Onderzoekers hebben een nieuwe op LED's gebaseerde treinkoplamp ontworpen die een tiende van de energie gebruikt die nodig is voor koplampen met conventionele lichtbronnen. Als elke dag 8 uur wordt gebruikt, de elektriciteitsbesparing van het nieuwe ontwerp zou de uitstoot van het broeikasgas kooldioxide met ongeveer 152 kilogram per jaar verminderen.

Treinkoplampen verlichten niet alleen de sporen, ze spelen ook een belangrijke rol in het spoorvervoer. Omdat treinen moeilijk te stoppen zijn, de koplampen moeten van een afstand ver genoeg zichtbaar zijn om mensen of voertuigen op het spoor voldoende tijd te geven om uit de weg te gaan. Traditionele treinkoplampen, die gloeilampen of halogeenlampen gebruiken, zijn helder genoeg om aan de veiligheidsvoorschriften te voldoen, maar zijn niet erg energiezuinig omdat de meeste energie die het licht aandrijft, wordt omgezet in warmte in plaats van zichtbaar licht.

Onderzoekers onder leiding van Guo-Dung J. Su van het Micro Optics Device Laboratory van het Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics aan de National Taiwan University, Taiwan, werden benaderd door het engineering- en ontwerpbedrijf Lab H2 Inc., om locomotiefkoplampen te ontwerpen die LED's als lichtbron gebruiken. Naast dat er minder energie nodig is, LED's gaan ook langer mee en zijn kleiner en robuuster dan traditionele lichtbronnen.

"Sommige LED-koplampproducten die op de markt worden verkocht, zijn ontworpen met veel LED's met uitgangen die elkaar in grote delen overlappen. Deze ontwerpen verspillen veel energie, " zei Wei-Lun Liang van het Micro Optics Device Laboratory, die een belangrijke rol speelde bij het ontwerpen van de nieuwe treinkoplamp. "Ons onderzoek toonde aan dat het elektriciteitsverbruik kan worden verminderd door te focussen op de beste manier om de LED-energie gelijkmatig te verdelen."

In het tijdschrift The Optical Society Toegepaste optica , Liang en Su rapporteren een nieuw treinkoplampontwerp op basis van tien nauwkeurig gepositioneerde hoogrenderende LED's. Het ontwerp gebruikt in totaal 20,18 Watt om dezelfde lichtintensiteit te bereiken als een gloeilamp of halogeenlamp die enkele honderden watt verbruikt. De nieuwe koplamp kan ook worden gedimd door enkele LED's uit te schakelen om te voorkomen dat wachtende passagiers verblind worden wanneer de trein een perron passeert. bijvoorbeeld.

Ontwerpen voor energie-efficiëntie

Net zoals die voor auto's, treinkoplampen combineren meestal een lichtbron met een parabolische, of komvormig, reflecterend oppervlak dat het uitgestraalde licht bundelt. Hoewel LED's een geweldige optie zijn om energie te besparen, de meest energiezuinige leds geven kleinere lichtvlekken af. Om deze reden, de onderzoekers moesten de kleine outputs van meerdere zeer efficiënte LED's combineren tot een grotere circulaire output om een ​​straal te creëren die groot genoeg was om als treinkoplamp te gebruiken.

"Het combineren van meerdere LED's is duurder en verbruikt meer elektriciteit dan het gebruik van enkele enkele LED's, "zei Liang. "Dus, we moesten bepalen hoe we het laagst mogelijke aantal hoogrenderende LED's dat nodig is om aan de vereisten te voldoen, het best kunnen plaatsen door te analyseren hoe het parabolische oppervlak de LED-lampen weerkaatst."

Het doel van de onderzoekers was een koplamp die 1,25 keer de helderheid zou geven die vereist is door de Amerikaanse federale regelgeving. Deze voorschriften vereisen dat de koplampen van treinen een piekintensiteit hebben van ten minste 200, 000 candela en verlicht een persoon minstens 800 voet voor de koplamp.

Het positioneren van de LED's om energie te besparen en te voldoen aan de federale richtlijnen bracht verschillende uitdagingen met zich mee. De onderzoekers moesten oppassen dat ze de LED-uitgangen net genoeg overlapten om een ​​grote bundel te creëren, maar niet zozeer dat meer LED's, en dus meer energie, nodig zou zijn. Ook, de LED's moeten ver genoeg van elkaar worden geplaatst zodat de warmte kan worden afgevoerd om schade aan het circuit te voorkomen.

Positionering van de LEDS Om een ​​zeer efficiënte treinkoplamp te creëren, de onderzoekers gebruikten twee halfronde parabolische gealuminiseerde reflectoren. Wanneer samen gebruikt, de sterke stralen van elke reflector genereren samen de lichtintensiteit die nodig is om aan de federale richtlijnen te voldoen. Dit ontwerp vereenvoudigt ook de plaatsing van de circuits die nodig zijn om de LED's van stroom te voorzien, omdat ze kunnen worden ondergebracht in de horizontale verdeler die de reflectoren scheidt.

Om te bepalen waar de LED's in de reflectoren moeten worden geplaatst, de onderzoekers schatten eerst de beste locatie van elke LED en gebruikten vervolgens een reeks tests en simulaties om de uiteindelijke positie voor elke LED te verfijnen op basis van het bijbehorende verlichtingspatroon. "Andere wetenschappers kunnen de lineaire vergelijking die we hebben afgeleid gebruiken om de geschatte posities van LED's voor andere toepassingen te bepalen, "zei Liang. "Dit kan de tijd die nodig is om de LED-positionering te bepalen voordat de posities nauwkeurig worden afgesteld, aanzienlijk verkorten."

De onderzoekers wijzen erop dat koplampen doorgaans een volledig parabolisch reflectoroppervlak gebruiken. "We denken dat dit het eerste ontwerp is dat een combinatie van twee semi-parabolische reflectoroppervlakken gebruikt, " zei Liang. "Door het ontwerp systematisch te analyseren om de beste plaatsing van de LED's in de reflector te bepalen, we waren in staat om het elektriciteitsverbruik te minimaliseren en tegelijkertijd te voldoen aan de eisen op het gebied van verkeersveiligheid."

De onderzoekers zijn nu bezig om van hun ontwerp een commercieel product te maken. Hoewel het nieuwe ontwerp een laag stroomverbruik vertoont, het genereert nog steeds wat restwarmte. Voordat het ontwerp gecommercialiseerd kan worden, moeten de onderzoekers een warmteafvoersysteem voor de nieuwe koplamp ontwikkelen en testen.