CC BY
107
УДК 628.981
Энергосберегающие технологии в проектировании и эксплуатации комплексов светосигнального оборудования аэродромов
Ю. Т. Зырянов,
доктор технических наук, доцент,
профессор кафедры конструирования радиоэлектронных и микропроцессорных систем, ФГУ ВПО Тамбовский государственный технический университет
В. В. Волков,
кандидат физико-математических наук, доцент,
заместитель начальника кафедры инженерно-аэродромного обеспечения Военного авиационного инженерного университета (ВАИУ), г. Воронеж
В. М. Дмитриев,
адъюнкт научно-исследовательского отдела ВАИУ, г. Воронеж
Развитие полупроводниковой светотехники и успешное внедрение светодиодов в светосигнальное оборудование объектов различного назначения позволяют рассмотреть возможность их применения в качестве основного источника света в комплексах светосигнального оборудования аэродромов, чтобы улучшить его эксплуатационные и технико-экономические характеристики.
Ключевые слова: светосигнальное оборудование аэродрома, энергоэффективность, энергосбережение, источник света, светоизлучающий диод.
Введение
Постоянные обновления моделей воздушных судов и требований снижения метеоминимума аэродромов, при котором возможны полёты, заставляют совершенствовать радиотехническое обеспечение и комплексы светосигнального оборудования (КССО). Радиотехнические средства обеспечивают безопасность подлёта воздушного судна к аэродрому, а светосигнальные средства используются на конечных стадиях посадки, при пробеге и движении по элементам аэродрома.
Согласно нормам Международной организации гражданской авиации, посадка самолётов в условиях плохой видимости подразделяется на три эксплуатационные категории, характеризующиеся пределами дальности видимости огней взлётно-посадочной полосы и высотами принятия решения [1]. Таким образом, КССО являются одним из основных элементов аэродрома и должны обеспечивать регулярность и безопасность полётов авиации ночью и в условиях плохой видимости.
Основные направления совершенствования комплексов светосигнального оборудования: повышение надёжности, увеличение срока службы, снижение потребляемой энергии и массогабаритных показателей, улучшение эксплуатационных и технико-экономических характеристик. Для анализа возможностей совершенствования существующих комплексов и внедрения энергосберегающих технологий при проектировании и эксплуатации светосигнального оборудования аэродромов необходимо рассмотреть ком-
плексы светосигнального оборудования, применяемые для обеспечения посадки на различных объектах.
Анализ состояния вопроса исследований
В обзорной работе [2] рассмотрены существующие комплексы светосигнального оборудования аэродромов и вертодромов, представлены схемы их размещения, основные характеристики, конструкции огней. Показано, что в качестве источников света КССО, в основном, используются лампы накаливания (ЛН) и кварцево-галогенные ЛН, некоторые характеристики которых представлены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что источники света имеют светоотдачу от 13,8 до 24 лм/Вт, при этом их средний срок службы не превышает 1000 часов в номинальном режиме эксплуатации. Однако большую часть времени светосигнальные огни эксплуатируются в режимах пониженной мощности, поэтому срок их службы может достигать 3000 часов. Из анализа характеристик существующих источников света, представленных в табл. 2, видно, что их энергетическая эффективность и срок службы различаются [3, 4].
