LED照明戶外測(cè)試場(chǎng)的設(shè)計(jì)與研究

張志堅(jiān) 黎山峰 雷瑞庭 李本亮 魏亞東 楊雷

1.東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東省東莞市，523808

2.廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督所，廣東省東莞市，523000

目前，資源匱乏、能源緊張已經(jīng)成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)已成為人們的共識(shí)，但目前道路照明中仍大量使用的高壓鈉燈的綜合效率并不高，只有70%左右，且顯色指數(shù)偏低，夜間照明昏暗，不利于汽車駕駛?cè)藛T和行人對(duì)目標(biāo)和障礙物的分辨，對(duì)道路交通安全存在一定的影響。LED路燈以發(fā)光二極管作為光源,因其是一種固態(tài)冷光源,具有環(huán)保無污染、耗電少、光效高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球電力消耗中，照明就占到了18%。而這其中耗電量占的比重最大的則是道路照明。LED發(fā)光芯片作為第四代光源以其節(jié)能環(huán)保、高壽命、高光效等特點(diǎn)成為了接下傳統(tǒng)HID光源的接力棒的最佳選擇[1]，隨著LED照明技術(shù)的日趨成熟，大功率LED光源功率已經(jīng)達(dá)到90lm/W，城市路燈照明節(jié)能改造成為可能[2]。

在中國(guó)科技部“十城萬盞”半導(dǎo)體照明示范城市和廣東省5000億元年產(chǎn)值的提出、綠色照明示范城市等一系列激勵(lì)舉措推動(dòng)下，廣東LED產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用規(guī)模均居全國(guó)第一。目前，全省已累計(jì)推廣應(yīng)用LED路燈超過80萬盞，室內(nèi)燈超過210 萬盞，應(yīng)用路段超過2萬公里，總體節(jié)電率達(dá)55%[3]，全省各地市也都在緊鑼密鼓地實(shí)施LED路燈的推廣和應(yīng)用[4,5]，各龍頭企業(yè)也在此基于下獲得了不菲的訂單[6]，這種良性發(fā)展的模式已經(jīng)使得我國(guó)的LED產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。

但近日，國(guó)家質(zhì)檢總局公布了近期17類產(chǎn)品質(zhì)量國(guó)家監(jiān)督抽查結(jié)果，其中的第11類道路與街路照明燈具產(chǎn)品，國(guó)家監(jiān)督抽查結(jié)果令人擔(dān)憂。本次抽查涉及11個(gè)省、直轄市72家企業(yè)生產(chǎn)的72種道路與街路照明燈具產(chǎn)品，其中LED道路與街路照明燈具產(chǎn)品廠家共44家，抽查合格的僅23家，占52.3%。抽查不合格的21家，占47.7%[7]。由此可見，為保障各項(xiàng)半導(dǎo)體照明工程的順利實(shí)施，有必要由第三方機(jī)構(gòu)對(duì)擬入選產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)一檢測(cè)并出具檢測(cè)報(bào)告,供用戶選購時(shí)參考,以保證產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面在符合各項(xiàng)工程要求的LED燈完成工程安裝后，需要進(jìn)一步對(duì)示范燈具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，確保政府部門對(duì)示范工程質(zhì)量實(shí)時(shí)跟蹤，對(duì)以后的半導(dǎo)體照明示范工程實(shí)施提供有效的參考依據(jù)。然而，目前國(guó)內(nèi)還沒有一家能夠提供LED照明燈具的戶外在線測(cè)試數(shù)據(jù)的綜合測(cè)試場(chǎng)，大部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)能力都是針對(duì)LED產(chǎn)業(yè)某個(gè)分支產(chǎn)品，檢測(cè)能力和資源較為分散。僅有湖北省光電測(cè)試技術(shù)服務(wù)中心已形成較為集中的光電產(chǎn)品檢測(cè)能力，該測(cè)試技術(shù)服務(wù)中心是湖北省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)的重要組成部分，是省級(jí)光電測(cè)試技術(shù)服務(wù)公共平臺(tái)。該平臺(tái)在湖北省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組的直接領(lǐng)導(dǎo)下，依托武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2007年1月16日正式掛牌對(duì)社會(huì)開放服務(wù)。該中心可以開展的測(cè)試包括：光電子材料與器件測(cè)試，光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，激光器與激光應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)試，半導(dǎo)體照明器件與系統(tǒng)測(cè)試，光顯示光存儲(chǔ)器件與系統(tǒng)測(cè)試，光電子產(chǎn)品環(huán)境與可靠性測(cè)試，分析測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目涵蓋從材料到設(shè)備，從樣品到產(chǎn)品，從器件到系統(tǒng)，共計(jì)達(dá)到100多項(xiàng)。但目前國(guó)內(nèi)還沒有一個(gè)可以對(duì)LED照明燈具進(jìn)行戶外在線綜合測(cè)試的場(chǎng)地和平臺(tái)。而整個(gè)華南地區(qū)目前也尚沒有一家權(quán)威的LED產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，廣東省內(nèi)沒有專門針對(duì)LED產(chǎn)品提供一站式、全面檢測(cè)服務(wù)的機(jī)構(gòu)，大部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)能力都是針對(duì)LED產(chǎn)業(yè)某個(gè)分支產(chǎn)品，檢測(cè)能力和資源較為分散。廣東質(zhì)檢系統(tǒng)內(nèi)還沒有設(shè)立LED產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)。這種局面不利于LED產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈的形成，也不利于廣東省LED產(chǎn)業(yè)政策的具體落實(shí)。為解決該困境，在東莞市政府的鼎力支持下，以重大科技專項(xiàng)的形式，委托東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心和東莞理工學(xué)院等6家單位承擔(dān)了《半導(dǎo)體照明產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)體系研究建設(shè)項(xiàng)目》，其中東莞理工學(xué)院承擔(dān)子課題《LED測(cè)試基地建設(shè)》的相關(guān)內(nèi)容。

