Конструктивные особенности светильников наружного размещения для холодной климатической зоны

В настоящее время особое внимание уделяется энергоэффективным технологиям и устройствам ( Об утверждении… , 2011), ужесточаются технические требования, предъявляемые к современным осветительным приборам, и тем самым инициируются глубокие качественные изменения в технических и физических принципах организации источников света. Источники света нового поколения базируются преимущественно на применении мощных светодиодов, которые имеют существенные техникоэкономические преимущества по сравнению с традиционными источниками света. В работе рассмотрены факторы, касающиеся конструктивных особенностей светодиодных светильников при эксплуатации их в холодной климатической зоне в условиях длительной полярной ночи.

Яров В.Н. и др. Конструктивные особенности светильников…

3.    Конструктивные особенности теплоотводов

При производстве светильников различной мощности особый подход используется в устройстве корпусов, которые являются теплоотводами, и для них применяется унифицированный алюминиевый профиль, отличающийся только по длине.

Этот метод, также предложенный авторами статьи, позволяет упростить технологию, увеличить выпуск продукции за единицу времени и, как следствие, – снизить отпускные цены на готовые изделия.

Дополнительный ресурс экономии заложен в возможности уменьшения площади теплоотвода (т.е. размеров корпуса) светильников наружного размещения, предназначенных для эксплуатации в северных регионах (категория ХЛ). При этом профиль для корпусов может иметь небольшую ребристость, а в отдельных случаях вообще быть гладким, что также способствует снижению производственных расходов. Уменьшение габаритов корпуса приводит и к уменьшению ветровой нагрузки, а следовательно, – к упрощению и удешевлению конструкции крепёжной арматуры и несущих опор. Удельная площадь теплоотвода может составлять 15…20 см2/Вт. Теплотехнические расчёты и натурные эксперименты, проведённые в МГТУ с макетом светильника мощностью 80 Вт, подтвердили это положение. Условия и результаты экспериментов приведены в табл. 1 .

Таблица 1

Параметр	Испытания в помещении	Наружные испытания
Продолжительность, ч	6	48
Температура среды, °С	+18…+20	–8…–10
Скорость ветра, м/с	0…0,2	5…10
Удельная площадь теплоотвода, см2/Вт	15	15
Максимальная температура теплоотвода в площади контакта с матрицей, °С	71	57

Температура теплоотвода при испытаниях измерялась контактным способом прибором DT838.

4.    Выбор драйвера и схемы питания матриц

Не менее важным, чем матрица, элементом светильника является драйвер. Фактически светильник по электрической схемотехнике представляет из себя систему "драйвер – матрица". Важнейшие технические параметры светильника: потребляемая из первичной сети мощность, КПД, отклонение питающего напряжения от номинала, отклонение частоты питающего напряжения от номинала, период безотказной работы и другие зависят как от правильного выбора самого драйвера, так и от схемы подключения матриц к драйверу.

Наиболее надёжной признана схема, в которой каждая матрица питается от своего драйвера. Однако эта схема наименее экономична в смысле энергосбережения, да и цена светильника с несколькими драйверами окажется значительной.

Менее надёжна, зато максимально экономична схема с питанием нескольких матриц от одного драйвера. Здесь возможны варианты: последовательное подключение нескольких матриц, параллельное, последовательно-параллельное.

Тестирование большого количества драйверов различных производителей в режиме неразрушающего контроля показало, что далеко не все из них имеют параметры, заявленные производителями или дистрибьютерами.

Стандартные светильники российских производителей в основном собираются на одном драйвере, тип которого зависит от мощности светильника и выбранной схемы подключения матриц. При этом рекомендуется использовать высоконадёжные драйверы ведущих мировых производителей.

При выборе драйвера для светильников категории ХЛ особое внимание следует обращать на рабочий температурный диапазон устройства. Рекомендуется выбирать драйвер, рассчитанный на –40…+65 °С или с лучшими параметрами. Необходимость применения морозостойких драйверов, собранных на специальной элементной базе, повышает стоимость светильника. Драйвер может быть оборудован функцией димминга, в отличие от люминесцентных энергоэффективных технологий, что также повышает его стоимость, но позволяет эксплуатировать светильник в экономичном режиме, уменьшая интенсивность излучаемого светового потока при увеличении уровня внешней (естественной) освещённости, например, в утреннее время.

