M1 ve M2 aydınlatma sınıfı yollar için geliştirilen bir COB LED’li yol aydınlatma armatür modelinin optik tasarımı

Yıl 2023, , 1601 - 1614, 06.01.2023

Duygu Yiğit Ünlü , Necmettin Şahin

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.907731

Öz

Geleneksel yol aydınlatma teknolojileriyle karşılaştırıldığında, ışık yayan diyotlu (LED’li) yol aydınlatma armatürleri; yüksek enerji verimliliği, daha uzun çalışma ömrü ve daha iyi ışık dağılımı gibi potansiyel avantajlara sahiptir. Bu çalışmada M1 ve M2 aydınlatma sınıfı yollar için uygun bir COB LED (Chip on Board)’li yol aydınlatma armatür modelinin optik tasarımı ve analizi gerçekleştirilmiştir. Tasarım aşamasında, ışık kaynağı olarak Cree-XLamp-CXA1830 LED tercih edilmiştir. Seçilen COB LED ile uyumlu konkav-konveks küresel lensin 3D katı modeli, Zemax optik tasarım yazılımı vasıtasıyla modellenerek simüle edilmiş ve SolidWorks 3D tasarım yazılımında oluşturulmuştur. COB LED ve lens mesafesi Monte Carlo ışın izleme yöntemi (Monte Carlo Ray-Tracing Method) ile LightTools aydınlatma tasarımı yazılımı kullanılarak optimize edilmiştir. LightTools yazılımı vasıtasıyla, COB LED modülleri ve 20 modüllü COB LED’li armatür modelleri için simülasyon çalışmaları gerçekleştirilerek, ışık dağılım eğrileri ve fotometrik veri dosyaları (IES, LDT) elde edilmiştir. Elde edilen fotometrik veri dosyaları kullanılarak, DIALux aydınlatma hesap ve simülasyon yazılımı vasıtasıyla, M1 ve M2 sınıfı yol şartları için aydınlatma analizi gerçekleştirilmiştir. DIALux analizinden elde edilen yol aydınlatma parametreleri Uluslar Arası Aydınlatma Örgütünün (CIE) kabul ettiği yol aydınlatma kriterleri ile karşılaştırılarak armatür modellerinin uygunluğu değerlendirilmiştir. Bu çalışmada tasarımı yapılan COB LED’li armatür modelinin CIE tarafından tanımlanan M1 ve M2 sınıfı yol aydınlatma kriterlerini sağladığı görülmüştür. Çalışmada ayrıca, M1 ve M2 yol aydınlatma sınıfı kriterlerine uygun COB LED’li, özgün ve yüksek verimli bir armatür modelinin optik tasarım aşaması başarıyla tamamlanmıştır.

Anahtar Kelimeler

Yol aydınlatması, COB LED, Optik Tasarım, LightTools, DIAlux

Destekleyen Kurum

TEYDEB-1505

Proje Numarası

5160068

Teşekkür

TEYDEB-1505 TÜBİTAK Üniversite-Sanayi İşbirliği Destek Programı kapsamında yürütülen 5160068 nolu “M1 ve M2 Aydınlatma Sınıfı Yollar İçin Yüksek Enerji Verimli, LED'li Yol Aydınlatma Armatür Tasarımı ve Özgün Prototip Modeller Geliştirilmesi” projesi ile desteklenmiştir. TÜBİTAK’a teşekkür ederiz.

