Oprawa LED do oświetlenia przejść dla pieszych

Transkrypt

1 Piotr Jaskowski 1, Agnieszka Jastrzębska 2 Politechnika Warszawska, Wydział Transportu, Koło Naukowe Elektrotechniki w Systemach Transportowych Oprawa LED do oświetlenia przejść dla pieszych 1. WSTĘP Transport towarów i ludzi odgrywa ważną rolę społeczno-gospodarczą w kraju. Nieustanny wzrost zapotrzebowania na świadczenie usług transportowych wiąże się z rozbudową i modernizacją infrastruktury drogowej. Ważnym elementem tej infrastruktury są przejścia dla pieszych. Z punktu widzenia transportu najistotniejszym jest zapewnienie wysokiego poziomu bezpieczeństwa wszystkich uczestników ruchu drogowego także pieszych, w szczególności w nocnych warunkach jazdy. Bezspornym priorytetem eksploatacji instalacji oświetlenia drogowego, szczególnie w obszarach silnie zurbanizowanych gdzie występuje wzmożony ruch pieszych jest ograniczenie liczby wypadków w porze nocnej. Badania wykazują, że zastosowane dodatkowe oświetlenie zmniejsza liczbę wypadków w nocy o 30 45% [1, 2]. W Polsce obecnie brakuje wytycznych dotyczących prawidłowego oświetlenia przejść dla pieszych [3]. Jak wynika z badań [3] oraz normy [4] kluczowe jest utrzymanie poziomu natężenia oświetlenia na płaszczyźnie pomiarowej przechodzącej przez środek przejścia dla pieszych minimum 50lx. Można wyróżnić trzy czynniki, które należy uwzględnić projektując oświetlenie przejścia dla pieszych: wyróżnienie obszaru przejścia spośród przestrzeni drogowej otoczenia, zapewnienie kierowcy odpowiednich warunków obserwacji pieszego znajdującego się bezpośrednio na przejściu oraz w strefie oczekiwania, zapewnienie pieszemu odpowiednich warunków obserwacji pojazdu zbliżającego się do przejścia dla pieszych. W celu spełnienia tych wymagań stosuje się oświetlenie uliczne lub dodatkowe oświetlenie usytuowane w pobliżu przejścia dla pieszych. Aby zapewnić w porze nocnej kierowcy pojazdu pełne rozpoznanie geometrii przejścia i możliwość pewnego rozpoznania sytuacji drogowej należy zastosować oprawę o określonym kierunku emisji wiązki świetlnej [5, 6, 7]. Najkorzystniejsze efekty oświetlenia przejść dla pieszych można uzyskać dzięki zamontowaniu w pobliżu przejścia dla pieszych dodatkowych opraw. Takie rozwiązanie wyraźnie wyróżnia zastosowane oprawy i samo miejsce przejścia dla pieszych. Dobre efekty daje też zastosowanie wysięgników i usytuowanie na ich końcach opraw oświetleniowych. Oprawy oświetleniowe zwykle zawieszone są na wysokości pomiędzy 4,5 a 6m nad jezdnią, w odległości ok. 1-2m przed przejściem dla pieszych. Jednym z zabiegów wyróżniających obszar przejścia dla pieszych jest zastosowanie odmiennej barwy źródła światła. Dla przykładu na ulicach oświetlonych źródłami sodowymi wyróżnienie obszaru przejścia może być zrealizowane za pomocą lamp metalohalogenkowych bądź wykonanych w technologii LED. W obszarze przejścia dla pieszych ze względu na potrzebę uzyskania wysokich poziomów luminancji pieszego i związane z tym zastosowanie opraw ze źródłami o znaczącym strumieniu świetlnym należy dążyć do unikania olśnienia emitowanego w kierunku kierowców nadjeżdżających pojazdów [5, 6, 7]. Często ograniczenie olśnienia z jednego kierunku ruchu może skutkować zwiększeniem jego poziomu z kierunku przeciwnego. Takie sytuacje mogą prowadzić do obniżenia percepcji wzrokowej kierowców (olśnienie). Zalecanym rozwiązaniem jest stosowanie opraw o niesymetrycznej bryle światłości oświetlającej sylwetkę pieszego z kierunku ruchu pojazdu (wartość natężenia oświetlenia na płaszczyźnie pionowej E h ) oraz stosowanie przysłon ograniczających emisję wiązki świetlnej w kierunkach niepożądanych. Realizacja funkcji oświetleniowych wiąże się z minimalizacją zużycia energii elektrycznej. W zdecydowanej większości niebezpieczne przejścia dla pieszych znajdują się na obszarach 1 piotr.jaskowski0@gmail.com 2 jarzkaa@gmail.com Logistyka 4/