Повышение требований к надёжности комплексов светосигнального оборудования и повсеместное внедрение энергосберегающих технологий обуславливают необходимость замены используемых источников света на более эффективные. Самыми высокими характеристиками обладают светоизлучающие диоды (СИД), которые приобретают все большую распространённость и доступность, обусловленную их достоинствами, среди которых:
ДЕИЯ8ИВИИ
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 23 =
Таблица 1
Основные характеристики применяемых в КССО источников света
Тип лампы Мощность, Вт Световой поток, лм Срок службы, ч Световая отдача, лм/Вт
Кварцево-галогенные лампы малогабаритные
КГМ 6,6-45-3 45 770 1 000 17,11
КГМ 6,6-65-4 65 1 450 1 000 22,31
КГМ 6,6-100-6 100 1 900 1 000 19
КГМ 6,6-100-5 100 2 400 1 000 24
КГМ 6,6-150-3 150 3 600 1 000 24
КГМ 6,6-200-6 200 3 800 1 000 19
КГМ 6,6-200-7 200 4 800 1 000 24
Лампы накаливания прожекторные
ПЖ 6,6-45 45 620 750 13,78
ПЖ 6,6-65 65 1 050 750 16,15
ПЖ 6,6-100 100 1 600 750 16
ПЖ 6,6-200-1 200 4 200 225 21
ПЖ 6,6-300-1 300 6 000 225 20
Таблица 2
Основные характеристики источников света
Тип источника света Средний срок службы, ч Световая отдача, лм/Вт
ЛН общего назначения 1 000 8-17
Люминесцентные лампы 10 000-20 000 48-104
Компактные люминесцентные лампы 5 500-15 000 65-87
Дуговые ртутные лампы 12 000-24 000 19-63
Натриевые лампы высокого давления 10 000-28 000 66-150
Металлогалогенные лампы 3 500-20 000 68-105
Светоизлучающие диоды До 100 000 До 170
- высокая надёжность;
- срок службы достигает 100 000 часов;
- светоотдача достигает 170 лм/Вт;
- отсутствие в большинстве случаев сложной пускорегулирующей аппаратуры;
- вибростойкость и ударопрочность;
- малые размеры;
- устойчивость к низким температурам;
- экологичность.
Современные СИД излучают как в больших, так и в малых телесных углах, что позволяет в ряде случаев обходиться без формирующих световой поток оптических элементов. Полезное излучение может быть сформировано с любой пространственной конфигурацией, что создаёт удобства проектирования оптических модулей и световых приборов с наиболее эффективным его использованием. Время достижения номинальной яркости на четыре порядка меньше времени разгорания лампы накаливания и до тысячи раз быстрее разрядных ламп. Благодаря этим достоинствам световые и светосигнальные приборы на светоизлучающих диодах могут устанавливаться как на стационарных объектах, так и на транспортных средствах [2].
Пути решения задачи энергосбережения и повышения надёжности КССО
На основе исследований светодиодной техники были созданы и освоены в производстве в серию светосигнальные огни кругового обзора с СИД. Они предназначены для световой маркировки или светоогражде-ния высотных и протяжённых объектов, препятствий, наличие которых может влиять на безопасность полётов воздушных судов ночью и в сумерках, а также днём в условиях плохой видимости. Для данных светосигнальных приборов на светоизлучающих диодах достигнуто энергосбережение 85 %, по сравнению с аналогичными на лампах накаливания [2].
Светосигнальные огни на светодиодах разрабатываются по двум направлениям:
- создаются принципиально новые конструкции огней, использующие все преимущества светоизлу-чающих диодов;
- устанавливаются светодиодные источники света в ранее разработанных конструкциях огней, работавших с лампами накаливания.
Следует отметить, что успехи достигнуты в обоих указанных выше направлениях. Так, в РЖД имеется большой опыт внедрения светоизлучающих диодов
ШШ8М2Ш
во все сферы своей деятельности. Большой спектр работ ведётся в области железнодорожной светосигнальной техники совместно с ведущими институтами (ВНИИЖТ, ВНИСИ, ВНИИОФИ и др.). Ведутся работы в стратегических государственных направлениях - получение высокоэффективного твердотельного источника света и разработка энергосберегающих источников света [5].
В настоящее время достигнуты показатели энергосбережения от 35 до 40 % на каждый заменяемый светосигнальный прибор. Кроме положительных экономических сторон внедрения и эксплуатации разработанных светосигнальных систем есть крайне важный аспект повышения надёжности оборудования, а значит и повышения безопасности. Главное концептуальное преимущество светодиодных систем перед системами на основе ламп накаливания - матричная (блочная) система источников света. В случае аварийной ситуации это позволяет гарантировать пусть не полную, но работоспособность изделия и не потребует вмешательства в момент движения. Другими словами, разработанное светодиодное оборудование подвижного состава позволяет в большинстве случаев продолжить безопасное движение до места его ремонта.
