Исследователи разработали новую светодиодную фару для поезда, которая потребляет в десять раз меньше энергии, чем фары, использующие обычные источники света. При эксплуатации по 8 часов каждый день экономия электроэнергии новой конструкции сократит выбросы парниковых газов двуокиси углерода примерно на 152 кг в год.
Железнодорожные фары не только освещают путь впереди, но и играют важную роль в железнодорожных перевозках. Поскольку поезда трудно остановить, фары должны быть видны с достаточно большого расстояния, чтобы у людей или транспортных средств на путях было достаточно времени, чтобы уйти с дороги. Традиционные фары для поездов, в которых используются лампы накаливания или галогенные лампы, достаточно яркие, чтобы соответствовать правилам безопасности, но они не очень энергоэффективны, поскольку большая часть энергии, питающей свет, преобразуется в тепло, а не в видимый свет.
Исследователи во главе с Гуо-Зун Дж. Су из Лаборатории микрооптических устройств Высшего института фотоники и оптоэлектроники Национального тайваньского университета, Тайвань, обратились к инженерно-конструкторской компании Lab H2 Inc. с предложением разработать локомотивных фар, в которых в качестве источника света используются светодиоды. Помимо того, что они потребляют меньше энергии, светодиоды также служат дольше, они меньше по размеру и более прочны, чем традиционные источники света.
"Некоторые светодиодные фары, продаваемые на рынке, содержат множество светодиодов, выходы которых перекрываются на больших участках. Эти конструкции потребляют много энергии», - сказал Вей-Лун Лян из Лаборатории микрооптических устройств, который сыграл важную роль в разработке новой фары для поезда. «Наше исследование показало, что потребление электроэнергии можно сократить, сосредоточившись на наилучшем способе распределения света. Энергия светодиодов одинакова."
В журнале The Optical Society Applied Optics Лян и Су сообщают о новой конструкции фар для поездов, основанной на десяти точно расположенных высокоэффективных светодиодах. В конструкции используется в общей сложности 20,18 Вт для достижения той же интенсивности света, что и у лампы накаливания или галогенной лампы, потребляющей несколько сотен Вт. Новая фара также может быть затемнена путем отключения некоторых светодиодов, чтобы, например, не ослеплять ожидающих пассажиров, когда поезд проезжает платформу.
Энергоэффективность
Как и в автомобилях, фары для поездов обычно сочетают в себе источник света с параболической или чашеобразной отражающей поверхностью, которая фокусирует излучаемый свет в луч. Хотя светодиоды являются отличным вариантом для экономии энергии, самые энергоэффективные светодиоды излучают меньшие световые пятна. По этой причине исследователям пришлось объединить небольшие выходы нескольких высокоэффективных светодиодов в более крупный круглый выход, чтобы создать луч, достаточно большой, чтобы его можно было использовать в качестве фары поезда.
«Объединение нескольких светодиодов обходится дороже и потребляет больше электроэнергии, чем использование нескольких одиночных светодиодов», - сказал Лян. «Таким образом, нам нужно было определить, как наилучшим образом расположить наименьшее возможное количество высокоэффективных светодиодов, необходимых для удовлетворения требований, путем анализа того, как параболическая поверхность отражает свет светодиодов».
Целью исследователей была фара, которая обеспечивала бы свет в 1,25 раза больше, чем требуется по федеральным нормам США. Эти правила требуют, чтобы фары поездов имели пиковую силу не менее 200 000 кандел и освещали человека на расстоянии не менее 800 футов перед фарой.
Размещение светодиодов для экономии энергии и соответствия федеральным нормам столкнулось с рядом проблем. Исследователи должны были быть осторожны, чтобы перекрыть выходы светодиодов ровно настолько, чтобы создать большой луч, но не настолько, чтобы потребовалось больше светодиодов и, следовательно, больше энергии. Кроме того, светодиоды должны быть расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы рассеивать тепло и предотвратить повреждение цепи.
Расположение светодиодов Чтобы создать высокоэффективную фару для поезда, исследователи использовали два полукруглых параболических алюминизированных отражателя. При совместном использовании сильные лучи от каждого отражателя объединяются для создания интенсивности света, необходимой для соответствия федеральным нормам. Эта конструкция также упростила размещение цепей, необходимых для питания светодиодов, поскольку их можно было разместить в горизонтальной перегородке, разделяющей отражатели.
Чтобы определить, где разместить светодиоды в отражателях, исследователи сначала оценили наилучшее расположение каждого светодиода, а затем использовали серию тестов и симуляций для точной настройки конечного положения для каждого светодиода на основе его соответствующего освещения. шаблон.«Другие ученые могут использовать полученное нами линейное уравнение для определения приблизительного положения светодиодов для других приложений», - сказал Лян. «Это может существенно сократить время, необходимое для определения положения светодиода перед его точной настройкой».
Исследователи отмечают, что в фарах обычно используется полная параболическая поверхность отражателя. «Мы считаем, что это первая конструкция, в которой используется комбинация двух полупараболических отражающих поверхностей», - сказал Лян. «Систематически анализируя конструкцию для определения наилучшего размещения светодиодов в отражателе, мы смогли минимизировать потребление электроэнергии, удовлетворяя при этом требования, связанные с безопасностью дорожного движения».
В настоящее время исследователи работают над тем, чтобы превратить свою разработку в коммерческий продукт. Несмотря на то, что новый дизайн демонстрирует низкое энергопотребление, он по-прежнему выделяет некоторое количество отработанного тепла. Прежде чем проект можно будет коммерциализировать, исследователям необходимо будет разработать и протестировать систему отвода тепла для новой фары.