2 zurbanizowanych, lecz istnieją także takie, do których doprowadzenie linii zasilającej jest kłopotliwe lub nieopłacalne. W tym przypadku jest możliwość wykorzystania autonomicznych, hybrydowych układów zasilania wykorzystujących ogniwa fotowoltaiczne, generatory wiatrowe wraz z zasobnikiem akumulatorowym. Współpracujące w tym systemie oprawy wykonane są najczęściej w technice LED i stanowią alternatywę dla innych źródeł światła. Obecnie zarówno na świecie jak w Polsce stosuje się coraz częściej oprawy wykorzystujące półprzewodnikowe źródła światła. Dostępne oprawy LED dedykowane dla przejść dla pieszych wykorzystują układy optyczne do realizacji symetrycznego rozsyłu wiązki świetlnej. Przykładem takiego rozwiązania jest system Solarnego Systemu Oświetlenia Dróg produkcji jednej z polskich firm [8]. Oprawy LED zasilane są hybrydowo, za pomocą ogniw fotowoltaicznych, generatora wiatrowego i akumulatora. Zaletą sytemu SSOD jest możliwość doświetlenia tych przejść na których nie ma możliwości doprowadzenia konwencjonalnej linii zasilającej. W systemie wykorzystywana jest specjalnie zaprojektowana oprawa LED (model 18/2) [8]. Oprawa cechuje się symetryczną i skupioną wiązką świeltlną. Wiązka o takim rozsyle nie jest w stanie zapewnić oświetlenia całej szerokości jezdni na której znajduje się przejście dla pieszych. Jak wynika z obserwacji, montaż tej oprawy wymaga skierowania płaszczyzny świecącej w kierunku przejścia dla pieszych. Jest to niekożystny zabieg, skutkujący zwiększeniem luminancji powierzchni świecącej oprawy i może powodować olśnienie zbliżających się do przejścia kierowców. Rys. 1. Oprawa LED systemu SSOD oraz jej symetryczny rozsył wiązki świetlnej w płaszczyznach C0-C180 oraz C90-C270 Źródło: opracowanie na podstawie [8]. Poza zaprezentowaną powyżej oprawą [8] w Polsce nie stosowano dotychczas dedykowanych do świetlenia przejść dla pieszych opraw ze źródłami LED oraz z rozsyłem jednokierunkowym, asymetrycznym. Porównywanie opraw LED z innymi oprawami wyposażonymi w źródła wyładowcze nie jest uzasadnione ze względu na zdecydowanie wyższy strumień świetlny tych źródeł i odmiennie skonstruowany układ optyczny. W Polsce brakuje także prac badawczych poświęconych budowie układów optyczno-świetlnych dedykowanych do oświetlenia przejść dla pieszych. Pod tym względem podjęty temat badawczy jest unikalny w skali krajowej. 2. OPRAWA LED ZAPROJEKTOWANA PRZEZ KOŁO NAUKOWE KNEST W ramach realizowanego przez Koło Naukowe Elektrotechniki w Systemach Naukowych KNEST Grantu Rektorskiego [9] wykonano oprawę LED przeznaczoną do oświetlenia przejścia dla pieszych. Projekt oprawy wykonano w oprogramowaniu Dialux 4.10 [10] (rys. 2). Oprogramowanie jest darmowym środowiskiem wspomagającym proces projektowania oświetlenia. Na potrzeby projektu zamodelowano jezdnię z przejściem dla pieszych Logistyka 4/2014

