Nowości w zakresie oświetlenia ulicznego

Oświetlenie uliczne stanowi zauważalną i bardzo ważną część ogólnie pojmowanego oświetlenia publicznego. Jest to związane z bezpieczeństwem ruchu, a także ze znaczną ilością energii elektrycznej zużywanej na ten cel. Nie bez znaczenia jest też strona wizualna, estetyka oświetlenia ulicznego, które w  znaczący sposób decyduje o wizerunku miasta w porze nocnej.

Jak oświetla się ulice?

Pojęcie oświetlenia ulicznego powinno być rozumiane szeroko. Zawiera się w nim oświetlenie: jezdni, chodników, tzw. stref konfliktowych (przejścia dla pieszych, skrzyżowania itp.). Oświetlenie uliczne umożliwia ruch dzięki rozpoznawaniu drogi (przebiegu ulicy, jej szerokości, krawężników, przeszkód – przedmiotów nieoświetlonych, znaków). W odniesieniu do oświetlenia chodników, poza rozpoznawaniem drogi, urządzenia oświetleniowe powinny umożliwiać rozpoznawanie twarzy.

Nie wszystkie ulice są jednakowo ważne z punktu widzenia potrzeby oświetlenia. Przede wszystkim oświetlenie powinno być realizowane w obrębie aglomeracji miejskiej i terenu zamieszkanego. Poza tym różne ulice, ze względu na swoistą funkcję komunikacyjną i urbanistyczną, a także charakterystykę techniczną, natężenie ruchu i strukturę uczestników, powinny być oświetlone w różny sposób [2]. Tu dochodzi się do pojęcia standardu oświetlenia. Określenie standardu oświetlenia każdej ulicy precyzuje norma [2], która uwzględnia wszystkie możliwe sytuacje ruchowe (natężenie ruchu, funkcja ulicy, rodzaj ruchu, rozwiązanie techniczne ulicy), przypisując im określone parametry oświetleniowe.

Fot. 1 Istota oświetlenia ulicznego polega na stworzeniu z nawierzchni jezdni równomiernego, jasnego tła, a także na poprawnym prowadzeniu optycznym, dzięki łańcuchowi punktów świetlnych utworzonych przez oprawy oświetleniowe

Każdy standard oświetlenia zagwarantowany jest przez ściśle określony:

? poziom oświetlenia (luminancja lub natężenie oświetlenia),

? równomierność oświetlenia (ogólna i wzdłużna),

? poziom olśnienia.

Powyższe informacje, choć bardzo istotne jako cechy oświetlenia ulicy, nie wyjaśniają jednak precyzyjnie jednej bardzo istotnej kwestii. Jak ma być zrealizowany proces spostrzegania na ulicy? Jak ma być wprowadzone światło w przestrzeń ulicy? Jak ma dostrzegać kierowca potencjalne przeszkody? Odpowiedź na powyższe kwestie stanowi o istocie oświetlenia ulicznego i rzutuje na wybór rozwiązań. Jak się okazuje, jest to dla niefachowców w zakresie oświetlenia ulicznego odkryciem. Tym bardziej warto o tym napisać.

Istota oświetlenia ulicznego polega na tym, żeby tak skierować światło w przestrzeń ulicy, aby uzyskać efekt kontrastu negatywowego – jezdnia musi być dla kierującego pojazdem jasnym tłem, na którym potencjalne przeszkody zostaną dostrzeżone jako ciemne plamy.

Z efektem kontrastu negatywowego mamy do czynienia, np. pisząc czarnym mazakiem tekst na jasnej tablicy. Idea wykorzystania kontrastu negatywowego do oświetlenia ulicznego wynika z kilku przesłanek, między innymi z potrzeby unikania zbyt dużego olśnienia i zbyt gęstego rozstawiania latarni.

Kierowca jadący po oświetlonej ulicy dostrzega zatem jej przebieg, szerokość, dzięki odpowiedniej jasności (luminancji) nawierzchni, dzięki dostrzeganiu krawężników, dzięki łańcuchowi punktów świetlnych (opraw oświetleniowych na latarniach) rozlokowanych wzdłuż jej przebiegu, ale spostrzeganie przeszkód, pieszych wkraczających na jezdnie, będzie następstwem dostrzegania ich ciemnej sylwetki na jasnym tle oświetlonej nawierzchni.

W tym kontekście, w którym szczególną rolę odgrywa jasność oświetlonej nawierzchni, istotnego znaczenia nabiera naturalna jasność nawierzchni. Jaśniejsze nawierzchnie łatwiej jest oświetlić, wymagają mniej światła niż nawierzchnie ciemne. Skład masy bitumicznej odgrywa zatem istotną rolę w zakresie energooszczędności oświetlenia. Jaśniejsze nawierzchnie pozwalają na instalowanie urządzeń oświetleniowych mniejszej mocy niż w przypadku nawierzchni ciemnych.

