Были созданы различные конструкции, включающие различные типы светодиодов в осветительный прибор. Можно использовать либо несколько мощных светодиодов, либо много маломощных светодиодов. Форма уличного светодиодного фонаря зависит от нескольких факторов, включая конфигурацию светодиодов, радиатор, используемый со светодиодами, и эстетические предпочтения дизайна.
Радиаторы для уличных светодиодных фонарей по конструкции похожи на радиаторы, используемые для охлаждения другой электроники, такой как компьютеры и интеллектуальные системы энергосбережения уличного освещения. Радиаторы, как правило, имеют как можно больше канавок, чтобы облегчить отвод горячего воздуха от светодиодов. Площадь теплообмена напрямую влияет на срок службы уличного светодиодного фонаря.
Срок службы уличного светодиодного фонаря определяется его светоотдачей по сравнению с его первоначальной проектной спецификацией. Как только яркость уменьшается на 30 процентов, белый (прозрачный) светодиодный уличный фонарь считается отслужившим свой срок.
Большинство уличных светодиодных фонарей имеют линзу на светодиодной панели, которая разработана для того, чтобы отбрасывать свет в прямоугольном направлении, что является преимуществом по сравнению с традиционными уличными фонарями, которые обычно имеют отражатель на задней стороне натриевой лампы высокого давления . В этом случае большая часть яркости света теряется и создает световое загрязнение в воздухе и окружающей среде.
Недостатком светодиодных фокусных панелей является то, что большая часть света направляется на дорогу, а меньшая часть света — на пешеходные дорожки и другие зоны. Это можно устранить с помощью специальной конструкции линз и регулируемых монтажных штуцеров.
При выполнении проекта светодиодного уличного освещения простые модели светодиодных светильников упрощают оптимизацию для высокопроизводительных конструкций освещения. [1] Эти практические уравнения могут использоваться для оптимизации установок светодиодного уличного освещения с целью минимизации светового загрязнения, повышения комфорта и видимости, а также максимизации как равномерности освещения, так и эффективности использования света.
Энергоэффективность
Срок службы светодиода по сравнению с другими источниками света [2]
Главной привлекательностью светодиодного уличного освещения является энергоэффективность по сравнению с традиционными технологиями уличного освещения, такими как натриевые лампы высокого давления (HPS) и металлогалогенные лампы (MH). Исследования продолжают повышать эффективность новых моделей светодиодных уличных фонарей (модернизация с помощью светодиодных уличных фонарей). Однако светодиодное уличное освещение не так эффективно, как уличное освещение с натриевыми лампами низкого давления (SOX) в Соединенном Королевстве. [ необходимо разъяснение ]
Светодиодный уличный фонарь на основе светодиода мощностью 901 милливатт обычно может производить такое же количество (или больше) яркости, как и традиционный фонарь, но потребляет только половину энергии . Светодиодное освещение обычно не выходит из строя, но вместо этого снижает выходную мощность до тех пор, пока его не нужно будет заменить. [2] Подсчитано, что установка энергоэффективного уличного освещения в 10 крупнейших мегаполисах США может сократить ежегодные выбросы углекислого газа на 1,2 миллиона метрических тонн, что эквивалентно удалению 212 000 транспортных средств с дорог, и сэкономить не менее 90 миллионов долларов в год на расходах на электроэнергию. [3] [4]
Поскольку светодиодные светильники обычно производят меньше света [5], важно использовать хорошо распределенную схему освещения, чтобы получить такое же освещение, как и обычные светильники с более высоким люменом. Например, разные светодиоды в одном светильнике могут быть направлены на разные точки на улице.
