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省エネに最適化した強力LEDベース列車ヘッドライト開発

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February, 16, 2018, Washington--従来の光源を使うヘッドライトが必要とするエネルギーの1/10ですむ新しいLEDベースの列車用ヘッドライトを台湾の研究チームが設計した。毎日8時間点灯なら、新デザインの省エネは約152kg/年のグリーンハウスガス二酸化炭素放出を削減する。
 列車のヘッドライトは前方の軌道を照らしているだけでなく、鉄道輸送でも重要な役割を果たしている。列車は止まりにくいので、ヘッドライトは遠くの線路上の人や車輌に見え、線路外に出る十分な時間があるようでなければならない。従来のヘッドライトは、白熱電球かハロゲン電球を使っており、安全基準を十分に満たしているが、エネルギー効率がよくない。ライトに電力を供給するエネルギーのほとんどが、可視光よりも熱に変換されるからである。
 国立台湾大学のフォトニクス・オプトエレクトロニクス大学院研究所のマイクロエレクトロニクスデバイス研究所のGuo-Dung J. Su氏をリーダーとする研究チームは、エンジニアリング・設計会社Lab H2 Incのアプローチにより、光源にLEDを使う列車用ヘッドライトを設計した。
 Applied Opticsに発表された論文によると、新しい列車用ヘッドライトの設計は、10個の正確に位置決めをした高効率LEDをベースにしている。この設計は、数100ワットを使用する白熱電球、ハロゲンランプと同じ光強度達成に、トータルで20.18Wを使用する。また、新しいヘッドライトは、LEDの一部を消すことで調光できる。これは、例えば、通過列車を待つ乗客の目を眩まさないようにするためである。

自動車用ヘッドライトと同様、列車用ヘッドライトは一般に、光源と反射面を組合せ、放出光を集光してビームを作る。LEDは省エネであるが、ほとんどのエネルギー効率のよいLEDは光のスポットが小さい。このため、研究チームは多数の高効率LEDのち光出力を統合して大きな円形出力にし、列車用ヘッドライトとして使用できる大きなビームを作らなければならなかった。
 研究チームの目標は、米国連邦規制で求める輝度の1.25倍を達成することであった。この規制では、ヘッドライトのピーク強度は少なくとも200000カンデラ、ヘッドライトの前方、少なくとも800フィートの人間を照射することが必要となる。

LEDの位置決め
高効率列車用ヘッドライト実現のために、研究チームは2つの半円パラボラアルミ反射板を使った。いっしょに使うと、各反射板からの強力なビームが統合されてる連邦ガイドラインを満たすために必要な光強度を作ることができる。
 反射板のどこにLEDを置くかを決めるために研究チームはまず、各LEDのベストの位置を推定し,次に一連のテストとシミュレーションを行って、対応する照射パタンに基づいて各LEDの最終位置を微調整した。
 「反射板でLEDのベストの位置を決める設計を系統的に解析することで、交通安全に関連する要件を満たすとともに、電力消費を最小化することができた」とLiang氏はコメントしている。