W powyższym opisie zwrócono uwagę na rolę łańcuchowej linii opraw oświetleniowych, dostrzeganych w dalekiej perspektywie przez kierowcę, w wytyczaniu dalszego przebiegu drogi. Jest to bardzo ważna informacja wizualna, która wpływa nie tylko na komfort widzenia i  bezpieczeństwo, ale również w zasadzie cecha ta decyduje o estetyce oświetlenia ulicznego. Regularna linia punktów świetlnych (świecących opraw oświetleniowych) odgrywa bardzo ważną rolę jako prowadzenie optyczne kierowcy.

Fot. 2 Ze względu na jednostkową małą moc pojedynczej diody źródła światła LED wykorzystywane w oświetleniu ulicznym wykonane są w postaci wieloźródłowej matrycy

Zastosowanie diod elektroluminescencyjnych (LED-ów) w oświetleniu ulicznym

Obecnie niezaprzeczalnie ostatnią nowością w zakresie oświetlenia ulicznego jest wkraczanie w ten obszar diod elektroluminescencyjnych jako kolejnej generacji źródeł światła. Na temat diod świecących napisano już i powiedziano bardzo dużo [3]. Wydaje się, że szum informacyjny i intensywna kampania marketingowa zaciemniły rzeczywisty obraz cech fotometrycznych i eksploatacyjnych oraz możliwości eksploatacyjnych tych źródeł światła. Z punktu widzenia ich aplikacji w oświetleniu ulicznym warto wymienić następujące:

? niewielka moc jednostkowa pojedynczej diody (mały strumień świetlny),

? duża trwałość,

? wytwarzanie światła białego,

? wysoka skuteczność świetlna,

? wysoka luminancja,

? łatwa regulacja (ściemnianie) strumienia świetlnego.

Pierwsza cecha, niewielka moc jednostkowa (pojedyncze Waty), sprawia, że aby zagwarantować strumień świetlny oprawy oświetlenia drogowego na dotychczasowym poziomie, oprawa z LED-ami musi zawierać wiele (kilkadziesiąt) elementarnych diod. A zatem musi zmienić się tradycyjna koncepcja układu optycznego oprawy. Wydaje się, że należy oczekiwać dwóch podstawowych wariantów. Po pierwsze układu, w którym każda elementarna dioda świeci w innym kierunku i pokrywa potrzeby tylko w zakresie niewielkiej części jezdni. Wówczas, aby zrealizować pełne potrzeby oświetlenia, należy zaprojektować tyle diod i tak je nakierować, aby  plama świetlna obejmowała cały wymagany odcinek jezdni. Drugi wariant układu optycznego to zespół n-diod, z których każda realizuje potrzebę oświetlenie całego obszaru, jednak tylko w niewielkiej 1/n–skali.

Fot. 3 Widok fragmentu zaświeconej oprawy oświetlenia ulicznego LED. Funkcję oświetleniowe spełniają elementarne diody elektroluminescencyjne

Duża trwałość jest bez wątpienia pożądaną cechą każdego źródła światła. Źródła dotychczas używane w oświetleniu dróg charakteryzowała trwałość na poziomie 10–25 tys. godzin. Diody elektroluminescencyjne wydłużają ten okres dwukrotnie. Na tym tle, obok nadziei na łatwiejszą eksploatację, rodzi się wiele wątpliwości. Zapewne nie wszystkie diody w jednej oprawie przestaną jednocześnie świecić. Co zrobić, jeżeli jedna czy dwie diody przestaną świecić? Z  punktu widzenia tradycyjnie rozumianej trwałości nie jest to zakończenie żywotności lampy, ale jedynie spadek strumienia świetlnego. Z punktu widzenia oświetlenia ulicy, gdzie każda dioda odpowiadać może za oświetlenie innego jej fragmentu, sytuacja taka jest niedopuszczalna.

Wytwarzanie światła białego jest pożyteczną cechą LED-ów, pozwalającą widzieć jezdnię i jej otoczenie w bardziej naturalnych barwach. W tym zakresie nowe źródła światła wprowadzają lepszą jakość oświetlenia.

Skuteczność świetlna źródeł światła jest podstawowym parametrem decydującym o energooszczędności oświetlenia. Obecnie ten parametr w odniesieniu do najlepszych diod osiągnął poziom lamp sodowych wysokoprężnych i metalohalogenkowych (ponad 100 lm/W) i jeśli tylko inne cechy przemawiają na korzyść LED-ów, skuteczność świetlna nie powinna stanowić przeciwwskazań w ich stosowaniu.

Wysoka luminancja diod elektroluminescencyjnych przenosi się wprost na wysoki poziom olśnienia w urządzeniach oświetleniowych, w których te źródła są wykorzystane. Jest to, wydaje się, główna przyczyna powstrzymująca inwestorów przed pełnym wykorzystaniem diod elektroluminescencyjnych.