美國(guó)RPI照明研究中心早在2010年即公布了LED路燈實(shí)地測(cè)試結(jié)果[8]，實(shí)地研究不僅證實(shí)了LED路燈的能源效率，而且參與調(diào)查的志愿者對(duì)LED路燈光源的評(píng)判結(jié)果是等于或優(yōu)于高強(qiáng)度放電（HID）路燈。但國(guó)內(nèi)的實(shí)地測(cè)試結(jié)果卻令人擔(dān)憂，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)LED路燈檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)存在諸多弊端，如果檢測(cè)環(huán)節(jié)不合理，將極大地牽絆LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[9]。清華大學(xué)深圳研究生院半導(dǎo)體照明實(shí)驗(yàn)室副主任錢可元指出，發(fā)展到現(xiàn)在，LED路燈的檢測(cè)結(jié)果始終不理想。在分析光效、光衰、配光、色溫等技術(shù)問題時(shí)，檢測(cè)方法中存在的漏洞也逐漸暴露出來，例如2009年對(duì)深圳LED路燈進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)間跨度為113天，由春天開始，夏天結(jié)束。被測(cè)的LED路燈在道路上實(shí)際運(yùn)行1,200個(gè)小時(shí)。測(cè)試結(jié)果顯示戶外測(cè)試的平均光衰為14.1%，室內(nèi)的則為5.3%。“如果LED路燈產(chǎn)品的密封性做得很好的話，室內(nèi)和室外的光衰應(yīng)該是差不多的，除非是產(chǎn)品壞了。唯一不同的是室內(nèi)恒溫，室外溫度在變化。”錢可元指出了測(cè)試中的這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。由此可見如果檢測(cè)的手段不科學(xué)，LED照明這個(gè)朝陽產(chǎn)業(yè)將可能受到極大的牽絆。因此，建立能夠模擬LED戶外照明產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)LED照明產(chǎn)品進(jìn)行戶外的在線測(cè)試，逐漸摸索出最佳的測(cè)試測(cè)量手段就顯得尤為重要。

在廣東省和東莞市政府及質(zhì)量監(jiān)督部門的支持下設(shè)計(jì)和建設(shè)的LED戶外測(cè)試場(chǎng)即是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生的。LED戶外測(cè)試場(chǎng)主要包括LED路燈照度檢測(cè)，LED路燈壽命與電學(xué)參數(shù)檢測(cè)和LED景觀燈檢測(cè)三大部分組成，其中LED路燈照度檢測(cè)與道路照明直接相關(guān)，所涉及的問題也最多。因?yàn)槟壳皶簾oLED路燈的專門檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，參考傳統(tǒng)道路照明照度檢測(cè)的要求設(shè)計(jì)道路及燈桿的各種情形來對(duì)LED路燈的照度進(jìn)行檢測(cè)和研究顯得尤為重要。例如，如圖1道路剖面圖所示的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