Преимущества светодиодных уличных фонарей
Низкое потребление энергии: утверждается, что многие модернизации светодиодного освещения значительно сокращают потребление энергии. [6]
Длительный и предсказуемый срок службы: прогнозируемый срок службы светодиодных уличных фонарей обычно составляет 10–15 лет, что в два–четыре раза превышает срок службы распространенных в настоящее время HPS. (Сами светодиоды обычно не выходят из строя и не «перегорают» так, как это происходит с другими технологиями, и, за исключением катастрофического отказа других механических или электронных компонентов светодиодного светильника, срок службы обычно определяется снижением светового потока на 30%. Но функциональный срок службы светодиодного светильника ограничен самым слабым звеном; соответствующая приводная электроника, как правило, прогнозируется на срок около 50 000 часов. Важно понимать, что ни одно светодиодное уличное освещение не эксплуатировалось достаточно долго, чтобы подтвердить прогнозы). Если это будет реализовано на практике, менее частая необходимость в обслуживании или замене светодиодов будет означать более низкие затраты на техническое обслуживание.
Более точная цветопередача: Индекс цветопередачи — это способность источника света правильно воспроизводить цвета объектов по сравнению с идеальным источником света. Улучшенная цветопередача облегчает водителям распознавание объектов.
Быстрое включение и выключение: в отличие от люминесцентных и газоразрядных ламп высокой интенсивности (HID), таких как ртутные, металлогалогенные и натриевые лампы, которым требуется время для нагрева после включения, светодиоды мгновенно включаются на полную яркость.
Соответствие RoHS : светодиоды не содержат ртути или свинца и не выделяют ядовитых газов при повреждении.
Оптически эффективное осветительное оборудование: Другие типы уличных фонарей используют отражатель для улавливания света, излучаемого вверх от лампы. Даже в самых лучших условиях отражатель поглощает часть света. Также для люминесцентных ламп и других ламп с колбами с люминофорным покрытием сама колба поглощает часть света, направляемого обратно вниз отражателем. Стеклянный колпак, называемый рефрактором, помогает проецировать свет вниз на улицу в желаемом порядке, но часть света теряется, направляясь вверх в небо (световое загрязнение). Сборки светодиодных ламп (панели) могут посылать свет в желаемых направлениях без отражателя.
Более высокая светоотдача даже при низких температурах: хотя люминесцентные лампы сравнительно энергоэффективны, в среднем они имеют тенденцию к снижению светоотдачи при зимних температурах.
Недостатки светодиодных уличных фонарей
Неисправные светодиодные уличные фонари мерцаютНеисправный светодиодный уличный фонарь стал фиолетовым
Многим не нравится атмосфера, создаваемая светодиодами с цветовой температурой 4000К и выше. Светодиоды с цветовой температурой 2700К и 3000К в основном используются для внутреннего освещения. [7] [8]
Первоначальная стоимость уличного светодиодного освещения высока, и, как следствие, требуется несколько лет, чтобы экономия на энергии окупилась. Высокая стоимость частично обусловлена используемым материалом, поскольку светодиоды часто изготавливаются на сапфировых или других дорогих подложках . [9]
В результате эффекта Пуркинье человеческий глаз, адаптированный к темноте, становится очень чувствительным к синему и зеленому свету, который светодиодные уличные фонари излучают в больших количествах, по сравнению с желтыми и оранжевыми натриевыми лампами высокого давления , которые обычно заменяются. [10] [11] [12] Это усиливает эффект светового загрязнения , особенно свечения неба .
