LED Tabanlı Sokak Lambası Tasarımı ve Fotometrik Ölçümleri

Sokak aydınlatmalarında kullanılan mevcut ışık kaynaklarının verimlilikleri 30 lm/W ile 80 lm/W arasında değişim göstermekle birlikte ortalama ömürleri 2.000 saat ile 20.000 saat arasındadır. Termal olarak iyi dizayn edilmiş bir LED (Işık Yayan Diyot) lambada ise kullanım ömürleri 200.000 saatleri verimlilikleri ise 139 lm/W seviyelerindedir. LED'in yarı iletken malzemelerden üretildiği ve zararlı gazları ihtiva etmediği de düşünüldüğünde önümüzdeki dönemlerde özellikle genel aydınlatma da vazgeçilemez aydınlatma gereci olarak kullanılmaya başlayacağı ve mevcut kaynakların yerini alacağı görülmektedir. Bu bildiride ilk olarak aydınlatmada 21. Yüzyılın devrimi olarak değerlendirilen LED teknolojisi hakkında dünyada ve Türkiye'deki güncel durum değerlendirilecek ardından sokak aydınlatmaları için geliştirilmiş olan LED lambanın fotometrik özellikleri incelenecektir.

Aydınlatmanın büyük önem taşıdığı günümüzde, az elektrik tüketerek yüksek verim sağlama gereksinimi gün geçtikçe artmaktadır. Elektrik enerjisinin üretilme maliyetinin yüksekliği, mevcut enerji kaynakların zamanla azalması v.b. nedenlerden dolayı son yıllarda dünyadaki yüksek verimli ışık kaynaklarına yönelik çalışmalar da ivme kazanmıştır. Dünyada kullanılan elektrik enerjisinin yaklaşık yüzde yirmilik bölümünün aydınlatma ihtiyacı için harcandığı düşünülürse bu yöndeki çalışmaların önemi daha iyi anlaşılabilmektedir. Mevcut lambaların geneli civa, argon v.b. zararlı gazları ihtiva etmektedir. Bu gazların çevreye etkileri ve geri dönüşüm problemleri gelişmiş ülkeleri alternatif arayışına yönlendirmiştir. 

Son yıllarda düşük enerji ile iyi verim alınabilen, Işık Yayan Diyotlar (LED) üretilerek, özellikle yol kavşak uyarıcı sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Birçok ülke bu sistemlere geçiş sayesinde yüzde seksenlere varan oranlarda tasarruf sağlamıştır. Gerçekleştirilen Ar-Ge çalışmaları neticesinde üretilen LED'lerin verimlilikleri 139 lm/W değerini aşmıştır. Sokak aydınlatmalarında kullanılan mevcut ışık kaynaklarının verimlilikleri 30 lm/W ile 80 lm/W arasında değişim göstermekle birlikte ortalama ömürleri 2.000 saat ile 20.000 saat arasındadır. Termal olarak iyi dizayn edilmiş bir LED lambada ise kullanım ömürleri 200.000 saatleri bulabilmektedir. LED'in yarı iletken malzemelerden üretildiği ve zararlı gazları ihtiva etmediği de düşünüldüğünde önümüzdeki dönemlerde özellikle genel aydınlatmada, vazgeçilemez aydınlatma gereci olarak kullanılmaya başlayacağı ve mevcut kaynakların yerini alacağı görülmektedir.                      

Bu çalışmamızda ilk olarak aydınlatmada 21. Yüzyılın devrimi olarak değerlendirilen LED teknolojisi hakkında dünyada ve Türkiye'deki güncel durum değerlendirilecek ardından LED aydınlatmaya geçişin ulusal enerji verimliliğine katkısı örnekler ile açıklanacaktır.

Giriş

Ülkemizde tüketilen toplam elektrik enerjisi içinde aydınlatmanın payı % 20 civarındadır. Aydınlatmada verimliliğin sağlanması ile hem görsel, hem bütçesel rahatlama sağlanabilecektir. Aydınlatmada enerji tasarrufu, görsel konfordan ödün vermeden, gerekli en az aydınlık şiddetlerinin sağlanması ile elde edilir. Bunun için öncelikle düşük verimli ışık kaynakları yerine yüksek verimli ışık kaynakları kullanılmalıdır. Örneğin klasik bir ampulü az enerji kullanan lamba ile değiştirmek enerji tüketimini % 80 civarında azaltabilmektedir.