Kaynakça

• Yawale P.R., Wagh V.G., Shaligram A.D., Optimization of Pole Spacing of Road Illumination System using DIALux. In National Conference on Innovative Trends in Science and Engineering, 4, (7), 192-195, July, 2016.
• Bommel W.V., Road lighting: fundamentals, technology and application. Springer International Publishing: Berlin/Heidelberg, Germany, pp. 1–334, 2015.
• Cai X., Quan L., Wu J., He Y., Night-time disability glare of constant-light LED traffic monitoring fill light. Lighting Research & Technology, 1477153520982269, 2021.
• Mohandas P., Dhanaraj J.S.A., Gao X.Z., Artificial neural network based smart and energy efficient street lighting system: A case study for residential area in Hosur. Sustainable Cities and Society, 48, 101499, 2019.
• Fryc I., Czyżewski D., Fan, J., Gălăţanu C.D., The Drive towards Optimization of Road Lighting Energy Consumption Based on Mesopic Vision—A Suburban Street Case Study. Energies, 14(4), 1175, 2021.
• Valetti, L., Floris, F., Pellegrino, A. (2021). Renovation of Public Lighting Systems in Cultural Landscapes: Lighting and Energy Performance and Their Impact on Nightscapes. Energies 2021, 14, 509.
• Jägerbrand A.K., Development of an Indicator System for Local Governments to Plan and Evaluate Sustainable Outdoor Lighting. Sustainability 13, 1506, 2021.
• Park S., Jun S., Technology analysis of global smart light emitting diode (LED) development using patent data. Sustainability, 9(8), 1363, 2017.
• Czyżewski, D., Fryc, I., The Influence of Luminaire Photometric Intensity Curve Measurements Quality on Road Lighting Design Parameters, Energies, 13(13), 3301, 2020.
• 1Duman A.C., Güler Ö., Techno-economic analysis of off-grid photovoltaic LED road lighting systems: A case study for northern, central and southern regions of Turkey, Building and environment, 156, 89-98, 2019.
• Yılmaz E., Erden O., Kocadağ N.Y., Sokak Aydınlatması Dönüşümü Fayda Maliyet Analizi Üzerine Bir Mühendislik Ekonomisi Çalışması, Gazi Mühendislik Bilimleri Dergisi (GMBD), 5(3), 280-289, 2019.
• Juntunen E., Tetri E., Tapaninen O., Yrjänä S., Kondratyev V., Sitomaniemi A., ... Heikkinen V., A smart LED luminaire for energy savings in pedestrian road lighting, Lighting Research & Technology, 47(1), 103-115, 2015.
• Chenani S.B, Räsänen R.S., Tetri, E., Advancement in Road Lighting. Light & Engineering 26:99–109, 2018.
• CIE, Commission Internationale de l’Éclairage, Recommendations for the lighting of roads for motor and pedestrian traffic, Vienna (Austria): CIE-115: 1995.
• CIE, Commission Internationale de l’Éclairage. The Selection of Lighting Classes for Road Lighting, CR 13201-1, 2002.
• CIE, Commission Internationale de l’Éclairage. Lighting of roads for motor and pedestrian traffic. Vienna (Austria): CIE. Publication No., 115, 2010.
• TEDAŞ, LED’li Yol Aydınlatma Tasarımına İlişkin Usul ve Esaslar. https://www.tedas.gov.tr/uploads/LEDli_Yol_Aydinlatma_Tasariminailiskin_UsulveEsaslar.pdf, Yayınlanma tarihi 2010a, Revize tarihi Ekim-2020. Erişim tarihi: 23 Şubat 2021.
• TEDAŞ, Led Işık Kaynaklı Yol Aydınlatma Armatürleri Teknik Şartnamesi, 2010b (Revize, Revize Ekim-2020). https://www.tedas.gov.tr/uploads/TEDAS_MLZ_2020_057_D_LED_Isik_Kaynakli_Yol_Aydinlatma_Armaturleri_Tek_Sartname.pdf, Yayınlanma tarihi 2010b, Erişim tarihi: 23 Şubat 2021.
• Fotios S., Gibbons R., Road lighting research for drivers and pedestrians: The basis of luminance and illuminance recommendations. Lighting Research & Technology, 50(1), 154-186, 2018.
• Ayaz R., Ozcanli A.K., Nakir I., Bhusal P., Unal A., Life Cycle Cost Analysis on M1 and M2 Road Class Luminaires Installed in Turkey. Light & Engineering, 27(1), 61-70, 2019.
• Gursoy M.E., Dindar B., Gul, O. A Novel Strategy for Transformation of Conventional Road Lighting to Smart Road Lighting. Light & Engineering, 28(5), 97-105, 2020.
