Новый мощный светодиодный фонарь для поездов будет экономить электроэнергию
Новая конструкция фар для поездов использует два полукруглых параболических или чашеобразных алюминированных отражателя с высокоэффективными диодами, расположенными в плоскости, где два отражателя соединены друг с другом. Связанность сильных лучей с каждого отражателя создает большую интенсивность света, необходимую для безопасности во время движения. (Фото: Вэй-Лун Лян, Национальный университет Тайваня ©)
Исследователи разработали новую фару на основе светодиодов, которые используют десятую часть энергии, по сравнению с обычными фарами, с использованием обычных ламп. При 8 часовой работе в день новые фары способны сократить выброс углекислого газа примерно на 152 килограмма в год.
Фары поезда не только освещают пути впереди, но и играю важную роль в железнодорожном передвижении. Поскольку поезд тяжело остановить, фары должны быть видны с достаточного большого расстояния, чтобы люди могли быстро среагировать на приближение поезда, и освободить путь движения. Традиционные поездные фары, которые обычно используют лампы накаливания или галогенные лампы, достаточно яркие, что удовлетворяют правила техники безопасности, но потребление их энергии не очень эффективно, так как большая часть их энергии преобразуется в тепло, а не в видимый свет.
Исследователи во главе с Го-Данг Дж. Су из Лаборатории микрооптических устройств Высшего института фотоники и отпоэлектроники в Национальном университете Тайваня, обратились к инженерно-конструкторской компании Lab H2 Inc., чтобы спроектировать локомотивные фары, которые используют светодиоды, как источник света. Почему именно светодиоды? Светодиоды – потребляют меньшее количество энергии, и срок службы у них намного больше, чем у обычных ламп, также они малы по своему размеру и очень прочны.
“Некоторые светодиодные фары, продаваемые на рынке, спроектированы в основном с большим количеством светодиодов. Такие конструкции тратят очень много энергии”, - сказал Вэй-Лун Лян из Лаборатории микрооптических устройств, который сыграл важную роль в разработке новых фар. “Проведенные исследования показали, что потребление электроэнергии можно сократить за счет фокусировки, и лучшим способе распределения энергии светодиода в равной степени”.
В журнале Optical Society Applied Optics Лян и Су показывают новый проект фары поезда, основанный на десяти точно позиционированных высокоэффективных светодиодах. В проекте используется 20.18 Вт для достижения такой же интенсивности света, как лампы накаливания или галогенные лампы, которые использует несколько сотен ватт. Новая фара также может быть затемнена путем отключения некоторых светодиодов, чтобы избежать ослепления ожидающих пассажиров, когда поезд подходит к платформе.
Проектирование энергоэффективности
Фары которые используются для автомобилей, такие же как и фары для поездов, состоит из источника света и параболической или чашеобразной отражающей поверхности, которая фокусирует излучаемый свет в луч. Хоть и светодиоды являются отличным вариантом для экономии энергии, самые энергосберегающие светодиоды излучают очень мыле лучи света. Поэтому исследователи должны были объединить высокоэффективные светодиоды так, чтобы создавался довольно мощных луч света, для использования его в качестве фары поезда.
Исследователи разработали фары поезда, которые используют два полукруговых параболических аллюминированных отражателя, содержащих высокоэффективные светодиоды см. рис. (а).
Размещение каждого светодиода в верхнем отражателе показано на Рис. (b).
Рис. (c) показывает шаблоны освещения, соответствующие светодиодам 1-5, расположенным как на рис. (b), демонстрируя отдельные и комбинированные области освещения от пяти светодиодов в верхнем отражателе. При совместном использовании два отражателя образуют круговую диаграмму освещения. (Фото: Вэй-Лун Лян, Национальный университет Тайваня ©)
“Сочетание нескольких совместных светодиодов выходит дороже и увеличивает потребление электроэнергии, нежели чем использовать несколько светодиодов по отдельности ”, - сказал Лян. “Таким образом, нам нужно было определить, каким лучше образом позиционировать минимально возможное количество высокоэффективных светодиодов, необходимых для удовлетворения требований безопасности, а также проанализировать, как параболическая поверхность отражает лучи света исходящие от светодиодов”.
Главная цель исследователей, это создание фары, которая обеспечивала бы 1,25-кратную световую яркость, требуемую федеральными правилами США. Эти правила требуют, чтобы фары для поездов имели максимальную интенсивность не менее 200 000 кандел и освещали человека на расстоянии 800 футов впереди.
Позиционирование светодиодов для экономии энергии и соответствия федеральным правилам вызвало ряд проблем. Исследователи должны были сделать так, чтобы создаваемый луч света, не зависел от количества светодиодов, и естественно не превышал количество потребляемой энергии. Кроме того, светодиоды должны были быть расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы избежать перегрева, рассеивания температуры и повреждения платы.
Позиционирование светодиодов
Чтобы создать высокоэффективную фару, исследователи использовали два полукруговых параболических аллюминированных отражателя. При их использовании лучи от каждого отражателя объединяются, чтобы генерировать достаточную интенсивность света, необходимую для соответствия федеральным правилам. Эта конструкция также упростила размещение цепей, необходимых для питания светодиодов, поскольку они могут размещаться в горизонтальном делителе, разделяющем отражатели.
Чтобы определить, где разместить светодиоды в отражателях, исследователи сначала оценили наилучшее местоположение каждого светодиода, а затем использовали серию тестов и симуляций для точной настройки конечной позиции для каждого светодиода на основе соответствующего шаблона освещения.
“Другие ученые могут использовать линейные уравнения, которые мы получили для определения приблизительных положений светодиодов для других положений”, - сказал Лян. ”Это может существенно сократить время, необходимое для определения позиционирования светодиодов, прежде чем проводить тонкую настройку позиции”.
Исследователи отмечают, что фары обычно используют полную поверхность параболического отражателя.
“Мы считаем, что это первый проект, который использует комбинацию двух полупараболических поверхностей отражателей”, - сказал Лян. “Систематически анализируя проект для определения наилучшего размещения светодиодов в отражателе, мы смогли свести к минимуму потребление электроэнергии при соблюдении требований, связанных с безопасностью движения”.
Исследователи теперь работают над превращением своего проекта в коммерческий продукт. Несмотря на то, что новый проект демонстрирует низкое энергопотребление, он все еще генерирует некоторое количество тепла. Прежде чем проект может быть коммерциализирован, исследователям необходимо будет разработать и протестировать систему рассеивания тепла для новой фары.