3 Rys. 2. Środowisko projektowania Dialux 4.10 Źródło: opracowanie na podstawie [9]. Na potrzeby symulacji przyjęto następujące założenia: obliczenia będą prowadzone na drodze jednojezdniowej dwukierunkowej o jednym pasie ruchu dla każdego kierunku, całkowita szerokość jezdni wynosi 7m, wymiary przejścia dla pieszych to 9x4m, oprawy zamontowane będą na wysokości 4,5m nad nawierzchnią jezdni, oprawa znajduje się przy krawędzi jezdni 2,5 m od osi poprzecznej przejścia dla pieszych, oprawa będzie się składać z wielu diod LED wyposażonych w optykę skupiającą wiązkę świetlną, wartość natężenia oświetlenia na płaszczyźnie pionowe przechodzącej przez oś przejścia dla pieszych będzie wynosiła minimalnie 50lx. W projekcie zdecydowano się wykorzystać diody LED serii XPG firmy CREE [11] (rys. 3). Rys. 3. Dioda LED XPG firmy Cree Źródło: opracowanie na podstawie [11]. Logistyka 4/

4 Podstawowe parametry Diody LED typu XLamps, seria XP-G [11] wybranej do projektu: maksymalny prąd: 1500mA, barwa biała zimna: 8300K, strumień świetlny 139lm/350mA, gabaryty: 3,45 x 3,45 x 2,0mm, kąt wiązki świetlnej: 125 stopni, elektrycznie wyizolowany pad termalny. Dioda zamontowana jest na prostokątnym module montażowym NT-1RB2530-XPGWCR50D [12] (rys.4) o parametrach: Moduł 1x LED Cree XP-G, jasność R5-130lm/350 ma, biały zimny- barwa 0D (ok.7100k), czarna soldermaska, prostokąt 25x30mm, RoHS. Rys. 4. Moduł montażowy z diodą XPG firmy CREE Źródło: opracowanie na podstawie [12]. Moduł wykonany jest z materiału aluminiowego Alloy 1060 o grubości 1.6mm, pojemność termiczna materiału wynosi 1.5W/(mK), grubość warstwy dielektrycznej wynosi 80um [12]. Na module zastosowana została soczewka LEDIL FA LXP-RS, Real Spot [13]. Rys. 5. Soczewka LEDIL FA LXP-RS, Real Spot Źródło: opracowanie na podstawie [13]. Zastosowana soczewka charakteryzuje się wąską wiązką świetlną (zawierającą się w kącie 6 ), dzięki której możliwe jest uzyskanie precyzyjnych kierunków emisji wiązki świetlnej. Podczas etapie badań symulacyjnych usytuowano 32 diody LED w ustalonej pozycji przed przejściem dla pieszych i rozpoczęto proces kształtowania rozsyłu wiązki świetlnej oprawy. Każda z zastosowanych diod LED otrzymała indywidualny kierunek emisji dobierany na podstawie uzyskanych wyników symulacji rozsyłu światłości (rys. 6) Logistyka 4/2014

5 Rys. 6. Oddziaływanie światła pojedynczej diody LED W efekcie prowadzony prac symulacyjnych uzyskano rozsył kompleksowy na płaszczyźnie pomiarowej przechodzącej przez środek przejścia dla pieszych (rys. 7). Na płaszczyźnie pionowej uzyskano wartości przekraczające 50lx. Rys. 7. Rozkład natężenia oświetlenia na pionowej płaszczyźnie pomiarowej Jednocześnie w płaszczyźnie przejścia dla pieszych uzyskano symetryczny rozkład natężenia oświetlenia (rys. 8). Rys. 8. Rozkład natężenia oświetlenia w płaszczyźnie poziomej przejścia dla pieszych Logistyka 4/

