基于逆向優(yōu)化設(shè)計(jì)的高能量利用率LED路燈透鏡

閉春芳

【摘 要】在以往的路燈照明建設(shè)中，不僅質(zhì)量不高，路燈的利用率也很低。為了改善這一問題，文章提出了逆向優(yōu)化設(shè)計(jì)的高能量利用率LED路燈透鏡。為了使人們更加了解這種照明工具，文章對其進(jìn)行了研究，首先分析了逆向優(yōu)化道路照明LED路燈配光曲線，其次闡述了分離變量優(yōu)化設(shè)計(jì)斷續(xù)曲面透鏡，最后對設(shè)計(jì)實(shí)例與對比進(jìn)行了分析，使該種照明燈具在城市化建設(shè)中實(shí)現(xiàn)更好地應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】逆向優(yōu)化；設(shè)計(jì)；高能量利用率；LED路燈透鏡

【中圖分類號】TM923.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0055-03

0 引言

當(dāng)前，路燈照明建設(shè)在城市化建設(shè)中占據(jù)的地位越來越高。通過對燈具進(jìn)行研究，使以往的高壓鈉燈發(fā)生了改變，逐漸在燈具中加入了二極管，使LED燈成為道路照明的主要工具。而在LED燈設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往只注重單位面積上所接受可見光的光通量，而忽略了照明的亮度，致使道路上出現(xiàn)亮度不均勻的問題，不斷產(chǎn)生亮與暗的橫帶，從而使夜間出行的人們常常會出現(xiàn)“斑馬效應(yīng)”，增加了道路的安全隱患。在以往的LED燈設(shè)計(jì)當(dāng)中，通常是使用具有對稱功能的透鏡制成的，在繪制該燈具的配光曲線時(shí)，往往是對稱的，一般的光能量照射到機(jī)動車道上，另一半照射在非機(jī)動車道上，使得光能量出現(xiàn)了嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象，不僅其能量利用率不高，而且還會增加電力能源的消耗。為了改善這一問題，在一些地區(qū)對其進(jìn)行了一定的改造，在安裝燈具時(shí)，將其與路面的仰角進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，改變?yōu)?0～20 cm，這樣就將上述能量利用率不高與浪費(fèi)能源的問題解決了，但是又會出現(xiàn)新的問題，人們在夜間行走時(shí)，由于路燈仰角較大，就會使行人視野中存在不適宜亮度的分布，或者是在空間上出現(xiàn)極端的亮度對比，從而容易讓行人產(chǎn)生眩光的問題，在一定程度上增加了道路安全的隱患。因此，加強(qiáng)對基于逆向優(yōu)化設(shè)計(jì)的高能量利用率LED路燈透鏡進(jìn)行研究具有重要的意義。

1 逆向優(yōu)化道路照明LED路燈配光曲線

3 設(shè)計(jì)實(shí)例與對比分析

3.1 LED配光曲線優(yōu)化結(jié)果

在對比的過程中，將研究目標(biāo)劃分為10×10的網(wǎng)格，規(guī)定xmax為40 m，ymax為12.5 m，A與B都為3，將其帶入余弦多項(xiàng)式函數(shù)，就可以得到如圖3所示的配光曲線。根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)，配光曲線以0°或180°平面為基準(zhǔn)，左右兩側(cè)相互對應(yīng)，即對稱型，而以90°或270°平面為基準(zhǔn)，左右兩側(cè)相互之間沒有對稱關(guān)系，即為非對稱型，同時(shí)中心光強(qiáng)都集中在道路中間的部分。之后將其輸入Dialux軟件中，進(jìn)行進(jìn)一步的模擬仿真工作。在該模擬仿真中，主要是對道路進(jìn)行模擬，在路燈排布時(shí)，道路兩側(cè)是相對應(yīng)安放的，每兩個(gè)路燈之間相距30 m，路燈的高度H為5 m，并與路面保持平行狀態(tài)，從4個(gè)角度分別進(jìn)行觀察。在觀察的結(jié)果中，路燈的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了道路照準(zhǔn)的要求，而且配光曲線的差距與實(shí)際的非常小[8]。因此，獲得的配光曲線非常理想。

3.2 斷續(xù)自由曲面透鏡仿真與優(yōu)化

在該項(xiàng)對比中，目標(biāo)面規(guī)定為40 m×17.5 m，將其平均分成100×200的小網(wǎng)格，并將其安放到距透鏡10 m處，將（0，6，0）作為其透鏡的初始頂點(diǎn)。而且使用的透鏡為PMMA材料制成的，因此其折射率nin為1.493，通過分離變量優(yōu)化中的公式就可以得到相應(yīng)的模型，將其導(dǎo)入CREE Xlamp XPE Ray中，對其進(jìn)行模擬仿真，完成反饋優(yōu)化環(huán)節(jié)，得到理想的透鏡模型。在該模型中，其總體尺寸為33.8 mm×16.6 mm×10.2 mm，表面為斷續(xù)曲面（如圖3所示[9]）。

3.3 道路實(shí)例照明對比分析

在進(jìn)行照明仿真中可以發(fā)現(xiàn)，路燈的亮度為0.64，單位面積上所接受可見光的光通量為0.732，與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，均達(dá)到了使用的要求。為了將其優(yōu)越性能更好地體現(xiàn)出來，就將其與傳統(tǒng)的LED路燈進(jìn)行了比較，在比較中可以發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的路燈配光曲線中，與該種路燈相比而言，配光曲線的數(shù)值較大，亮度為0.40，達(dá)不到道路照明的要求，不僅會出現(xiàn)“斑馬效應(yīng)”，而且還會存在資源浪費(fèi)的現(xiàn)象；而該項(xiàng)研究中的路燈配光曲線的數(shù)值相對較低，只有0.067左右，達(dá)到了道路照明的要求，提高了路燈的能量利用率[10]。

4 總結(jié)

綜上所述，在道路建設(shè)中使用逆向優(yōu)化設(shè)計(jì)的高能量利用率LED路燈透鏡，與傳統(tǒng)的LED燈相比，單位面積上所接受可見光的光通量相對較高，有效地增加了能量利用率，而且在配光曲線中可以發(fā)現(xiàn)，能夠減少1/5左右的能量使用，滿足當(dāng)前我國可持續(xù)發(fā)展的要求，具有很高的利用價(jià)值。隨著社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種現(xiàn)金技術(shù)的更新，因此，不能停止對逆向優(yōu)化設(shè)計(jì)的高能量利用率LED路燈透鏡研究的步伐，使其在社會發(fā)展各個(gè)階段中都能起到應(yīng)有的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]