Temel olarak elektrik enerjisini ışığa çevirmek için dört yöntem kullanılır. Isıtma yöntemi, düşük ve yüksek basınçlı metal buharlı ortamda deşarj yöntemi ve uyarılma ile ışık verme (luminescence) yöntemleri [1].

1. Isıtma yöntemi: Bir flaman yapısı üzrinden elektrik akımı geçirilerek flamanın ısınması sağlanır ve akkor hale gelen flamanın yaydığı görülebilir ışık kullanımımıza sunulur. Örnek, akkor lambalar ve halojen lambalar.
2. Gaz deşarjı: Havası boşaltılmış ve metal buharı ilave edilmiş bir tüp içerisinde iki elektrot vasıtasıyla bir gerilim uygulanarak, metal buharı üzerinden geçen akımın meydana getirdiği ark'ın yaydığı görülebilir ışık aydınlatmada kullanılır. Örnek, civa buharlı lambalar, metal halide lambalar, sodyum buharlı lambalar.
3. Uyarma ile ışıma yöntemi (Luminescence): Alçak basınçlı civa buharlı lambalarda elde edilen gözle görülemeyen UV ışık ile bir fosfor tabakası uyarılarak görülebilen ışığa çevrilir. Örnek, flüoresan lambalar, kompakt flüoresan lambalar.
4. Elektrik enerjisini doğrudan ışığa çeviren bir yöntem olarak katı bir yapı içersinde elekronların uyarımı ile görülebilen ışık elde edilir (electroluminescense). Örnek, LED lambalar.

Işık Yayan Diyot (LED) Teknolojisi  

LED, İngilizcede Light Emitting Diodes kelimelerinin kısaltılarak, bu ürünün jenerik adı haline gelmiş söylenişidir. Bir LED yongası yapı itibarı ile N ve P tipi yarıiletken katmanlar arasına sandviç edilmiş aktif katman tabakasından ve bunların elektriksel bağlantılarından oluşan opto elektronik bir elemandır. LED'ten doğru yönde bir akım geçirildiğinde elektronlar aktif katmanı uyarır ve aktif katmanda ışık üretilir. Üretilen ışık doğrudan veya reflektörden yansıma ile pencere katmanından yayılır. LED'ler aktif katmanın materyal yapısına bağlı olarak görülebilir ışık tayfının belirli bir bölümünde ışık yayarlar. Başka bir deyişle tek renk ışık üretilir ve aktif katmanda kullanılan materyal LED ışığının rengini belirler. Yüksek seviyede ışık veren renkli LED'lerde aktif katman olarak farklı materyaller kullanılır (GaAs, GaP, GaN, AlInGaP ve InGaN). LED'lerle beyaz ışık üretmek iki yöntemle mümkündür. Bunlardan birincisi; kırmızı, yeşil ve mavi üç adet LED yongasını bir kılıf içersinde kullanarak beyaz ışığı elde etmektir. İkinci yöntem ise mavi LED yongasında üretilen ışığın bir fosfor tabakasını uyararak beyaz ışık üretilmesidir. Şekil olarak çeşitli ebatlarda, radyal biçim başta olmak üzere çok çeşitli yapılarda kılıflandırılırlar. Normal baskı devreler için pin ayaklı üretildikleri gibi, SMT (yüzey montaj teknolojisi) ve doğrudan baskı devre üzerine montajlı (on board) biçimlerde üretimleri ticari olarak piyasaya sürülmektedir.

LED'lerin Özellikleri ve Sağladığı Faydalar

·         Tek renk ışık kaynağı (dar bantlı): Işık istenilen dalga boyunda olduğu için renk filtresi, prizma gibi renk ayrıştırıcılara ihtiyaç yoktur. Örneğin kırmızı trafik lambasında 617 nm dalga boyunda kırmızı LED'lerde üretilen ışığın tamamı kullanılır. Oysa akkor lambalarda üretilen ışığın mavi ve yeşil bileşenleri bastırılarak sadece kırmızı bileşeni kullanılır. 75 W akkor lamba yerine 8-10W LED dizini kullanılarak % 80 enerji tasarrufu sağlanır.