6 Logistyka - nauka Na rysunku 9 zaprezentowano zmontowaną oprawę LED do oświetlenia przejść dla pieszych. Rys. 9. Gotowa oprawa LED do oświetlenia przejść dla pieszych 3. POMIAR UZYSKANYCH PARAMETRÓW OŚWIETLENIOWYCH Po zakończonych pracach konstrukcyjnych przeprowadzono badania terenowe oprawy pod kątem uzyskania założonych parametrów oświetleniowych i fotometrycznych. Wykonano podstawowe pomiary rozkładu natężenia oświetlania na płaszczyznach pomiarowych (pionowej i poziomej). Pomiary terenowe przeprowadzono dla jednej oprawy, zainstalowanej na obszarze testowym, którego geometria spełnia następujące założenia: oprawa oświetleniowa będzie eksploatowana na drodze jednojezdniowej dwukierunkowej, całkowita szerokość jezdni wynosi 7m, wymiary przejścia dla pieszych to 9x4m, strefa oczekiwania na przejście ma szerokość 1,5m oprawy zamontowane będą na wysokości 4,5m nad nawierzchnią jezdni, oprawa znajduje się przy krawędzi jezdni 2,5m od osi poprzecznej przejścia dla pieszych. Wymiary geometryczne zostały naniesione za pomocą odpowiednich linii na płaszczyznę obszaru testowego. Zdjęcie sytuacji oświetleniowej przedstawia rysunek 10. Rys. 10. Zdjęcie sytuacji oświetleniowej 1960 Logistyka 4/2014

7 Weryfikując wykonane obliczenia przeprowadzono pomiary parametrów natężeniowych na płaszczyznach pomiarowych, symulujących płaszczyzny przejścia dla pieszych. Na rysunku 11 przedstawiono rozkład natężenia oświetlenia w płaszczyźnie poziomej E h. Rys. 11. Rozkład natężenia oświetlenia w płaszczyźnie poziomej E h przejścia dla pieszych Wartość średnia natężenia oświetlenia na przejściu dla pieszych i w strefie oczekiwania E h = 74,47lx. Na rysunku 12 przedstawiono rozkład natężenia oświetlenia w płaszczyźnie pionowej przejścia dla pieszych E v. Wysokości usytuowania głowicy pomiarowej to 1m i 1,5m. Rys. 12. Rozkład natężenia oświetlenia w płaszczyźnie pionowej przejścia dla pieszych E v Wartość średnia pionowego natężenia oświetlenia w osi przejścia dla pieszych E v = 70,13lx. 4. PODSUMOWANIE Realizacja, przez SKN Elektrotechniki w Systemach Transportowych KNEST, Grantu Rektorskiego [9] pozwoliła na zbudowanie i przebadanie, unikalnej pod względem rozsyłu wiązki świetlej oprawy LED, dedykowanej do oświetlenia przejścia dla pieszych. Dzięki zastosowaniu technologii wysokosprawnych diod LED oraz dedykowanej optyki możliwe stało się precyzyjne zaprojektowanie asymetrycznego rozsyłu wiązki świetlnej oprawy. Oprawa została wykonana w trwałej obudowie z aluminium i poliwęglanu. Jest zasilana z impulsowego zasilacza stałoprądowego dedykowanego do opraw oświetleniowych wykorzystujących półprzewodnikowe źródła światła. Układ optyczno świetlny oprawy został zaprojektowany w oparciu o przeprowadzone pomiary laboratoryjne pojedynczych diod LED. Wykonano szereg analiz symulacyjnych kilkunastu rozwiązań układu optycznego a następnie wybrano rozwiązanie najlepsze dla przypadku oświetlenia Logistyka 4/