Кроме разработки новых светосигнальных приборов есть опыт модернизации существующих. Примером может служить предлагаемая для ж/д-светофоров лампа на основе светоизлучающих диодов, полностью заменяющая существующую, но при этом сохраняющая все преимущества светоизлучаю-щих диодов перед лампой накаливания и не требующая абсолютно никаких изменений в конструкции светофора и интерфейса управления в системе [5].
При проектировании комплексов светосигнального оборудования вместе с энергетическими характеристиками источника света необходимо учитывать и спектральные характеристики, сопоставляя их со спектральной чувствительностью человеческого глаза. Свет, генерируемый источником, должен иметь такое спектральное распределение плотности энергетической яркости, которое обеспечивало бы ему однозначное присвоение того или иного цвета. Выбор цветности сигнала важен с точки зрения наибольшей надёжности его различения и сохранения постоянства в течение всего времени наблюдения. Важно, чтобы отдельные цвета при восприятии наблюдателем не смешивались. Рекомендуемые координаты цветности обычно определяются не только спектральными характеристиками источника света и применяемых светофильтров, но и спектральными свойствами атмосферы, а также углом наблюдения. При малых углах наблюдения красная поверхность может выглядеть жёлтой, жёлтая -белой, зелёная - сине-зелёной [1]. Требования для сигнальных огней, применяемых в авиации, определяются большими скоростями и плотностью движения, требованиями к безопасности. Неверное определение цвета огней может привести к ошибкам в установлении положения воздушного судна в пространстве, что, в свою очередь, может повлиять на безопасность полёта.
Оптимальное восприятие глазом возможно при облучении сетчатки узкополосным источником света, основная плотность излучения которого сосредоточена в узком диапазоне длин волн. В качестве примера такого источника света на рис. 1 представлен красный светоизлучающий диод с максимумом излучения на длине волны 650 нм.
Г
0,4 0,3 0,2
0
/ \ 2 * N V 1
/ > 4 > / / \ V \ 1 11 3
/ \ / / \ \ \ ! 1 \ \
\ / / / \ \ 1 1
/ / \ \ V / |
1 \ / / \ \ \ 1 1
\ 1 \ 1
У / \ V
! / / \ > / \ 1 \
/ \ X. ч
380 400 420 440 460 480 500 520 540560 580 600 620 640 660 680 700 720 1_,нм 1— Красный 3 ■ ■ ■ - Красный СИД 2 - ■ - Зеленый 4..... Синий
Рис. 1. Относительная спектральная чувствительность глаза и спектр красного светодиода
На графике представлены кривые относительной спектральной чувствительности различных типов колбочек человеческого глаза. Действие узкополосного источника света направлено в узкую область спектральной чувствительности глаза, что и формирует отклик об однозначности цвета. Так, одним из специфических является жёлтый свет с доминирующей длиной волны около 590 нм, при восприятии которого не удаётся избежать смешанной работы разных типов колбочек. Он изначально является смешением основных цветов: именно по этой причине пороговая освещённость и требуемая сила источника света должны быть больше, чем у других цветов, при условии сохранения одинаковой вероятности правильного восприятия цвета [6].
Эффективность источника света лучше всего оценивать с точки зрения восприятия его спектра глазным аппаратом. На рис. 2 представлен пример такой оценки для галогенной лампы накаливания.
1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0 4 / /
2 V \\
1 \ \ \
I / /
1 / / \ \ \\
// / / 3 / \ \ \\
0,3 0 2 / / А. \ \ \\
1 / ./ / / \ \\ \ \\
0,1 0 / V \ \\
/ / / \
40 0 45 0 50 0 55 0 60 0 65 07 0 75 0 80 0 85
1 — Ф(Ц ЛН
2 - - - У(Ц глаза
3 — реакция глаза
Рис. 2. Характеристика спектрального распределения светового потока галогенной лампы накаливания
ДВИЯ8ИВИИ
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 25 =
На графике представлены: Ф(Ь) - спектральная функция распределения энергии излучения лампы накаливания, V(Ь) - спектральная функция чувствительности глаза, реакция Ф(Ь)^(Ь) человеческого глаза на данный тип источника света, или эффективность источника света с учётом его восприятия. Из графика видно, что из всей излученной лампой энергии глаз воспринимает по всему спектру всего около 30 %, а остальная часть излучения воспринята не будет. В существующем светосигнальном оборудовании для получения необходимого цвета в основном используются светофильтры, снижающие яркость огня. В результате применения светофильтра энергоэффективность источника света ещё больше уменьшается.