источники света, а это ртутные и натриевые дуговые лампы высокого давления, имеют почти сферические пространственные диаграммы направленности, что не только уменьшает силу света в нужном направлении, но и требует оснащения светильников светоотражательными устройствами (рефлекторами), формирующими требуемую диаграмму. Указанные факторы удорожают производство и эксплуатационные расходы традиционных светильников и снижают их КПД.

Светодиодные же матрицы имеют коническую пространственную диаграмму направленности. Соответствующий ей плоский угол в вершине конуса составляет 90°…140° для разных типов матриц. Это не только существенно увеличивает силу света без каких-либо дополнительных технических мероприятий, но и позволяет вообще обойтись без рефлекторов в конструкции светильников – при условии применения поликарбонатных рассеивателей с низким коэффициентом отражения.

Использование же дискретных светодиодов в светильниках требует, как правило, применения коллиматорных линз для формирования нужной кривой силы света (КСС), что приводит к дополнительным расходам.

Другими словами, матрица уже имеет собственную диаграмму направленности, которая не требует никакой дополнительной коррекции. При этом общая диаграмма направленности светильника будет определяться лишь количеством матриц в нём и их взаимным пространственным расположением.

На рисунке приведена КСС четырёхматричного макета с линейной однорядной ориентацией матриц вдоль осевой линии корпуса светильника. КСС построена в экваториальной и меридиональной плоскостях с шагом 10°. Данные для построения снимались с помощью поворотной угломерной системы, с закреплённым на ней светильником, и фотометра DT-1308, установленного на расстоянии 5 м от светильника. Из каждого отсчёта вычиталась величина паразитной засветки, производилось нормирование и построение диаграммы в соответствии с требованиями ( ГОСТ Р 54350-2011 , 2011) и рекомендациями ( Козловская и др ., 2008).

Рис. Нормированная КСС светильника ДКУ4-90 УХЛ1 в характерных меридиональных плоскостях

6.    Практическая реализация

На основании расчётов и натурного макетирования, произведённого в МГТУ, были сформулированы технические требования и рекомендации, на основании которых была разработана проектная документация и фирмой "ООО МаксиСвет" создан светильник ДКУ4-90 УХЛ1, успешно прошедший отраслевую сертификацию и запущенный в производство.

Светильник предназначен для освещения улиц, дорог, мостов, тоннелей, автозаправок, площадей, дворов, складов, производств, железнодорожных платформ, открытых спортивных сооружений и т.д. Техническая характеристика данного светильника представлена в табл. 2.

7.    Выводы

Системы наружного освещения в условиях длительной полярной ночи должны быть реализованы преимущественно на светодиодной основе, что даёт возможность экономии электроэнергии за счёт высокого КПД светодиодных светильников и снижения эксплуатационных расходов за счёт повышенных надёжности и долговечности.

Яров В.Н. и др. Конструктивные особенности светильников…

Светодиодные светильники лучше строить на основе мощных светодиодных матриц, а не дискретных светодиодов, что удобнее с точки зрения как производства, так и эксплуатации.

Таблица 2. Технические характеристики ДКУ4-90 УХЛ1

№	Наименование параметра	Характеристика
1	Номинальное напряжение сети, В	170-260
2	Частота питающей сети, Гц	45-65
3	Потребляемая мощность, Вт	90
4	Цветовая температура, К	6000-6500
5	Рабочий ток, не более А	0,42
6	Световой поток не менее, Лм	9400
7	Угол свечения, град.	120
8	Кривая силы света (КСС)	Косинусная (согласно СНиП 23-05-2010)
9	Степень защиты	IP65
10	Габаритные размеры ДXШXВ, мм	470 X250X 70
11	Масса не более, кг	4,5
12	Температурный режим, °С	–60+50
13	Рассеиватель	Поликарбонат
14	Гарантия на светомодуль/источник тока, лет	4/4

Свойственный Заполярью низкотемпературный режим эксплуатации позволяет снизить массогабаритные параметры теплоотводов, однако при этом предъявляются более жёсткие требования к драйверам питания.

Режим длительной непрерывной эксплуатации светильников в период полярной ночи является причиной выбора качественной элементной базы – драйверов и самих светоизлучающих матриц. Этот же фактор увеличивает вероятность выхода из строя отдельных светоизлучающих элементов в составе матриц, что усложняет схемотехнические решения защиты оставшихся в работе элементов для сохранения частичной работоспособности светильника в аварийной ситуации.

Таким образом, к светильникам категории ХЛ, используемых в районах Крайнего Севера, предъявляются более жёсткие технические требования, чем к их аналогам, предназначенным для работы в других климатических зонах.