Значительное увеличение содержания синего и зеленого в искусственном свечении неба, вызванное широким распространением светодиодного освещения, вероятно, усилит воздействие на миграцию птиц и поведение других ночных животных. [13]
Загрязнение светом, насыщенным синим цветом, от уличных светодиодных фонарей может нарушить годовые ритмы и привести к полной потере сезонных часов организма. Это влияет на важные формы поведения, такие как питание, размножение, терморегуляция и спячка. В некоторых случаях неспособность впадать в спячку или правильно терморегуляцию из-за этой потери сезонных сроков может убить организм. [14] [15] [16]
В белых светодиодах происходит прогрессивный износ слоев фосфора . Изменение цвета медленно перемещает устройства из одной группы фотобиологического риска в более высокую. [17] Производственные проблемы могут привести к дефектам уличных светодиодных фонарей, что приводит к отслоению слоя фосфорного покрытия гораздо раньше, чем проектный срок службы фонарей. Это приводит к тому, что белые светодиоды становятся синими или фиолетовыми. [18] Проблемы с крупномасштабными дефектными фонарями возникали во многих городах США и Канады. [19] [20]
Неисправные светодиодные уличные фонари могут вызывать мерцание, создавая эффект стробоскопа . [21] Частичное отключение электроэнергии также может вызвать тот же эффект, поскольку светодиодные уличные фонари могут обнаруживать остаточный электрический ток. [22] Эффект стробоскопа может вызывать у некоторых людей припадки. [23]
Спектр светодиодных уличных фонарей с преобладанием синего цвета менее эффективен, чем спектр натриевых фонарей с преобладанием желтого цвета, в создании целевого уровня яркости на дорогах, поскольку спектральная отражательная способность дорожного покрытия выше для более длинных волн света. Из-за этой разницы в спектральной отражательной способности большая часть света, производимого светодиодным уличным фонарем, поглощается тротуаром, а не отражается. [24]
Светодиодные уличные фонари создают более высокий уровень бликов, чем предыдущие натриевые источники света. Это во многом связано с тем, что светильники имеют меньшую площадь источника, что приводит к повышению уровня яркости, показателя интенсивности света. Богатый синим спектр светодиодных уличных фонарей также приводит к повышению уровня бликов, особенно дискомфортных бликов. [25] [26]
Богатый синим спектр уличных светодиодных фонарей приводит к большему влиянию рэлеевского рассеяния, когда короткие длины волн света рассеиваются внутри мелких частиц больше, чем длинные. Это повышенное рассеяние света в атмосфере приводит к увеличению свечения неба. В плохую погоду, например, во время сильного дождя, снега или тумана, это рассеяние может создавать физические стены света, которые затрудняют видимость. [27]
По мере старения человеческого глаза хрусталик глаза желтеет. Это изменяет спектральную прозрачность хрусталика в пользу более длинных волн света, со значительными потерями в прозрачности для более коротких длин волн света. Из-за этой спектральной потери прозрачности богатый синим спектр светодиодных уличных фонарей становится менее заметным по мере старения человека. Например, в глазу человека в возрасте 50 лет светопропускание светодиода 4000K на 11% ниже, чем у светодиода 2700K, по сравнению с человеком в возрасте 25 лет. [28] [24]
Проблемы со здоровьем
Воздействие света белых светодиодных ламп подавляет мелатонин до пяти раз больше, чем воздействие света натриевых ламп давления. [29] Известен тот факт, что белый свет, излучающий волны длиной 400-500 нанометров, подавляет выработку мелатонина, вырабатываемого шишковидной железой . Эффект заключается в нарушении биологических часов человека, что приводит к плохому сну и периодам отдыха. [29]
Исследования в Университете Мадрида Комплутенсе [30] утверждают, что длительное воздействие уличного светодиодного освещения может нанести непоправимый вред сетчатке человеческого глаза. Мадридское исследование заявило, что это было вызвано высоким уровнем радиации в «синем диапазоне». [31] [32]
Искусственное ночное освещение оказывает различное воздействие на людей (не говоря уже о дикой природе), а воздействие оптического излучения влияет на физиологию и поведение человека как напрямую, так и косвенно. Многие области не очень хорошо изучены, и в заявлении о позиции Общества инженеров-светильников (IES) подчеркивается в основном необходимость дальнейших исследований. [33]
Существует риск ослепления. В отчете французского правительства, опубликованном в 2013 году, указано, что уровень яркости выше 10 000 кд/м2 вызывает визуальный дискомфорт независимо от положения осветительного прибора в поле зрения. Поскольку поверхности излучения светодиодов представляют собой высококонцентрированные точечные источники, яркость каждого отдельного источника может быть в 1000 раз выше уровня дискомфорта. Уровень прямого излучения от этого типа источника может, таким образом, легко превысить уровень визуального дискомфорта [17] [34]
Ссылки
^ И. Морено, М. Авенданьо-Алехо, «Моделирование уличного светодиодного освещения», Appl. Opt. 53, 4420 (2014). https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-53-20-4420
^ ab Сравнение технологий уличного освещения Архивировано 01.03.2013 на Wayback Machine
^ Гроу, Роберт Т., Энергоэффективное уличное освещение — потенциал сокращения углеродного следа Большого Вашингтона, март 2008 г.