С появлением белых светоизлучающих диодов узкий спектр перестал быть их отличительным и приоритетным качеством. В настоящее время СИД всё чаще стали применяться в освещении, что в основном связано с их спектральными характеристиками. Качество света, создаваемого белыми светоиз-лучающими диодами, по спектральным составляющим своего излучения лучше других, используемых в освещении, источников света подходит для восприятия глазом.
Результаты оценки эффективности белого СИД с Т=2900 К представлены на рис. 3. 1' 0,9]
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
/ / ¿Г 1
\
У / / \
/ 1 /7 V
/ ! /' 1
1 1 I
/ 1 \\
\ \ \\
/ У\
/
350 400 450 500 1- - - Ф(Ц СИД белый 2 - - - - У(Ц глаза
Рис. 3. Спектральное распределение светового потока белого СИД с T=2900 K
Из представленного на рисунке графика видно, что в данном случае энергоэффективность источника света выше, однако заметен провал излучения в синей части спектра в диапазоне длин волн примерно от 430 до 510 нм, что может негативно сказаться на видимости объектов с цветами, находящимися в этой части спектра. Поэтому для получения объективной оценки энергоэффективности источника света был проведён их анализ с точки зрения восприятия глазным аппаратом. За 100 % была взята та часть энергии, которая может быть воспринята глазом в одном из восьми рекомендованных для анализа ГОСТ 23198-94 участков спектра. На основе анализа результатов исследований [6, 7] получено:
\ ФХЦ-УЩсИ
где L1 и L2 - нижняя и верхняя границы выбранного диапазона соответственно;
Ф/Ь) - спектральная функция распределения энергии излучения источника света;
V(L) - спектральная функция чувствительности глаза.
Результаты данного анализа представлены на рис. 4.
100% * 90
80 70 60 50 40 30 20 10 0
----Солнце в 14 ч, июль
--*■- ЛН, Т=2780 К
-.........- ЛЛ, Т=4000 К
-МГЛ, Т=6700 К
- ■- Днат, Т=2100 К
- СИД, Т=2900 К —г СИД, Т=3300 К
550 600 650 700 750 800 850 1_,нм 3-реакция глаза
400 430 450 485 535 585 635 710 1_,нм
Рис. 4. Анализ спектральной эффективности различных источников света
Из графиков видно, что наибольшую эффективность имеет солнечный свет с Т=6000 К, который лучше всего воспринимается глазным аппаратом. Источники света на МГЛ имеют довольно равномерное спектральное распределение энергии, но требуют применения источников света большей мощности, чем например, светоизлучающие диоды с Т=2900 К и Т=3300 К. Натриевые лампы, широко распространенные в уличном освещении, имеют максимум энергетической эффективности в области жёлтого цвета и практически нулевую по всему остальному спектру. Поэтому для равенства восприятия с источником излучения белого цвета, спектр излучения которого лучше воспринимается глазом, необходима большая интенсивность, а следовательно, большее потребление энергии. Таким образом, для обеспечения энергоэффективности при проектировании и модернизации светосигнального оборудования необходимо учитывать не только ту световую отдачу, которую можно получить от данного источника света, но и его спектральную эффективность с точки зрения восприятия человеческим глазом.