·         Çok küçük ışık kaynağı (birkaç mm² ): Küçük ebatlı armatürler geliştirilir, ışık kolayca yönlendirilebilir.

·         Tasarımcılara geniş ve kolay kullanım imkânları sağlar.

·         Hızlıdır, 200 ns içinde ışık vermeye başlar.

·         Uzun Ömür: Kullanım kondisyonuna bağlı olarak 150.000 saate kadar.

·         Yüksek ışık verimliliği (verimlilik giderek artıyor, örneğin laboratuvar ortamında beyaz renkte 165 lümen/Watt'a ulaşılmış durumda).

·         Düşük ısı üretimi: Akkor lambalarda flaman ısısı 2700 ^oC, halojen lambalarda 3100 ^oC, deşarjlı lambalarda tüp ısısı 800-1100 ^oC'ye ulaşırken LED'lerde yonga ısısı 110 ^oC'yi geçmez.

·         Tanımlanmış ışık açıları.

·         Görülebilir renk tayfındaki hemen hemen bütün renkler elde edilebilir.

·         Dimerlenebilir (0 - 100 %).

·         Şok ve titreşimlere dayanıklı: Cam, flaman gibi kırılgan elemanlar ihtiva etmez.

·         Beyaz LED için farklı renk sıcaklıkları: 3200, 4700, 5400, 6500 Kelvin.

·         Çevrecidir; yapısında civa gibi ağır metaller ve halojen gazları yoktur.

Gelişen LED teknolojisi ile eş zamanlı olarak standartların belirlenmesi ve uluslararası normlara uygun ürünlerin üretiminin sağlanması gerekmektedir. Bir ürünün elektriksel özelliklerinin yanında fotometrik özelliklerin de çok iyi belirlenmesi gerekmektedir. Bu kapsamda sokak ve cadde aydınlamaları için geliştirilmiş LED'li lambanın ışık şiddeti, ışık akısı, renk sıcaklığı ve ışık dağılımı başta olmak üzere fotometrik özellikleri incelenmiştir.

Fotometrik Ölçümler

LED tabanlı sokak lambası TEDAŞ şartnamesine uygun olarak tasarlanmış olup tüm fotometrik ölçümler akredite laboratuvarlar ile birlikte gerçekleştirilmiştir. Aşağıda verilmekte olan tüm ölçüm sonuçları 60 W elektriksel gücündeki sokak lambasına aittir (Foto 1).

Göz duyarlılığına denk görünür bölgedeki ışınım gücünü tanımlayan Işık Akısı uzayda verilen herhangi bir noktadan geçen görünür ışık enerji akısının ölçülmesidir [2]. Bir steradyanlık katı açı içerisindeki bir kandela'lık isotropic kaynağın meydana getirdiği akının miktarı olarak tanımlanır. 60 W elektriksel gücündeki LED'li sokak lambasının ışık akısı, 2 m çaplı özel tasarlanmış toplama küresi kullanılarak ölçülmüş ve tekrarlamalı ölçümlerin ardından ışık akısının 8.047 lümen olduğu belirlenmiştir.

Kandela olarak (lümen/steradian) olarak ifade edilen Işık şiddeti katı açı başına fotometrik gücün ölçümüdür [3]. Aydınlık Düzeyi ise bir yüzey üzerine düşen ışık akısının meydana getirdiği aydınlatmadır ve ışık akısının dedektör alanına bölümü olarak ifade edilir. Bir metrekarelik alan üzerine düşen bir lümenlik aydınlatma bir lüks olarak tanımlanır. Işık ölçümlerindeki temel birim olan kandela, tüm yönlerde homojen (isotropic) olarak 1 sr katı açıda yayımlanan 1 lm ışık akısına göre tanımlanır. Bu tanımda sözü geçen steradian, aydınlanan yüzey alanının bu yüzeye kadar olan mesafenin karesine bölünmesi ile tanımlanır [4]. Bundan dolayı, 1 steradian, 1 metre mesafede 1m² izdüşüm alanına sahiptir. Bu yüzden,  1 cd?lık ışık kaynağı benzer şekilde 1 foot mesafede 1 lm/foot² ve 1 m mesafede 1lm/m² aydınlık düzeyi meydana getirecektir. Aydınlık düzeyi değerleri şekil 2'de verilmekte olan ölçüm sistematiği ile elde edilmiş olup ölçümlerde kalibreli fotometre başlığı kullanılmıştır. Farklı zamanlar da yapılan ölçümlerin ortalamasının alınması sonucu on metre mesafede 12 lüks aydınlık düzeyi elde edilmiştir.  