8 przejścia dla pieszych o łącznej szerokości 12m (szerokość przejścia łącznie ze strefami oczekiwania). Do budowy oprawy wykorzystano 32 diody LED. Element mocujący układ optyczno świetlny (diody LED wraz z soczewkami) wykonano za pomocą precyzyjnych laserowych narzędzi skrawających. Oprawę wyposażono w radiator pełniący funkcję obudowy zewnętrznej. Po zakończeniu montażu oprawy przeprowadzono pomiary terenowe, które potwierdziły zasymulowane uprzednio oczekiwane efekty oświetleniowe. Otrzymane wartości natężenia oświetlenia świadczą o możliwości zaprojektowania oprawy LED dla większości spotykanych w rzeczywistości sytuacji oświetleniowych np.: dróg jednokierunkowych dwujezdniowych. Przyjęta koncepcja kształtowania rozsyłu świetlnego oprawy za pomocą płaszczyzny montażowej pozwala zoptymalizować rozsył wiązki świetlnej i modyfikować liczbę zastosowanych źródeł LED. Streszczenie Obecnie zarówno na świecie jak w Polsce stosuje się coraz częściej oprawy wykorzystujące półprzewodnikowe źródła światła. Niemniej jednak niewiele jest rozwiązań dedykowanych dla przejść dla pieszych. Jednym z przykładów takiego rozwiązania jest przedstawione w artykule rozwiązanie oprawy LED dedykowanej do oświetlenia przejścia dla pieszych zrealizowane w ramach Grantu Rektorskiego przez Koło Naukowe Elektrotechniki w Systemach Transportowych - KNEST. Słowa kluczowe: oprawa LED, oświetlenie przejść dla pieszych, oświetlenie uliczne. Led luminaire for pedestrian crossings lighting Abstract Currently, both worldwide and in Poland are increasingly being used fixtures that use semiconductor light source. However, there are few solutions dedicated for pedestrian crossings. One example of such a solution is presented in the paper solution dedicated LED luminaires for lighting pedestrian crossings implemented under Rector Grant for Scientific Electrotechnical Systems Transport KNEST. Key words: LED luminaire, lighting, pedestrian crossings, street lighting. LITERATURA [1] Beyer F.R., Ker K.: Street lighting for preventing road traffic injuries, JohnWiley & Sons, Ltd [2] Green E.R., Agent K.R, Barrett M.L., Pigman J.G.: Roadway lighting and driver safety, Report No. KTC-03-12/SPR F, Kentucky Transportation Center, USA, [3] Tomczuk P.: Modelowanie, badania eksperymentalne i ocena jakości oświetlenia sylwetki pieszego na przejściu dla pieszych, monografia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Prace Naukowe, seria Transport, zeszyt 91, Warszawa [4] Norma DIN : : Beleuchtung von Fußgängerüberwegen (Zeichen 293 StVO) mit Zusatzbeleuchtung, Niemcy. [5] Tomczuk P.: Assessment of the state of pedestrian crossing ligshting on the basis of field measurements of luminance, Przegląd Elektrotechniczny, pp , R. 89 NR 8/2013, ISSN [6] Tomczuk P.: Bezpieczeństwo pieszych pomiary luminancji na przejściu dla pieszych. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej Transport, Badania Środków i Systemów Transportowych z.80, str ISSN Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [7] Tomczuk P.: Assessment model of luminance contrast of pedestrian figure against background on pedestrian crossing, (Model do oceny kontrastu luminancji sylwetki pieszego z tłem na przejściu dla pieszych), PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), R. 88 NR 3a/2012 p ISSN , SIGMA-NOT. [8] Producent osprzętu oświetleniowego: [9] Sprawozdanie z Grantu Rektorskiego dla Studenckiego Koła Naukowego Elektrotechniki w Systemach Transportowych KNEST, Oprawa LED do oświetlenia przejść dla pieszych, Etap I projekt, prototyp i badania laboratoryjne. Materiały dostępne na stronie internetowej: [10] Oprogramowanie Dialux [11] Dokumentacja techniczna producenta LED XPG [12] Dokumentacja techniczna producenta optyki [13] Dokumentacja techniczna producenta modułów LED Logistyka 4/2014