^ «Исследование: Новая технология уличного освещения может сэкономить энергию и деньги». 6 апреля 2008 г.
^ "LED Street Light". www.northernlights-direct.co.uk. Архивировано из оригинала 20 июля 2015 г. Получено 4 октября 2016 г.
^ Костич, А.М. и др., Светодиоды в уличном и дорожном освещении — пример с мезопическими эффектами, Исследования и технологии освещения 45:217, 2013, doi: 10.1177/1477153512440771
^ Бенья, Джеймс. "Nights in Davis" . Получено 21 апреля 2016 г.
^ Чабан, Мэтт (23 марта 2015 г.). «Светодиодные уличные фонари в Бруклине экономят энергию, но утомляют жителей». New York Times . Получено 21 апреля 2016 г.
^ "Как работают светодиодные уличные фонари". science.howstuffworks.com. 22 июня 2009 г. Получено 4 октября 2016 г.
^ Ограничение воздействия светового загрязнения на здоровье человека, окружающую среду и видимость звезд, Журнал управления окружающей средой, том 92, выпуск 10, октябрь 2011 г., страницы 2714-2722 Фабио Фальки, Пьерантонио Чинзано, Кристофер Д. Элвидж, Дэвид М. Кейт, Авраам Хаим
^ Luginbuhl, CB et al., Влияние распределения спектральной мощности источника света на свечение неба . Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения, 2014, т. 139; стр. 21., doi:10.1016/j.jqsrt.2013.12.004
^ Обэ, М. и др., Оценка потенциальных спектральных воздействий различных искусственных источников света на подавление мелатонина, фотосинтез и видимость звезд . PLOS ONE, 2013, DOI: 10.1371/journal.pone.0067798
^ http://lighting.com/light-pollution-wildlife.htm. Превращая ночь в день: влияние светового загрязнения на дикую природу
^ Хаим, Авраам; Шанас, Ури; Зубидад, Абед Эль Салам; Скэнтелбери, Майкл (январь 2005 г.). «Сезонность и времена года вне времени — терморегуляторные эффекты световой интерференции». Chronobiology International . 22 (1): 59–66. doi :10.1081/CBI-200038144. ISSN 0742-0528. PMID 15865321. S2CID 10616727.
^ Лю, Дженнифер А.; Мелендес-Фернандес, О. Хекмари; Бамгарнер, Джейкоб Р.; Нельсон, Рэнди Дж. (2022-05-01). «Влияние светового загрязнения на сезонность, обусловленную фотопериодом». Гормоны и поведение . 141 : 105150. doi : 10.1016/j.yhbeh.2022.105150. ISSN 0018-506X. PMC 10137835. PMID 35304351 .
^ Зубидат, Абед Эльсалам; Бен-Шломо, Рэйчел; Хаим, Авраам (январь 2007 г.). «Терморегуляторные и эндокринные реакции на световые импульсы у акклиматизированных к короткому дню социальных полевок (Microtus socialis)». Chronobiology International . 24 (2): 269–288. doi :10.1080/07420520701284675. ISSN 0742-0528. PMID 17453847. S2CID 25682181.
^ ab ANSES, Французское агентство по продовольствию, окружающей среде и охране труда, сентябрь 2013 г.