В связи с большой стоимостью комплексов светосигнального оборудования аэродромов не всегда имеется возможность экспериментальной оценки изменения его характеристик, связанной с заменой источника света. На процесс восприятия пилотом воздушного судна светосигнальной картины аэродрома может повлиять ряд факторов, такие как изменение углового распределения силы света, распределения яркости по поверхности светосигнального прибора, спектральной характеристики источника света, силы света прожектора и т. д. Оценку влияния этих факторов, а также оценку эффективности вновь создаваемого и модернизируемого комплекса светосиг-
ШШШВШ
нального оборудования можно проводить, используя математическое моделирование. Основные положения модели, а также результаты моделирования видимости огней комплексов светосигнального оборудования аэродрома представлены в [8-9]. С помощью данной разработки и алгоритмов можно оценить влияние изменений параметров КССО на восприятие светосигнальной картины аэродрома пилотом воздушного судна. Для этого необходимо провести измерение характеристик отдельных типов светосигнального оборудования, входящих в КССО, а затем с помощью предложенных алгоритмов моделировать восприятие пилотом воздушного судна светосигнальной картины аэродрома и её динамику в процессе посадки.
Внедрение светоизлучающих диодов в светосигнальное оборудование в РЖД уже сейчас позволило достигнуть снижения потребления энергии на
35-40 % [5] для каждого источника света. Имеется также опыт создания заградительных огней на СИД, для которых достигнуто снижение потребления энергии на 85 % по сравнению с аналогичными на лампах накаливания. Кроме энергосбережения использование СИД позволяет повысить эксплуатационные и технико-экономические характеристики светотехники. Таким образом, имеется значительный потенциал применения источника света на основе светоизлучающих диодов для модернизации существующих и проектирования перспективных комплексов светосигнального оборудования. Успешный опыт внедрения светодиодов во многие сферы деятельности подтверждает эти выводы. Предложенный способ минимизации затрат на разработку и испытания КССО позволит значительно ускорить и упростить внедрение светоизлучающих диодов в светосигнальное оборудование аэродромов.
Литература
1. Басов Ю. Г. Светосигнальные устройства. - М.: Транспорт, 1993. - 309 с.
2. Басов Ю. Г., Раквиашвили А. Г., Сысун В. В. Специальная светотехника. - Минск: Изд. центр БГУ, 2008. - 414 с.
3. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю. Б. Айзенберга. - М.: Знак, 2006. - 972 с.
4. Радомский Н. Сравнительный анализ продукции ведущих производителей белых светодиодов // Полупроводниковая светотехника. - 2010. - № 4.
5. Кузнецов В. Современные разработки локомотивного освещения на светодиодах и перспективы отечественного светодиодного производства // Полупроводниковая светотехника. - 2010. - № 4.
6. Никифоров С. Г. Реальный цвет и виртуальный индекс его передачи // Полупроводниковая светотехника. - 2010. - № 2.
7. Бугаков В. В. Оценивание высоты принятия решения при посадке в условиях ограниченной видимости аэродрома // Научный вестник МГТУ ГА. - 2004. - № 4.
8. Зырянов Ю. Т., Дмитриев В. М. Моделирование и исследование влияния доминирующих факторов на видимость светосигнальной картины аэродрома // Научный вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 152 (2).
9. Никишин А. Н., Бугаков В. В. Расчёт параметров светосигнальной картины аэродрома для оценки её восприятия экипажем летательного аппарата (программа для ЭВМ). Свидетельство 2001611813 РФ. -№ 2001611531; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ Роспатента 26.12.01.
Energy-saving technologies in the design and operation of complex lighting equipment of aerodromes J. T. Zyryanov,
D.T.S., associate professor, professor of the department of design of electronic and microprocessor-based systems Tambov State Technical University
V. V. Volkov,
Ph. D., Associate Professor, Deputy Head of the department of engineering and airfield support of the Military Aviation Engineering University, Voronezh
V. M. Dmitriev,
Associate Research Division of the Military Aviation Engineering University, Voronezh
Development of semiconductor lighting and successful implementation of LEDs in Lighting equipment of different objects allows us to consider the possibility of their use as a primary light source in the complexes of lighting equipment terminal to improve its operational and technical-economic characteristics.
Keywords: lighting equipment airfield, energy-efficiency, energy-economy, light source, light-emitting diode.
HK38HSB
