I ricercatori hanno progettato un nuovo faro per treni a LED che utilizza un decimo dell'energia necessaria per i fari utilizzando sorgenti luminose convenzionali. Se operato 8 ore al giorno, il risparmio di elettricità del nuovo design ridurrebbe le emissioni di anidride carbonica di gas serra di circa 152 chilogrammi all'anno.

I fari dei treni non solo illuminano i binari davanti, svolgono un ruolo importante anche nel trasporto ferroviario. Perché i treni sono difficili da fermare, i fari devono essere visibili da una distanza sufficientemente lontana da dare alle persone o ai veicoli sui binari il tempo sufficiente per allontanarsi. fari del treno tradizionali, che utilizzano lampadine a incandescenza o alogene, sono abbastanza luminosi da soddisfare le norme di sicurezza ma non sono molto efficienti dal punto di vista energetico perché la maggior parte dell'energia che alimenta la luce viene convertita in calore anziché in luce visibile.

Ricercatori guidati da Guo-Dung J. Su del Micro Optics Device Laboratory del Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics presso la National Taiwan University, Taiwan, sono stati contattati dalla società di ingegneria e design Lab H2 Inc., progettare fari di locomotive che utilizzino i LED come sorgente luminosa. Oltre a richiedere meno energia, I LED durano anche più a lungo e sono più piccoli e robusti rispetto alle sorgenti luminose tradizionali.

"Alcuni prodotti per fari a LED venduti sul mercato sono progettati con molti LED che hanno uscite che si sovrappongono in grandi sezioni. Questi progetti sprecano molta energia, " ha affermato Wei-Lun Liang del Laboratorio di dispositivi di micro ottica, che è stato determinante nella progettazione del nuovo faro del treno. "La nostra ricerca ha dimostrato che il consumo di elettricità può essere ridotto concentrandosi sul modo migliore per distribuire equamente l'energia dei LED".

Nella rivista The Optical Society Ottica applicata , Liang e Su segnalano un nuovo design dei fari del treno basato su dieci LED ad alta efficienza posizionati con precisione. Il design utilizza un totale di 20,18 Watt per ottenere la stessa intensità luminosa di una lampada a incandescenza o alogena che utilizza diverse centinaia di watt. Il nuovo faro può anche essere attenuato spegnendo alcuni LED per evitare di accecare i passeggeri in attesa quando il treno passa su un binario, Per esempio.

Progettare per l'efficienza energetica

Proprio come quelli usati per le automobili, i fari dei treni in genere combinano una sorgente luminosa con una parabolica, o a forma di coppa, superficie riflettente che focalizza la luce emessa in un raggio. Sebbene i LED siano un'ottima opzione per risparmiare energia, i LED più efficienti dal punto di vista energetico emettono punti luminosi più piccoli. Per questa ragione, i ricercatori hanno dovuto combinare le piccole uscite di più LED ad alta efficienza in un'uscita circolare più grande per creare un raggio abbastanza grande da poter essere utilizzato come faro del treno.

"La combinazione di più LED è più costosa e consuma più elettricità rispetto all'utilizzo di pochi LED singoli, " disse Liang. "Così, dovevamo determinare come posizionare al meglio il minor numero possibile di LED ad alta efficienza necessari per soddisfare i requisiti, analizzando come la superficie parabolica riflettesse le luci LED."

L'obiettivo dei ricercatori era un faro che fornisse luce 1,25 volte la luminosità richiesta dalle normative federali degli Stati Uniti. Queste normative richiedono che i fari dei treni abbiano un'intensità di picco di almeno 200, 000 candele e illuminare una persona ad almeno 800 piedi davanti al faro.

Il posizionamento dei LED per risparmiare energia e soddisfare le linee guida federali ha comportato diverse sfide. I ricercatori hanno dovuto fare attenzione a sovrapporre le uscite LED quanto basta per creare un fascio ampio, ma non tanto che più LED, e quindi più energia, sarebbe necessario. Anche, i LED devono essere posizionati sufficientemente distanti l'uno dall'altro affinché il calore si disperda per evitare danni al circuito.

Posizionamento dei LED Per creare un faro del treno ad alta efficienza, i ricercatori hanno utilizzato due riflettori parabolici semicircolari alluminati. Se usati insieme, i forti raggi di ciascun riflettore si combinano per generare l'intensità luminosa necessaria per soddisfare le linee guida federali. Questo design ha anche semplificato il posizionamento dei circuiti necessari per alimentare i LED perché potrebbero essere alloggiati nel divisore orizzontale che separa i riflettori.

Per determinare dove posizionare i LED nei riflettori, i ricercatori hanno prima stimato la posizione migliore di ciascun LED e poi hanno utilizzato una serie di test e simulazioni per mettere a punto la posizione finale di ciascun LED in base al modello di illuminazione corrispondente. "Altri scienziati possono utilizzare l'equazione lineare che abbiamo derivato per decidere le posizioni approssimative dei LED per altre applicazioni, " ha detto Liang. "Questo può ridurre sostanzialmente il tempo necessario per determinare il posizionamento dei LED prima di mettere a punto le posizioni."

I ricercatori sottolineano che i fari utilizzano in genere una superficie completa del riflettore parabolico. "Riteniamo che questo sia il primo progetto a utilizzare una combinazione di due superfici riflettenti semi-paraboliche, ", ha affermato Liang. "Analizzando sistematicamente il design per determinare il miglior posizionamento dei LED nel riflettore, siamo stati in grado di ridurre al minimo il consumo di elettricità soddisfacendo al contempo i requisiti legati alla sicurezza del traffico."

I ricercatori stanno ora lavorando per trasformare il loro design in un prodotto commerciale. Anche se il nuovo design mostra un basso consumo energetico, genera ancora un po' di calore disperso. Prima che il progetto possa essere commercializzato, i ricercatori dovranno sviluppare e testare un sistema di dissipazione del calore per il nuovo faro.