^ Роджерс, Адам (29 ноября 2022 г.). «The Great Purpleing -». Business Insider . Получено 12 апреля 2023 г.
^ да Силва, Сусана (4 октября 2022 г.). «Почему тысячи городских уличных фонарей становятся фиолетовыми». CBC News . Получено 12 апреля 2023 г.
^ Фокс, Грег (13 марта 2023 г.). «FDOT добивается прогресса в замене неисправных фиолетовых уличных фонарей». WESH . Получено 12 апреля 2023 г.
^ Малони, Дэймон; Нельсон, Джим. «Уличное освещение в Кливленде неисправно, вызывает стробоскопический эффект». WOIO Cleveland 19 News . Получено 12 апреля 2023 г.
^ «Уличное освещение становится стробоскопическим после частичного отключения электроэнергии». CNN/WBNG . 4 февраля 2019 г. Получено 12 апреля 2023 г.
^ "Житель Калгари, страдающий эпилепсией, опасается, что мерцающий светодиодный уличный фонарь снова выйдет из строя". CBC News . 27 января 2017 г. Получено 12 апреля 2023 г.
^ ab Preciado, Ou; Manzano, Er (октябрь 2018 г.). «Спектральные характеристики дорожных покрытий и пропускание света глазом: влияние на энергоэффективность дорожного освещения на мезопических уровнях». Lighting Research & Technology . 50 (6): 842–861. doi : 10.1177/1477153517718227. hdl : 11336/63121 . ISSN 1477-1535. S2CID 116821441.
^ Буллоу, Дж. Д.; Бронс, Дж.; Ци, Р.; Ри, М. (сентябрь 2008 г.). «Прогнозирование дискомфортного блика от наружных осветительных установок». Исследования и технологии освещения . 40 (3): 225–242. doi :10.1177/1477153508094048. ISSN 1477-1535. S2CID 109408921.
^ de Boer, JB; Schreuder, DA (июнь 1967 г.). «Блики как критерий качества уличного освещения». Lighting Research and Technology . 32 (2 IEStrans): 117–135. doi :10.1177/147715356703200205. ISSN 1477-1535. S2CID 106634429.
^ Cox, AJ; DeWeerd, Alan J.; Linden, Jennifer (2002-05-13). «Эксперимент по измерению сечений полного рассеяния Ми и Рэлея». American Journal of Physics . 70 (6): 620–625. Bibcode : 2002AmJPh..70..620C. doi : 10.1119/1.1466815. ISSN 0002-9505.
^ ab Professor Abraham Haim (сентябрь 2012 г.). «Воздействие «белого» света светодиодов, по-видимому, подавляет выработку мелатонина организмом больше, чем некоторые другие виды света». Science Daily . Израильский центр междисциплинарных исследований в области хронобиологии, Хайфский университет . Получено 4 октября 2016 г.
^ Доктор Селия Санчес Рамос, Влияние светодиодов (LED) на зрение, Университет Комплутенсе, Мадрид, 2013 г.
^ "Светодиодные фонари могут повредить глаза". The Hindu . 15 мая 2013 г. Получено 4 октября 2016 г.
^ «Нарушают ли белые светодиоды наши биологические часы?». www.insidescience.org. 19 июня 2012 г. Архивировано из оригинала 2015-06-26 . Получено 4 октября 2016 г.
^ Тим Уитакер (15 ноября 2010 г.). «Свет и здоровье человека: риски светодиодов подчеркнуты». Журнал LEDs. Архивировано из оригинала 23 ноября 2010 г.
^ "В ответ на внутренний запрос под названием "Влияние на здоровье систем освещения, использующих светодиоды (LED)"" (PDF) . ANSES . 2010-10-19 . Получено 2022-09-20 .
Внешние ссылки
Министерство энергетики США сообщает о пилотных проектах муниципального светодиодного освещения: результаты демонстрации твердотельного освещения GATEWAY
