезжей частью: а) расположение светильников-аналогов перпендикулярно к кромке дороги, б) расположение светильников-аналогов

под углом, большим 90 ° к кромке дороги

Под существующую задачу в программе ТгасеРго был смоделирован светильник с тремя светодиодными матрицами. Диаграмма направленности такого светильника представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Кривые силы света светильников

Как видно из рис. 3 угол рассеивания с линзой равен 80 °. На рисунках 4— 7 показано моделирование световой части светильника (в ТгасеРго):

Рисунок 4. Пространственная модель матрицы CreeCXA2540, смоделированной в программе TracePro

• Моделирование матрицы Сгее со всеми её параметрами.

После моделирования светодиодной матрицы был спроектирован конусообразный отражатель, с параметрами отражения (Peгfectmiггoг) идеального зеркала.

Рисунок 5. Эскизный чертеж матрицы с отражателем

В данную матрицу с отражателем для уменьшения угла рассеивания была вставлена двояковыпуклая линза.

Рисунок 6. Конструкция светодиодной матрицы с отражателем и

двояковыпуклой линзой

Светодиодный модуль, состоящий из трёх светодиодных матриц, представлен на рис. 7.

Рисунок 7. Расположение светильников

В результате моделирования были получены желаемые характеристики, а именно: в светодиодной матрице было достигнуто значение угла рассеиваемого излучения не более 80 °.

Rectangular Candela Distribution Plot Using Missed Rays

-180 -165 -150 -135 -120 -105 -90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

Degrees

Рисунок 8. График рассеяния света данной матрицы

Рисунок 9. График рассеяния света светильника Сформировав светодиодный модуль (светильник), добились направленного

распределения света, который удовлетворяет по рассеиванию ГОСТ 17677-82 [2, 8].

170 180 170

Рисунок 10. Диаграмма рассеяния света в полярной системе координат Заключение

Таким образом, в результате проведенного исследования, было установлено, что с линейным увеличением угла расположения светильников -аналогов в горизонтальной плоскости относительно оси, перпендикулярной краю дороги, коэффициент равномерности освещенности ^^. также линейно возрастает в пределах от 3 до 4,5, что позволяет получить требуемую диаграмму направленности светильника.

Список литературы:

1. Вилисов А., Калугин К., Солдаткин В., Перминова Е. Белые светодиоды // Полупроводниковая светотехника. — 2012. Т. 4. — № 18. — С. 14—17.

2. Выпускная квалификационная работа П.В. Маломуж. — 2013. — 114 с.

3. ГОСТ 8045-82. Светильники для наружного освещения. Общие технические условия. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. — 9 с.

4. Официальный сайт фирмы Cree [Электронный ресурс] — Режим доступа.

— URL: http://www.cree.com/ (дата обращения 09.07.2013).

5. Официальный сайт Lumiled-Philips [Электронный ресурс] — Режим

доступа. — URL: http://www.philipslumileds.com/ (дата обращения

09.07.2013).

6. Официальный сайт фирмы Nichia [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/index.html (дата обращения 09.07.2013).

7. Официальный сайт Osram [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.osram.ru/osram_ru/ (дата обращения 09.07.2013).

8. Серебренникова И.В., Маломуж П.А., Солдаткин В.С., Туев В.И. Моделирование световых характеристик светодиода для систем освещения // Технические науки — от теории к практике. — 2013. — № 21. — С. 174—179.

9. Шуберт Ф. Светодиоды/ Пер. с англ. Под ред. А.Э. Юновича — 2-е издание. — М. ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 496 с.