• Menéndez A., Martínez A., Santos A., Ruiz B., Moritz K., Klein I., ... & Gómez, D., A multifunctional ETFE module for sustainable façade lighting: Design, manufacturing and monitoring. Energy and Buildings, 161, 10-21, 2018.
• Kıyak İ., Boyekin T., COB LED’lerde Yaşlandırma ve Ömür Tahmini Uygulamalı Analizi. Kırklareli Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, 4(2), 153-162, 2018.
• Çiçek B., Sahin N., Alkan M., Thermal Analysis of Chip on Board Packaging of High Power Led’s with Heat Pipe Using Cfd for Street Lights. Gazi University Journal of Science, 31(4), 1229-1244, 2018.
• Pan D., Zhang Y.C., Xie X.F., Fan M.J., Chen Y.A., Yan S.H., Yang S.J. Optical design of LED high mast lamp based on TIR freeform lens for annular lighting. Lighting Research & Technology, 0: 1-11, 2020.
• Toy Ö.F., Led Tabanlı Yol Aydınlatma Armatürleri İçin Optik Tasarım, Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2015.
• Ge A., Shu H., Chen D., Cai J., Chen J., Zhu, L., Optical design of a road lighting luminaire using a chip-on-board LED array. Lighting Research & Technology, 49 (5), 651-657, 2017.
• Yurtseven, M.B., Led Işık Kaynaklı Armatür Isıl Modellenmesi ve Isıl Tasarımı Etkileyen Faktörlerin İstatistiksel Analizi. Doktora Tezi. İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü, Enerji Bilim ve Teknoloji Anabilim Dalı, 2017.
• Hao R., Ge A., Tao X., Liu Y., Zhao B., Yang E., Optical design of a high-mast luminaire based on four COB LED light source modules. Lighting Research & Technology, 51(3), 447-456, 2019.
• Ateş S., Yurtseven M. B., Onaygil S., Design of A Chip On Board (Cob) Led Based Industrial Luminaire with Thermal Simulations. Light & Engineering, 27(2), 78-87, 2019.
• Sun X., Kong L., Qi L., Xu M., Design and Analysis of a Total-Internal-Reflection (TIR) Structure Based on Ray-Mapping Method for Tailored Illumination, IEEE Access, 8, 45887-45894, 2020.
• Shi Y., Li B., Zhao M., Zhou Y., Zhang D., The design of LED rectangular uniform illumination lens system. Optik, 144, 251-256, 2017.
• Sun X., Kong L., Xu M. Uniform illumination for nonplanar surface based on freeform surfaces. IEEE Photonics Journal, 11(3), 1-11, 2019.
• Zhu Z., Peng B., Yuan J., Xu X. Design of a combined lens for rectangular illumination. Lighting Research & Technology, 52(1), 131-140, 2020.
• Wei S.L., Zhu Z.B., Fan Z.C., Yan Y.M., Ma D.L., Multi-surface catadioptric freeform lens design for ultra-efficient off-axis road illumination. Optics express, 27(12), A779-A789, 2019.
• Lee C.S., Lee S.Y., Hyun D.H., Analysis of performance on asymmetric led lens design using three-dimensional free-form surface expression. Journal of The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 26(3), 328-336, 2017.
• Czyżewski D., Research on luminance distributions of chip-on-board light-emitting diodes. Crystals, 9(12), 645, 2019.
• Liao H.Y., Chen S.Y., Gao W.L., Chang F.C., Wen C.C., Fang Y. C., ... Le H.T. (2021). Design and Prototyping of Efficient LED Counter Beam Light with Free-Formed Surface for Meeting International Tunnel Lighting Standards. Energies, 14, 488, 2021.
• Lai M.F., Chen Y.C., Anh N.D.Q., Chen T.Y., Ma H.Y., Lee H.Y.,Design of asymmetric freeform lens for low glared LED street light with total internal reflection. Optics express, 24(2), 1409-1415, 2016.
• Zıssıs G., Bertoldi P., Status of LED-Lighting world market in 2017. JRC Technical Reports, Ispra, European Commission, 2018.
• URL-1, Lighiting Portal, What Are the Differences Between SMD and COB LEDs? https://www.aydinlatma.org/en/what-are-the-differences-between-smd-and-cob-leds.html, Erişim tarihi: 23 Şubat 2021.
• URL-2 Cree. Cree XLamp CXA1830 LED, https://www.cree.com/led-components/media/documents/ds-CXA1830.pdf, Erişim tarihi: 29.08.2020.
• URL-3 Download DIALux and product catalogues, https://www.dialux.com/en-GB/download, Erişim tarihi: 15.05.2019.