該應(yīng)用場(chǎng)景中，道路總寬34m，由快行車道、慢行車道和綠化帶組成，道路分布雙向4車道，5條綠化隔離帶及兩側(cè)人行慢行道。如果道路采用LED路燈，路燈設(shè)置采用在中央隔離帶雙向單側(cè)布燈，路燈間隔約28m，光源距地面約9m的話，道路的照度情況如何，可以采用中心法布點(diǎn)測(cè)點(diǎn)照度，測(cè)試點(diǎn)位如圖2所示。

圖2 中心法測(cè)試點(diǎn)位圖

以上僅列舉了某一種具體的測(cè)試場(chǎng)景，而在實(shí)際的道路照明照度測(cè)試中，根據(jù)不同的道路情況[10]，如車道的寬度、車道的多少、布燈方式和距離的區(qū)別、測(cè)試方法的不同等等，將都需要測(cè)試場(chǎng)能夠進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。因此，在東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的LED戶外測(cè)試場(chǎng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中將各種可能的因素均考慮在內(nèi)，建設(shè)了如圖3所示總長(zhǎng)度160m，總寬度35m的戶外測(cè)試場(chǎng)，并在測(cè)試場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)和制造了12根可移動(dòng)、可升降的路燈燈桿，以滿足各種不同的測(cè)試需求。

圖3 LED戶外測(cè)試場(chǎng)實(shí)景圖

在該LED路燈戶外測(cè)試場(chǎng)中主要是要對(duì)照度進(jìn)行測(cè)試，而根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，無論是中心布點(diǎn)法還是四角布點(diǎn)法，都需要在測(cè)試場(chǎng)地上排布若干個(gè)照度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，為了方便對(duì)整個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，在該測(cè)試場(chǎng)地上我們用一臺(tái)可以在監(jiān)控室控制的全自動(dòng)小車拖動(dòng)支架上的一排照度計(jì)的方法來對(duì)戶外測(cè)試場(chǎng)的照度進(jìn)行全自動(dòng)化的測(cè)量和記錄，全自動(dòng)測(cè)試小車的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 路燈全自動(dòng)測(cè)試小車的結(jié)構(gòu)示意圖

LED照明戶外測(cè)試的另外兩部分主要要求對(duì)戶外照明設(shè)備的光通維持率和電流、電壓、電功率等基本參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)試，我們?cè)O(shè)計(jì)了可以采用無線傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)的測(cè)試設(shè)備來對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和記錄。

通過以上LED路燈照度檢測(cè)，LED路燈壽命與電學(xué)參數(shù)檢測(cè)和LED景觀燈檢測(cè)這三大平臺(tái)設(shè)計(jì)和建設(shè)，廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心已基本完成國(guó)家半導(dǎo)體光源產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的相關(guān)檢測(cè)平臺(tái)的建設(shè)，并希望該測(cè)試基地能夠?yàn)閺V東省，甚至全國(guó)的LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，幫助相關(guān)企業(yè)盡快完善其產(chǎn)品，并逐步建立健全LED照明產(chǎn)品的地方和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

[1]王鵬. LED路燈的使用現(xiàn)狀分析.節(jié)能技術(shù)，2012.1,76～78

圖1 道路剖面圖

[2]郭磊. LED路燈應(yīng)用的可行性分析.電氣技術(shù)，2012.7,34～36

[3]杞人.廣東推廣使用LED照明工作進(jìn)入全面沖刺階段.科技日?qǐng)?bào)，2013年6月21日，第012版

[4]鐘軒.中山火炬今年將投9000萬元實(shí)施LED路燈節(jié)能改造.科技日?qǐng)?bào)，2013年4月19日，第012版

[5]李文潔. LED路燈改造16鎮(zhèn)街將發(fā)布標(biāo)書.東莞日?qǐng)?bào)，2013年6月26日，第A07版

[6]何秋霞.勤上光電頻頻告捷斬獲2524萬元LED路燈項(xiàng)目.中國(guó)電子報(bào)，2013年3月1日，第012版

[7]同花順金融服務(wù)網(wǎng).我國(guó)LED路燈行業(yè)質(zhì)量現(xiàn)狀堪憂，2013年8月10日

h t t p://n e w s.1 0 j q k a.c o m.c n/field/20130810/544281755.shtml

[8]中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)，美國(guó)RPI照明研究中心公布LED路燈實(shí)地測(cè)試結(jié)果，2010年4月30日http://www.ledwn.com/news/show-1069.html

[9]中國(guó)OLED網(wǎng). LED路燈的檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系其發(fā)展前景.2010年12月6日

http://www.oledw.com/zhaoming/201012/2954_2.shtml

[10]中華人民共和國(guó)建設(shè)部，城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ45-2006，2006年12月19日發(fā)布;2007年7月1日實(shí)施