Według wiedzy autora i jego wyczucia problematyki oświetlenia ulicznego poziom techniczny i cechy eksploatacyjne źródeł LED osiągnęły taki stan, że w ciągu najbliższych kilku lat będziemy świadkami odchodzenia od klasycznych już lamp (rtęciowych, sodowych i metalohalogenkowych) na rzecz wykorzystania lamp elektroluminescencyjnych. Co dzisiaj jeszcze temu przeszkadza? Przede wszystkim wysoka cena opraw wyposażonych w LED-y, a także brak unifikacji rozwiązań. Obecnie każdy producent elektroluminescencyjnych opraw oświetlenia ulicznego stosuje  w swej oprawie matrycę z LED-ami charakterystyczną tylko dla tej oprawy tego producenta. A co będzie z możliwością wymiany oprawy (np. uszkodzone w następstwie wypadku), jeśli producent przestanie istnieć? Jak wykorzystać oprawę z LED-ami, jeśli na rynku pojawią się bardziej energooszczędne rozwiązania, które zamiast obecnych 30 diod to samo zadanie oświetlenia zrealizują przy użyciu 20 diod.

Fot. 4 Wykorzystanie diod elektroluminescencyjnych w oświetleniu ulicznym tworzy niepowtarzalną okazję do nowatorstwa formy plastycznej opraw

Elastyczne sterowanie

Możliwość elastycznego sterowania oświetleniem ulicznym jest również przejawem rozwoju i nowatorstwa w obszarze oświetlenia. Prowadzić może do znaczących oszczędności energii elektrycznej i dostosowania się do zmieniających się potrzeb w zakresie oświetlenia.

Przez pojęcie sterowania oświetleniem należy rozumieć realizację wielu różnych funkcji, między innymi:

? załączania i wyłączania według dowolnego planu czasowego (dobowego),

? zmniejszania i zwiększania strumienia świetlnego według zaplanowanego scenariusza,

? monitoring stanu świecenia lamp,

? sterowania załączaniem i ściemnianiem w odniesieniu zarówno do całej instalacji, jak i do każdej pojedynczej oprawy.

Potrzeba elastycznego sterowania oświetleniem ulicznym pojawiła się wówczas, gdy w normach przedmiotowych wprowadzono możliwość zmniejszania poziomu oświetlenia na wybranych ulicach i w wybranym czasie [2]. Gwałtowny wzrost oferty sprzętu realizującego różne funkcje sterowania odnotowuje się równolegle z pojawianiem się rozwiązań wykorzystujących diody elektroluminescencyjne jako źródła światła. Jest to zrozumiale, gdyż źródła te dobrze poddają się regulacji strumienia świetlnego, co dotychczas było niemożliwe lub trudne. Lampy wysokoprężne (sodowe i metalohalogenkowe) ze względu na swoją bezwładność cieplną oraz specyfikę wytwarzania światła utrudniały regulację strumienia świetlnego.

Mimo że obecne urządzenia i układy elektryczne używane do sterowania oświetleniem pozwalają na dość swobodne ich wykorzystywanie, na realizację różnych nawet zawrotnych idei oświetlenia, nie należy jednak zapominać o fakcie, że każde zmniejszenie poziomu oświetlenia, jak pokazują badania [1], prowadzi do pogorszenia bezpieczeństwa ruchu drogowego. Nie należy zatem zachłystywać się możliwością sterowania oświetleniem, skutkującą oszczędnością energetyczną. Trzeba na pierwszym miejscu dostrzegać kwestię bezpieczeństwa ruchu.

Dziś rozważane są tak śmiałe pomysły w odniesieniu do oświetlenia dróg jak realizacja oświetlenia nadążnego za ruchem pojazdu. Polegać to ma na załączaniu dynamicznym wyłącznie kilku poprzedzających jadący pojazd latarni i ta strefa załączonego oświetlenia ma się przesuwać razem z pojazdem. Oczywiście dotyczyć to ma obszaru, ulicy z niewielkim natężeniem ruchu. Warunkiem zbudowania takiego systemu jest możliwość indywidualnego zapalania i gaszenia każdej latarni (sterowania)  oraz wyposażenie ich w czujniki wykrywające ruch pojazdu.

Podsumowanie

Obecny rozwój oświetlenia ulicznego stoi przed decyzją zasadniczą. Jeśli w szerokiej skali zostanie upowszechnione oświetlenie wykorzystujące diody elektroluminescencyjne, to poza długo oczekiwanym powrotem do światła białego ten rodzaj źródeł światła umożliwi praktycznie realizację idei elastycznego sterowania i zarządzania oświetleniem. Czy już dziś można rozpoczynać ten proces? Wydaje się, że do przezwyciężenia jest jeszcze kilka kwestii organizacyjnych (unifikacja) oraz problemów technologicznych, które źródła LED lokują nadal bardziej w sferze nadziei niż rzeczywistości.

Wojciech Żagan

Politechnika Warszawska
Wydział Elektryczny
Zakład Techniki Świetlnej

Literatura

1. Deutsche Lichttechnische Gesellschaft (LiTG) e.V. Fachausschuss Aussenbeleuchtung; Strassenbeleuchtung und Sicherheit, Verlag Deutsche Lichttechnische Gesellschaft 1998. 

2. PN-EN 13201 Oświetlenie dróg.

3. W. Żagan, Rzetelnie i rozważnie o LED-ach – ocena obecnych i prognoza przyszłych aplikacji oświetleniowych diod elektroluminescencyjnych, „Przegląd Elektrotechniczny” nr 1/2008.