LED'lerin renk sıcaklığı değerleri spektrofotometrik test düzeneği kullanılarak ölçülmüş ve 6540 K değerine sahip LED'ler tercih edilmiştir [5]. Şekil 2'de verilmekte olan diyagramdan anlaşılacağı üzere beyaz ışık renk sıcaklığı değerlerine bağlı olarak üç farklı bölgeye ayrılmaktadır. Sokak lambası yapımında kullanılan LED'lerin renk sıcaklıkları uygulama bölgesine bağlı olarak seçilir.

LED'li lambalar ile ilgili ölçülmesi gereken en önemli parametrelerden biri fotobiyolojik değerlerdir [5]. Tüm ışık kaynakları insan bedenine ve gözüne zararlı olabilecek mor ötesi ve kızıl ötesi bölgede ışınım yayma potansiyeline sahiptir. Dolayısıyla bu bölgelerdeki emisyonlar ölçülmelidir. Kullandığımız Cree XPG serisi LED'ler ANSI/IESNA RP-27.3-07 normuna göre Orb Optronix Inc. laboratuvarlarında 300-1400 nm dalga boyu aralığında ölçülmüş ve risk kategorisinde her hangi bir ışıma yapmadıkları tespit edilmiştir. Fotometrik testlerin ardından Foto 4'deki yolda uygulama projesi gerçekleştirilmiştir.

İlk durumda (eski sistem) seksen dokuz adet 150 W gücünde sodyum buharlı lamba kullanılmakta olup sisteme bağlanmış bir sayaç vasıtasıyla iki ay boyunca elektrik sarfiyatı ölçülmüş ve sarfiyat tutarının 5.083,77 TL olduğu tespit edilmiştir. Kullanılan tüm lambalar 60 W gücünde LED lambalar ile değiştirilerek iki ay sonunda elektrik sayacı ile toplam sarfiyatın 1.752,98 TL olduğu belirlenmiştir. Bu süre içerisindeki tasarruf miktarı 3.330,79 TL tasarruf oranı ise % 65 olarak elde edilmiştir. Yol boyunca tek düzlem boyunca önceki ve LED'li uygulama sonrası elde edilen aydınlık düzeyi değerleri tabloda verilmiştir.

Sonuç

Dış mekan (cadde, sokak v.b.) aydınlatmaları için geliştirilen LED tabanlı lambaların üretiminin ardından uluslararası normlara göre testleri yapılarak özellikle fotometrik özellikleri incelenmiştir. Bu kapsamda belirlenen numuneler için ışık akısı, aydınlık düzeyi, ışık şiddeti, renk sıcaklığı ve mor ötesi ışınım karakteristikleri ölçülmüştür. Gerçekleştirilen uygulama örneğinin verilerinin değerlendirilmesi sonucu % 65 oranında tasarruf tespit edilmiştir. Mevcut lambaların ömrü 2.000 ile 20.000 saat arasında değişim gösterirken elektriksel ve mekaniksel olarak iyi dizayn edilmiş bir LED lambada ömrün 120.000 saatlere varabildiği belirlenmiştir. Türkiye'de ki toplam elektrik tüketiminin yaklaşık yüzde iki buçuğu aydınlatma amaçlı kullanılmakta ve 11 milyon civarındaki elektrik direğinin 6,5 milyonunda aydınlatma yapılmaktadır. Toplamda yaklaşık 1 milyar Türk Lirası'na karşılık gelen elektrik faturası cadde ve sokak aydınlatmaları için kullanılmaktadır. Türkiye toplamında yıllık enerji tüketimi 200 milyar kW saat civarında olmakla birlikte cadde ve sokak aydınlatmaları için tüketilen enerji 5 milyar kW saat civarındadır. LED aydınlatmaya geçilmesi durumunda ortalama % 60 oranında tasarruf edileceği düşünülecek olursa toplamda 3.25 milyar kW saat tasarruf elde edileceği ve bu tasarruf neticesinde ülke ekonomisine yıllık 650 milyon Türk Lirası katkı sağlanacağı hesaplanmaktadır.